Development of ZnO thin films for antimicrobial applications

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Patrícia Alexandra Pereira da
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/78814
Resumo: Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas
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spelling Development of ZnO thin films for antimicrobial applicationsDesenvolvimento de filmes finos de ZnO para aplicações antimicrobianasCiências Naturais::Outras Ciências NaturaisDissertação de mestrado em Biofísica e BionanossistemasMicrobial infectious diseases are a worldwide health problem. Frequently, these infections are acquired in healthcare settings, being nominated as nosocomial infections. The responsible microorganisms are, mainly, bacteria and fungi, which have been acquiring resistance against the common antimicrobial agents. The surfaces contribute to the spread of these infections, thus there is an urgent need to eliminate this route of transmission. Nanotechnology has served as a basis to produce new materials, with improved properties and effective action against pathogens. The zinc oxide (ZnO) is a frequently used material due to its excellent antimicrobial properties. This project focused on the evaluation of the ZnO thin films’ antimicrobial activity. All the samples were produced by reactive DC magnetron sputtering and were tested against the fungus, Candida albicans. A first set of thin films was produced under different reactive gas flow (O2), which affected the thin film’s chemical composition and microstructure. However, despite differences in the stoichiometry, some with more content in zinc than oxygen, the main structure was the same for all thin films (hexagonal wurtzite). All thin films led to a cellular growth deceleration, with a decrease in the number of viable yeast cells. However, at the end of the antimicrobial assays, some of the thin films were degraded. Only the stoichiometric ZnO thin film (13 sccm flow) remained stable and thus was considered the most promising. A second set of thin films was produced changing the deposition angle, under the selected 13 sccm O2 flow. These changes were performed to increase the porosity and roughness of the thin films. However, the fungal growth inhibition showed a similar fungistatic effect, as previously, except at 0 degrees. In order to assure that the decrease observed was due to the ZnO thin films surface’s properties, a direct contact assay was done, and results confirmed a reduction in the number of viable cells of about 80 %. Analysing possible molecular mechanisms responsible for the antimicrobial activity, we observed, by flow cytometry, that the loss of membrane integrity and the increase of ROS (Reactive Oxygen Species) within C. albicans cells was correlated with decreased number of viable cells. The effect of zinc ions on the cellular growth was also evaluated, but no differences on the fungal duplication were observed. In conclusion, the stoichiometric ZnO thin film, deposited in conventional mode, is the best option to produce antimicrobial surfaces because it has a high antifungal activity and is the easier to produce. The cell membrane damage simultaneously with accumulation of ROS within the yeast cells seems to be the main mechanisms involved in the loss of the capacity of these microorganisms to duplicate, in our experimental conditions.As infeções microbianas são um problema de saúde mundial. Frequentemente, estas infeções são adquiridas em unidades de cuidados de saúde, sendo denominadas de infeções nosocomiais. Os microrganismos responsáveis são, maioritariamente, as bactérias e os fungos, que têm vindo a adquirir resistência contra os agentes antimicrobianos comuns. As superfícies contribuem para a propagação destas infeções, assim existe uma necessidade urgente de eliminar esta via de transmissão. A nanotecnologia tem servido como base para produzir novos materiais, com propriedades melhoradas e de ação eficaz contra patogénicos. O óxido de zinco (ZnO) é um material frequentemente utilizado devido às suas excelentes propriedades antimicrobianas. Este projeto focou-se na avaliação da atividade antimicrobiana dos filmes finos de ZnO. Todas as amostras foram produzidas por pulverização catódica reativa por descarga de magnetrão e testadas contra o fungo, Candida albicans. O primeiro conjunto de filmes foi produzido sob diferentes fluxos de gás reativo (O2), o que afetou a composição química e a microestrutura dos filmes finos. Contudo, apesar das diferenças na estequiometria, alguns com mais conteúdo em zinco do que oxigénio, a principal estrutura era a mesma para todos os filmes finos (wurtzite hexagonal). Todos os filmes finos levaram a uma desaceleração do crescimento celular, com a diminuição do número de células de leveduras viáveis. Contudo, no final dos ensaios antimicrobianos, alguns dos filmes finos estavam degradados. Apenas o filme fino de ZnO estequiométrico (fluxo 13 sccm) permaneceu estável e assim, foi considerado como o mais promissor. O segundo conjunto de filmes finos foi produzido variando o ângulo de deposição, sob o fluxo selecionado de 13 sccm O2. Estas alterações foram realizadas para aumentar a porosidade e rugosidade dos filmes finos. Contudo, o crescimento fúngico apresentou um efeito fungistático semelhante, como anteriormente, exceto a 0 graus. De forma a assegurar que a diminuição observada se deveu às propriedades de superfície dos filmes finos de ZnO, um ensaio de contacto direto foi realizado e os resultados confirmaram uma redução no número de células viáveis de cerca de 80 %. Analisando os possíveis mecanismos moleculares responsáveis pela atividade antimicrobiana, observámos, por citometria de fluxo, que a perda de integridade de membrana e o aumento de ROS (Espécies Reativas de Oxigénio) dentro das células de C. albicans estava correlacionado com a diminuição do número de células viáveis. O efeito dos iões de zinco no crescimento celular foi também avaliado, mas não foram observadas diferenças na duplicação fúngica. - vii - Em conclusão, o filme fino de ZnO estequiométrico, depositado no modo convencional, é a melhor opção para produzir superfícies antimicrobianas, porque possui grande atividade antifúngica e é mais fácil de produzir. Os danos na membrana celular, simultaneamente com a acumulação de ROS dentro das células das leveduras, parecem ser os principais mecanismos envolvidos na perda de capacidade de duplicação destes microrganismos, nas nossas condições experimentais.This research was sponsored by the FCT in the framework of the Strategic Funding UID/BIA/04050/2013 and UID/FIS/04650/2013, and FCT Project PTDC/FIS-NAN/1154/2014, as well as by FEDER through POFC-COMPETE.Sampaio, PaulaBorges, JoelUniversidade do MinhoSilva, Patrícia Alexandra Pereira da2018-12-172018-12-17T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/78814eng202465080info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:29:07Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/78814Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:24:04.833097Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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