Biyopolimerik ve inorganik yüzeyde immobilize edilmiş karbon kuantum noktaların antibakteriyel aktivitesinin araştırılması
Investigation of antibacterial activity of immobilized carbon quantum dots on biopolymeric and inorganic surfaces
Yazar: YANAR NAJMALDEEN GHAIBULLAH GHAIBULLAH
Danışman: DOÇ. DR. İDRİS SARGIN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Bu çalışmada polimerik (kitosan mikroküreler) ve inorganik (cam mikroküreler) yüzeye immobilize edilen CQD'ların antibakteriyel potansiyellerinin olup olmadığı araştırılmıştır. Çalışmada kullanılan CQD'lar iğde (Elaeagnus angustifolia) meyvelerinin su ekstraktından mikrodalga ışıma yardımıyla asidik ortamda sentezlenmiştir. CQD'ların yapısal ve optik özelikleri karakterize edilmiştir. Cam mikrokürelerin yüzeyi önce aktive edilmiş ve silanlama ajanıyla yüzey fonksiyonlandırılmıştır. Primer amin gruplarına sahip fonksiyonlandırılmış cam mikrokürelerin yüzeyine CQD'lar çapraz bağlayıcı ajan kullanarak kovalent olarak bağlanmış ve antibakteriyel özellikleri araştırılmıştır. Kitosan mikroküreler hazırlanmış ve CQD'lar kitosan mikrokürelerinin yüzeyine çapraz bağlayıcı ajan kullanarak kovalent olarak yüzeye immobilize edilmiştir. Antibakteriyel aktivite çalışmalarında dokuz farklı materyal kullanılmıştır; cam mikroküreler, aktive cam mikroküreler, amin fonksiyonlandırılmış cam mikroküreler, çapraz bağlı cam mikroküreler, CQD-cam mikroküreler, çapraz bağlı olmayan kitosan mikroküreler, çapraz bağlı kitosan mikroküreler, CQD-kitosan mikroküreler ve CQD'lar. 9 farklı test materyalinin antibakteriyel potansiyelleri; 2'şer farklı Gram negatif (E. coli ve S. typhimurium) ve Gram pozitif (B. subtilis ve S. aureus) olmak üzere toplam 4 adet standart bakteri üzerinde hem nitel (MİK ve MBK) hem de nicel (GI50) olarak standart sıvı mikrodilüsyon yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. CQD'ların hem Gram negatif hem de Gram pozitif bakterilerden birer tanesinde (S. typhimurium ve B. subtilis; MİK=25 mg/mL; MBK: ˃25 mg/100 µL) canlılığı yaklaşık %25 oranında düşürdüğü bulunmuştur. % canlılık verileri incelendiğinde en yüksek antibakteriyel etki S. aureus üzerinde %43'lük toksik etki gösteren CQD cam mikroküre olduğu bulunmuştur. Ayrıca CQD'ların; çapraz bağlı cam mikrokürelere bağlanması sadece Gram pozitif bakterilerde seçici bir şekilde antibakteriyel etkiyi artırmasına (MİK: 32 mg/100 µL, MBK: ˃32 mg/100 µL), çapraz bağlı kitosan mikrokürelere bağlanması ise bütün bakterilerde (MİK: 32 mg/100 µL; MBK: ˃32 mg/100 µL) etkili olmasına sebep olmuştur. Kitosan mikrokürelerin antibakteriyel bir etkisinin olmadığı (MİK ve MBK: ˃32 mg/100 µL) fakat, kitosan mikrokürelerin çapraz bağlı hale getirilmesi antibakteriyel etkiyi artırdığını (MİK: 32 mg/100 µL, MBK: ˃32 mg/100 µL) göstermektedir. Sonuç olarak CQD-kitosan mikrokürelerin antibakteriyel potansiyelinin CQD-cam mikrokürelerden daha etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Bu çalışma biyopolimerik ve inorganik yüzeyde CQD'ların immobilize edildikten sonra antibakteriyel aktivite sergiletebildiğini göstermiştir. CQD'lar antibakteriyel yüzey hazırlamada karbon tabanlı nanomateryal olarak kullanılabilme potansiyeli vardır.

Abstract:
In this study, it was investigated whether CQDs immobilized on polymeric (chitosan microspheres) and inorganic (glass microspheres) surfaces have antibacterial potentials. The CQDs used in the study were synthesized from the water extract of oleaster fruits (Elaeagnus angustifolia) in an acidic environment with the help of microwave irradiation. The structural and optical properties of CQDs were characterized. The surface of the glass microspheres was first activated and surface-functionalized with a silylation agent. CQDs were covalently bonded to the surface of functional glass microspheres with primary amine groups using a cross-linking agent and their antibacterial properties were investigated. Chitosan microspheres were prepared and CQDs were covalently immobilized to the surface of chitosan microspheres using a crosslinking agent. Nine different materials were used in antibacterial activity studies; glass microspheres, activated glass microspheres, amine-functionalized glass microspheres, cross-linked glass microspheres, CQD-glass microspheres, non-crosslinked chitosan microspheres, cross-linked chitosan microspheres, CQD-chitosan microspheres and CQDs. The antibacterial potentials of nine different newly synthesized test materials were evaluated both qualitatively (MIC and MBC) and quantitatively (GI50) on a total of 4 standard bacteria, 2 of which are Gram negative (E. coli and S. typhimirium) and Gram positive (B. subtilis and S. aureus), using the standard broth microdilution method. It was found that CQD reduced the viability of one each of Gram-negative and Gram-positive bacteria (S. typhimurium and B. subtilis; MIC=25 mg/mL; MBC: ˃25 mg/100 µL) by approximately 25%.  When the % viability data were examined, it was found that the highest antibacterial effect was CQD-glass microsphere, which had a toxic effect of 43% on S. aureus. In addition, binding of CQD to cross-linked glass microspheres selectively increases antibacterial effect only in Gram-positive bacteria (MIC: 32 mg/100 µL, MBC: ˃32 mg/100µL), while binding to cross-linked chitosan microspheres in all bacteria (MIC: 32 mg/100 µL, MBC: ˃32 mg/100 µL). It shows that chitosan microspheres do not have an antibacterial effect (MIC and MBC: ˃32 mg/100µL), but cross-linking chitosan microspheres increases the antibacterial effect (MIC: 32 mg/100 µL, MBC: ˃32 mg/100 µL). As a result, it was concluded that the antibacterial potential of CQD-chitosan microspheres was more effective than CQD-glass microspheres. This study showed that CQDs can exhibit antibacterial activity after immobilization on biopolymeric and inorganic surfaces. CQDs have the potential to be used as carbon-based nanomaterials in antibacterial surface preparation.