Modification of carbon nanocomposites by electromagnetic irradiation for biomedical application

Abstract

Microbial contamination is a very important issue worldwide which affects multiple aspects of our everyday life: health care, water purification systems, food storage, etc. Traditional antibacterial therapies are becoming less efficient because inadequate use and disposal of antibiotics have triggered mutations in bacteria that have resulted in many antibiotic-resistant strains. Therefore, it is of great importance to develop new antibacterial materials that will effectively combat both planktonic bacteria and their biofilms in an innovative manner. In this context, the goal of this thesis was to develop two different carbon/polymer nanocomposites (reduced graphene oxide/polyethylenimine and carbon quantum dots/polyurethane) which exhibit excellent antibacterial properties through two different effects: photothermal and photodynamic. Electromagnetic irradiation was used (near-infrared laser radiation or gamma rays) in these experiments, for the purpose of triggering the photothermal effect and enhancing the photodynamic effect of the nanocomposites. In the first experimental part of this thesis, a simple and efficient strategy for bacteria capture and their eradication through photothermal killing is presented. The developed device consists of a flexible Kapton interface modified with gold nanoholes (Au NH) substrate, coated with reduced graphene oxide-polyethyleneimine thin films (K/Au NH/rGO-PEI). The K/Au NH/rGO–PEI device was efficient in capturing and eliminating both planktonic Gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus) and Gram-negative Escherichia coli (E. coli) bacteria after 10 min of NIR (980 nm) irradiation. Additionally, the developed device could effectively destroy and eradicate Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) biofilms after 30 min of irradiation. In the second experimental part, the preparation of a hydrophobic carbon quantum dots/polyurethane (hCQD-PU) nanocomposite with improved antibacterial properties caused by gamma-irradiation pre-treatment is presented. Hydrophobic quantum dots (hCQDs), which are able to generate reactive oxygen species (ROS) upon irradiation with low power blue light (470 nm), were incorporated in the polyurethane (PU) polymer matrix to form a photoactive nanocomposite. Different doses of gamma irradiation (1, 10 and 200 kGy) were applied to the formed nanocomposite in order to modify its physical and chemical properties and improve its antibacterial efficiency. The pre-treatment by gamma-irradiation significantly improved antibacterial properties of the nanocomposite, and the best result was achieved for the irradiation dose of 200 kGy. In this sample, total bacteria elimination was achieved after 15 min of irradiation by blue light, for Gram-positive and Gram-negative strains.

Контаминација бактеријама је веома распрострањен проблем који утиче на много различитих аспеката свакодневног живота: здравство, системе за пречишћавање воде, чување хране итд. Традиционалне антибактеријске терапије су постале мање ефикасне, услед неадекватне употребе и одлагања неискоришћених антибиотика, што је довело до мутација бактерија и резултовало појавом многобројних антибиотски отпорних врста. Стога је веома важно да се развију нови антибактеријски материјали који би се ефикасно борили како са планктонским бактеријама тако и са њиховим биофилмовима, на иновативан начин. Сходно томе, циљ ове дисертације био је развијање два различита нанокомпозита на бази угљеника и полимера (редуковани графен оксид/полиетиленимин и угљеничне квантне тачке/полиуретан), који испољавају одлична антибактеријска својства кроз два различита ефекта: фотодинамички и фототермални. Електромагнетно зрачење (блиско инфрацрвено и гама зрачење) коришћено је у оба експеримента, у сврху активирања фототермалног и побољшања фотодинамичког ефекта. У првом експерименталном делу ове дисертације представљена је једноставна и ефикасна стратегија за хватање бактерија и њихово искорењивање фототермалним убијањем. Развијени уређај се састоји од флексибилног Каптон интерфејса модификованог са златним наношупљинама (Au NH), који је затим обложен танким слојем редукованог графен оксидполиетиленимина (K/Au NH/rGO–PEI). K/Au NH/rGO–PEI уређај је врло ефикасан у хватању и уклањању планктонских Грам-позитивних Staphylococcus aureus (S. aureus) и Грамнегативних Escherichia coli (E. coli) бактерија након 10 мин зрачења ласером у блиској инфрацрвеној области (980 nm). Поред тога, развијени уређај може ефикасно уништити и искоренити биофилмове Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) након 30 минута озрачивања. У другом експерименталном делу представљена је припрема нанокомпозита који се састоји од хидрофобних угљеничних квантних тачака и полиуретана (hCQD-PU) са побољшаним антибактеријским својствима узрокованим третманом гама зрачењем. Хидрофобне квантне тачке (енг. hydrophobic carbon quantum dots - hCQD), које су способне да стварају реактивне врсте кисеоника (reactive oxygen species – ROS) након зрачења видљивом плавом светлошћу мале снаге (470 nm), уграђене су у полиуретански (PU) полимер матрикс како би формирали фотоактивни нанокомпозит. Формирани нанокомпозит је затим изложен различитим дозама гама зрачења (1, 10 и 200 kGy) како би се изменила његова физичка и хемијска својства и побољшала његова антибактеријска ефикасност. Третман гама зрачењем значајно је побољшао антибактеријска својства нанокомпозита, а најбољи резултат је постигнут за дозу зрачења од 200 kGy. У овом узорку постигнута је потпуна елиминација бактерија након 15 мин зрачења плавом светлошћу, за Грам-позитивне и Грам-негативне сојеве.