Metal nanopartikül yüklü bakır sülfürlerin antibakteriyel aktivitesinin araştırılması

Günümüzde, antibiyotiklere alternatif olarak daha az maliyetli ve daha etkili hibrit formlar araştırılmaktadır. Bu nedenle, nanomalzemelerin verimliliğini artırmak için hibrit formda kullanılmaları gerekmektedir; yapılan çalışmalar, hibrit materyallerin tek başına kullanılan nanomalzemelerden daha etkili olduğunu göstermektedir. Nanomateryal bazlı antimikrobiyallerden biri olan bakır sülfür (CuS), biyofilm enfeksiyonlarıyla mücadele etmek için potansiyel aktif terapötik ajan olarak ortaya çıkmıştır ve yakın kızılötesi (NIR) ışığı altında hem fototermal hem de fotodinamik etkilerle üstün antibakteriyel aktivite göstermektedir. Bu tez çalışmasında geçiş metallerinin (Mn, Zn ve Ni) CuxS'ün antibakteriyel aktivite üzerine etkisini araştırmak için sıcak enjeksiyon yöntemiyle hazırlanan bakır bazlı nanoparçacıkların NIR ışığı altında Gram-pozitif Staphylococcus aureus ve Gram-negatif Escherichia coli patojen bakterilere karşı etkisi araştırıldı. Etki mekanizmalarının anlaşılması amacıyla fototermal etki, glutatyon tükenme deneyi, taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ve floresans mikroskopisi görüntülemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler, nanomalzemelerin antibakteriyel etki mekanizmasını açıklığa kavuşturmayı amaçlamaktadır. Nanomalzemelerin antibakteriyel aktiviteleri, optik yoğunluk ölçümü metodu ile değerlendirilmiştir. Her bir malzemenin, NIR ışık varlığı, yokluğuna kıyasla daha yüksek bir antibakteriyel performans sergilediği belirlenmiştir. CuxS bazlı nanomateryallerin NIR ışığı altında bakteri üremesini baskıladığı ve biyofilm yapılarının giderilmesi konusunda da dikkate değer bir etki göstermiştir. M:CuxS (M: Mn, Zn ve Ni) nanoparçacıklarının antibiyofilm etkinliği, yalın haldeki CuS'den önemli ölçüde yüksek etki göstermiştir; Mn:CuxS, Zn:CuxS ve Ni:CuxS için sırasıyla E. coli üzerinde %52,5, %62,2 ve %74,4 oranlarında biyofilm inhibisyonu ile sonuçlandı. S. aureus'un biyofilm aktivitesinde ise Mn:CuxS, Zn:CuxS ve Ni:CuxS nanoparçacıkları için sırasıyla %64,1, %68,4 ve %87,3 sonuçları bulunmuştur. Ni:CuxS, nispeten daha küçük kristal yapı, parçacık boyutu ve enerji bant aralığına sahip olduğu için en yüksek antibakteriyel aktiviteyi göstermiştir. Sonuç olarak, CuxS bazlı nanoparçacıkların biyouyumlu sinerjistik antibakteriyel etkisi, çeşitli alanlarda geniş bir uygulama potansiyeline işaret etmekte ve aynı zamanda geleneksel antibiyotik tedavilerine alternatif olan antibakteriyel/antibiyofilm yaklaşımları için bir rehber niteliği taşımaktadır. Bu çalışma, nanoteknoloji alanında ilerlemeler sağlamak ve daha etkili tedavi yöntemleri geliştirmek için temel bir adım olarak değerlendirilebilir.

Nowadays, less costly, and more effective hybrid forms are being explored as an alternative to antibiotics. Therefore, nanomaterials need to be used in hybrid form to increase their efficiency; studies show that hybrid materials are more effective than nanomaterials used alone. Copper sulfide (CuS), one of the nanomaterial-based antimicrobials, has emerged as a potential active therapeutic agent to combat biofilm infections and shows superior antibacterial activity through both photothermal and photodynamic effects under near infrared (NIR) light. In this thesis, to investigate the effect of transition metals (Mn, Zn and Ni) on the antibacterial activity of CuxS, the effect of copperbased nanoparticles prepared by hot injection method against Gram-positive Staphylococcus aureus and Gram-negative Escherichia coli pathogenic bacteria under NIR light was investigated. Photothermal effect, glutathione depletion assay, scanning electron microscopy (SEM) and fluorescence microscopy imaging were performed to understand the mechanisms of action. These analyses aim to elucidate the antibacterial mechanism of action of nanomaterials. The antibacterial activity of the nanomaterials was evaluated by optical density measurement method. Each material was found to exhibit a higher antibacterial performance in the presence of NIR light compared to its absence. CuxS-based nanomaterials suppressed bacterial growth under NIR light and showed a remarkable effect on the removal of biofilm structures. The biofilm activity of M:CuxS (M: Mn, Zn and Ni) nanoparticles showed significantly higher activity than CuS in its bare form, resulting in biofilm inhibition of 52.5%, 62.2% and 74.4% on E. coli for Mn:CuxS, Zn:CuxS and Ni:CuxS, respectively. Biofilm activity of S. aureus was 64.1%, 68.4% and 87.3% for Mn:CuxS, Zn:CuxS and Ni:CuxS nanoparticles, respectively. Ni:CuxS showed the highest antibacterial activity due to its relatively smaller crystal structure, particle size and energy band gap. In conclusion, the biocompatible synergistic antibacterial effect of CuxS-based nanoparticles indicates a broad application potential in various fields also serves as a guide for antibacterial/antibiofilm approaches as an alternative to conventional antibiotic treatments. This study can be considered as a fundamental step to make advances in the field of nanotechnology and to develop more effective treatment methods.