Silver nanoparticles doped antimicrobial biocomposite for hydrogen peroxide biosensor
Gümüş nanopartikül katkılı antimikrobiyal biyokompozit ile hidrojen peroksit biyosensörü
- Tez No: 816083
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Biotechnology, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Hidrojen peroksit, reaktif oksijen türlerinin üretimi ile insanın bunları yok etme kapasitesi arasındaki dengesizlik nedeniyle oksidatif strese neden olan bir moleküldür. Hidrojen peroksit, hücresel metabolik aktivitenin bir sonucu olarak üretilir ve vücutta belirli bir konsantrasyonun üzerinde yıkıma neden olur. Oksidatif stres bazen yıkımla eş tutulurken, bazen de kanser hücrelerinin apoptozisini sağlayarak olumlu bir etkiye sahiptir. Vücut, hidrojen peroksiti suya veya daha az zararlı moleküllere dönüştürmeye yardımcı olan süperoksit dismutaz ve glutatyon peroksidaz gibi antioksidanlar ile doğal bir savunma mekanizması geliştirir. Ancak hücresel stres ve kronik enflamasyon gibi olumsuzluklara maruz kalındığında vücuttaki reaktif oksijen türlerinin üretimi antioksidan üretim kapasitesini aşar ve oksidatif stres tetiklenir. Oksidatif stres, kardiyovasküler hastalıklar, nörodejeneratif bozukluklar, kanser, yaşlanma, depresyon ve uyku bozuklukları gibi birçok hastalığın oluşumunda ve ilerlemesinde rol oynamaktadır. Biyolojik örneklerde hidrojen peroksit seviyesinin ölçülmesi, oksidatif stres belirteçlerinin tespit edilmesi ve oksidatif hasarın boyutunun belirlenmesi, hastalıkların erken teşhisine olanak tanır ve metabolizma hakkında önemli bilgiler sağlar. Bu amaçla klinisyenler ve bilim insanları için hidrojen peroksidin belirlenmesi önemlidir. Oksidatif stresin yönetilmesinde, hücre ve doku sağlığının korunmasında ve çeşitli hastalıkların riskinin azaltılmasında da etkilidir. Hidrojen peroksit biyosensörleri, hidrojen peroksitin varlığını ve konsantrasyonunu belirlemek için tasarlanmış cihazlardır. Hidrojen peroksit tayini gerçekleştirmek için enzimler veya farklı biyobelirteçler kullanılabilir. Hidrojen peroksit belirlenirken, genellikle hidrojen peroksit ile bir reaktif arasında kimyasal bir reaksiyon gerçekleşir ve bu da hidrojen peroksit konsantrasyonuna göre değişen önemli bir sinyalle sonuçlanır. Biyosensör sınıflandırmasında en çok tercih edilen türlerden biri olan enzimatik olmayan hidrojen peroksit biyosensörleri klinik teşhis ve uygulamalarında hidrojen peroksit konsantrasyonunu belirlemek için kullanılmıştır. Hidrojen peroksit moleküllerini doğrudan oksitleyebilen yüksek katalitik aktiviteye sahip gümüş nanopartikülleri ile oksidasyon ve redüksiyon olayı hidrojen peroksit konsantrasyonu ile ilişkilendirilebilen bir elektrik sinyali üretir. Enzimatik olmayan hidrojen peroksit biyosensörü diğer sensör sistemlerine kıyasla daha kararlı, daha hassas ve yüksek katalitik içerikli gümüş nanopartiküller sayesinde hidrojene karşı yeterince seçici özelliğe sahiptir. Bir hidrojen peroksit sensörü, bir elektrot ve elektrot üzerine kaplanmış, bir türe özgü olacak şekilde tasarlanmış bir malzemeden oluşur. Hassas ve son derece kararlı bir hidrojen peroksit biyosensörü geliştirmek için, çalışma elektrodunun yüzeyini eşit boyutlu parçacıklarla modifiye etmek önemlidir. Modifikasyon için genellikle yüksek yüzey alanına ve elektrokatalitik aktiviteye sahip nanopartiküller kullanılır. Bu çalışmada, elektrot yüzeyi bir polimer yatağı oluşturularak gümüş nanopartiküller ile katkılanmıştır. Nano boyutları sayesinde gümüş nanopartiküller sensör yüzey alanını artırarak hidrojen peroksitin redoks reaksiyonunu tetiklemektedir. Gümüş nanopartiküller, farklı bitkilerden elde edilen özütlerdeki biyomoleküllerin gümüş nitrat ile indirgenmesini sağlayan yeşil sentez yolu kullanılarak üretilmiştir. Çalışmada benimsenen yeşil sentez metotu ile biyomedikal uygulamalara da değinilmiştir. Vücutta toksisite oluşturmayan sensör sistemi, tasarımı ve modifikasyonu sayesinde ürün kullanımı klinik uygulamalar için önemlidir. Bu projenin özgünlüğü, polimer sentezinde 2-Aminoetil Metakrilat (AEMA) ve 2- Hidroksietil Metakrilat (HEMA) monomerlerinden AEMA'nın gümüş nanoaprtiküller ile kompleks oluşturma yeteneği ve HEMA' nın hifrofilik yapısı, sıcaklık gibi uyaranlara tepki oluşturması gibi üstün özelliklerini kullanarak yeşil sentez ile yeşil/kırmızı antep fıstığı gövdesi ve hibiskus yaprağınından elde edilen gümüş nanopartiküllerden sensör kaplama sistemi geliştirilip hassas bir hidrojen peroksit sensörü oluşturmaktır. Bu çalışmada üretilen sensörün, literatürden daha üstün bir ölçüm aralığı ve algılama limiti ile düşük hidrojen peroksit konsantrasyonlarının bile belirlenmesini sağlaması amaçlanmıştır. Hassas ve yüksek stabilitede bir hidrojen peroksit biyosensörünün geliştirilebilmesi için çalışan elektrot yüzeyinin eş boyutlu partiküllerle modifiye edilmesi önemlidir. Bu amaçla yüzey alanını artıran ve elektrokatalitik aktviteyi geliştiren nanopartiküller kullanılır. Bu amaçla çalışan elektrot yüzeyinde bir polimer yatak oluşturarak gümüş nanopartiküllerle elektrot yüzeyi katkılandırılmıştır. Ayrıca nanoboyutları sayesinde gümüş nanopartiküller sensör yüzey alanını artırarak hidrojen peroksitin redoks tepkimesini tetikler. Sensör modifikasyonu için seçilen gümüş nanopartiküller bitkilerin farklı kısımlarından elde edilen ekstraktlardaki biyomoleküllerin gümüş nitrat ile indirgenmesiyle oluşturulduğundan kullanılan yeşil sentez metodu biyomedikal uygulamalar için faydalı olmuştur. Bu proje kapsamında spesifik bir biyosensör oluşturulmuş ve elektrokimyasal analizlerle performansı ölçülmüştür. Gümüş nanopartiküller hibiskus yaprağı ve yeşil/kırmızı antep fıstığı gövdesinden yeşil sentez kullanılarak sentezlenmiştir. Gümüş nanopartiküller, polimerizasyon sırasında ve kriyojel işlemini takiben damlatma yöntemi ile polimere katkılanmıştır. Gümüş nanopartiküller ve polimer/gümüş nanopartikül kompleksleri Taramalı Elektron Mikroskobu, Geçirimli Elektron Mikroskobu, partikül boyutu analizörü, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi, İndüktif Eşleşmiş Plazma ve UV-Vis spektrofotometresi ile karakterize edilmiştir. Modifiye edilmiş elektrotların elektrokimyasal davranışları CV, DPV ve EIS gibi çeşitli elektrokimyasal analizlerle incelenmiştir. Ayrıca gümüş nanoaprtiküllerin antibakteriyel aktivitesi disk difüzyon metodu ile gram-pozitif, gram-negatif bakteriler, maya ve mantarlar üzerinden test edilmiş inhibitör bölgeleri kaydedilmiştir. Hibiskus yaprağı ve yeşil/kırmızı fıstık gövdesi ile AEMA ve HEMA polimer kompleksleri kullanılarak sentezlenen gümüş nano parçacıklara sahip iki özgün biyokompozit sensör tasarımı başarıyla üretilmiştir. Boyut analizi ve TEM görüntüleri gümüş nanopartiküllerin uyumlu, küresel morfolojiye sahip olduğunu göstermiş ve polimer yüzeye nanopartikül küreciklerinin başarılı dağılımının göstermiştir. FTIR ve SEM sonuçları, polimer ve gümüş nanopartiküllerin birbirine yapıştığını ve kompakt bir kompozit yapı oluşturduğunu göstermektedir. Üretilen gümüş nanopartiküllerin antimikrobiyal aktivitesi de disk difüzyon yöntemi ile araştırılmıştır. Farklı gümüş çeşitleri ile yapılan her bir kompozit modifiye elektrodun elektrokimyasal analizleri gerçekleştirilmiştir. CV analizlerinde, artan hidrojen peroksit konsantrasyonu ile akımdaki artış doğrusal olarak gözlemlenmiştir. Ayrıca, farklı elektrot tasarımları için sırasıyla oksidasyon pik potansiyeli Epa 0.131V - 0.098V ve indirgeme pik potansiyeli Epc - 0.042V - (-0.021) bulunmuştur.Artan hidrojen peroksit konsantrasyona karşı akım yanıtlarının doğrusallığı DPV sonuçları ile desteklenmiştir. Empedans analizlerinde ise farklı kompozit yapıların direnci incelenerek düşük olduğu kanıtlanmıştır. Glikoz, dopamin, askorbik asit, laktik asit gibi bir sensör sistemi ile etkileşime girebilecek maddeler incelenmiş ve herhangi bir girişim görülmemiştir. Çalışma sonucunda p(AEMA-co-HEMA) polimerine katkılanmış antep fıstığı gövdesi ve hibiskus yaprağından elde edilen gümüş nanopartiküllerden iki farklı modifiye elektrot oluşturulmuştur. p(AEMA-co-HEMA) PistachioHullAgNP elektrodunun dinamik girişim aralığı (10pM-10mM) bulunurken p(AEMA-co-HEMA) HibiscusLeafAgNP elektrodunun ise (80pM-10mM) olarak tespit edilmiştir. Antepfıstığı gövdesinden elde edilen gümüş nanopartiküller ile modifye edilen elektrodun tayin limiti 1.4μM ve diğer modifiye elektrot için ise 3.9μM gibi düşük hidrojen peroksit konsantrasyonuna yanıt verebilen çok hassas bir sensör olduğu kanıtlanmıştır. Sensör sistemlerinin tekrarlanabilirliği oldukça yüksek ve yanıt süresi ise kronoamperometrik ölçümler sayesinde 5 saniyeden kısa bulunmuştur. Enzimatik olmayan hidrojen peroksit biyosensör tasarımı sayesinde kararlılığı, hassasiyeti, seçiciliği yüksek, hızlı yanıt süresi ve kolay üretim imkanına sahip antimikrobial etkili tasarımı ve üretimiyle farklı bir sensör sistemi üretişmiştir. Buna ek olarak, bu biyokompozit sensörler sektörel uygulamalara adapte edilebilecek büyük bir potansiyele sahiptir.
Özet (Çeviri)
Hydrogen peroxide is a molecule causes oxidative stress due to the imbalance between the production of reactive oxygen species and an elimination capacity of human. Hydrogen peroxide is produced as a result of cellular metabolic activity and above a certain concentration in a body causes destruction. While oxidative stress is sometimes equated with destruction, it sometimes has a positive effect by providing apoptosis of cancer cells. The body develops a natural defense mechanism with antioxidants such as superoxide dismutase and glutathione peroxidase, which help convert hydrogen peroxide into water or less harmful molecules. However, when exposed to negativities such as cellular stress and chronic inflammation, the production of reactive oxygen species in the body exceeds antioxidant production capacity and oxidative stress is triggered. Oxidative stress plays a role in the formation and progression of many diseases such as cardiovascular diseases, neurodegenerative disorders, cancer, aging, depression and sleep disorders. Measuring the level of hydrogen peroxide in biological samples, detecting oxidative stress markers and determining the extent of oxidative damage allow early diagnosis of diseases and provide important information about metabolism. For this purpose, it is important for clinicians and scientists to determine hydrogen peroxide. It is also effective in managing oxidative stress, protecting cell and tissue health, and reducing the risk of various diseases. Hydrogen peroxide biosensors are instruments designed to determine the presence and concentration of hydrogen peroxide. Enzymes or different biomarkers can be used to perform hydrogen peroxide determination. When determining hydrogen peroxide, a chemical reaction usually takes place between hydrogen peroxide and a reagent, resulting in a significant signal that varies with hydrogen peroxide concentration. Non-enzymatic hydrogen peroxide biosensors, one of the most preferred types in the biosensor classification, have been used to determine hydrogen peroxide concentration in clinical diagnostics and applications. With silver nanoparticles with high catalytic activity that can directly oxidize hydrogen peroxide molecules, the oxidation and reduction event generates an electrical signal that can be correlated with hydrogen peroxide concentration. The non-enzymatic hydrogen peroxide biosensor is more stable, more sensitive and with high catalytic content compared to other sensor systems. A hydrogen peroxide sensor consists of an electrode and a material coated on the electrode, designed to be specific to a species. To develop a sensitive and highly stable hydrogen peroxide biosensor, it is important to modify the surface of the working electrode with uniformly sized particles. Nanoparticles with high surface area and electrocatalytic activity are usually used for modification. In this study, the electrode surface was doped with silver nanoparticles by forming a polymer bed. Due to their nano size, silver nanoparticles increase the sensor surface area and trigger the redox reaction of hydrogen peroxide. The silver nanoparticles were produced using a green synthesis route, which enables the reduction of biomolecules in extracts from different plants with silver nitrate. The green synthesis method adopted in the study also touched upon biomedical applications. The use of the product is important for clinical applications thanks to the design and modification of the sensor system, which does not cause toxicity in the body. The uniqueness of this project is the ability of 2-Aminoethyl Methacrylate (AEMA) and 2-Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA) monomers in polymer synthesis, AEMA's ability to form complexes with silver nanoparticles and HEMA's superior properties such as its hyprophilic structure and its response to stimuli such as temperature, by using green synthesis, a sensor coating system was developed from silver nanoparticles obtained from green/red pistachio hull and hibiscus leaf. In order to develop a sensitive and highly stable hydrogen peroxide biosensor, it is important to modify the working electrode surface with equidimensional particles. For this purpose, nanoparticles that increase the surface area and improve the electrocatalytic activity are used. For this purpose, the electrode surface was doped with silver nanoparticles by forming a polymer bed on the working electrode surface. Moreover, due to their nanosize, silver nanoparticles increase the sensor surface area and trigger the redox reaction of hydrogen peroxide. Since the silver nanoparticles selected for sensor modification were formed by reducing biomolecules in extracts from different parts of plants with silver nitrate, the green synthesis method used was useful for biomedical applications. Within the scope of this project, a specific biosensor was created and its performance was measured by electrochemical analysis. Silver nanoparticles were synthesized from hibiscus leaf and green/red pistachio hull using green synthesis. Silver nanoparticles were doped into the polymer by dropping method during polymerization and following the cryogel process. Silver nanoparticles and polymer/silver nanoparticle complexes were characterized by Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, particle size analyzer, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Inductively Coupled Plasma and UV-Vis spectrophotometer. The electrochemical behavior of the modified electrodes was investigated by various electrochemical analyses such as CV, DPV and EIS. In addition, the antibacterial activity of silver nanoparticles was tested by disk diffusion method on gram-positive, gram-negative bacteria, yeasts and fungi and the inhibitory sites were recorded. Two novel biocomposite sensor designs with silver nanoparticles synthesized using AEMA and HEMA polymer complexes with hibiscus leaf and green/red pistachio hull were successfully fabricated. Size analysis and TEM images showed that the silver nanoparticles have coherent, spherical morphology and demonstrated the successful dispersion of nanoparticle spherules on the polymer surface. FTIR and SEM results show that the polymer and silver nanoparticles adhere to each other and form a compact composite structure. The antimicrobial activity of the produced silver nanoparticles was also investigated by disk diffusion method. Electrochemical analysis of each composite modified electrode made with different types of silver was performed. In CV analysis, the increase in current was observed linearly with increasing hydrogen peroxide concentration. In addition, the oxidation peak potential Epa 0.131V - 0.098V and reduction peak potential Epc - 0.042V - (-0.021) were found for different electrode designs, respectively. The linearity of current responses to increasing hydrogen peroxide concentration was supported by DPV results. In impedance analysis, the resistance of different composite structures was examined and proved to be low. Substances that can interact with a sensor system such as glucose, dopamine, ascorbic acid, lactic acid were examined and no interference was observed. As a result of the study, two different modified electrodes were formed from silver nanoparticles obtained from pistachio body and hibiscus leaf doped with p(AEMA-co- HEMA) polymer. The dynamic interference range of the p(AEMA-co- HEMA)PistachioHullAgNP electrode was (10pM-10mM), while the p(AEMA-co- HEMA)HibiscusLeafAgNP electrode was (80pM-10mM). The detection limit of the electrode modified with silver nanoparticles from pistachio hull was 1.4μM and 3.9μM for the other modified electrode, which proved to be a very sensitive sensor capable of responding to low hydrogen peroxide concentrations. The reproducibility of the sensor systems was very high and the response time was found to be less than 5 seconds by chronoamperometric measurements. Thanks to the non-enzymatic hydrogen peroxide biosensor design, a different sensor system has been produced with its antimicrobial effective design and production with high stability, sensitivity, selectivity, fast response time and easy production. In addition, these biocomposite sensors have great potential to be adapted to industrial applications.
Benzer Tezler
- Gümüş nanopartikül katkılı TiO2 kaplayarak süperhidrofobik kumaş üretilmesi
Production of superhydrophobic fabric by coating silver nanoparticles doped TiO2
HAKAN GÖRGÜLÜER
- Yeşil sentez gümüş nanopartikül katkılı nanofiber ile güçlendirilmiş polimetilmetakrilat (PMMA) rezin kompozitlerin üretilmesi ve antimikrobiyal ve mekanik aktivitelerinin değerlendirilmesi
Production of polimethylmethacrylate (PMMA) resin composites with green synthesis silver nanoparticles doped nanofiber and evaluation of their antimicrobial and mechanical activities
MERYEM ERDOĞDU
Doktora
Türkçe
2024
Diş HekimliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ RIZA TUNÇDEMİR
- Çinko, titanyum ve alüminyum katkılı bakır oksit nanoparçacıkların antibakteriyel etkilerinin karşılaştırılması
Comparison of antibacterial effects of zinc, titanium and aluminum doped copper oxide nanoparticles
MUSTAFA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİĞDEM ORUÇ
- Yeşil sentezle elde edilen gümüş nanopartiküller ile katkılandırılmış ağız gargarasının antimikrobiyal etkinliğinin araştırılması
Investigation of the antimicrobial effectiveness of mouthwash doped with silver nanoparticles made by green synthesis
ISMAYIL HUSEYNLI
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2023
Diş HekimliğiAtatürk ÜniversitesiPeriodontoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP ORBAK
- Polianilin/gümüş nanokompozit maddesinin sentezi, karakterizasyonu ve iletken antimikrobiyal film yapımı
Synthesis and characterization of polyaniline/silver nanocompozites and preparation of conductive antimicrobial films
GÜLŞEN AKSİN