The effect of the crystal structure on the antibacterial properties of titanium dioxide nanomaterials

Bc. Nora Witkovská

Master's thesis

Vliv krystalové struktury nanomateriálů na bázi oxidu titaničitého na jejich antibakteriální vlastnosti

Abstract:

Antibiotická rezistence představuje celosvětový problém, který komplikuje léčbu přetrvávajících bakteriálních infekcí u lidí i zvířat a současně také ztěžuje odstraňování patogenních mikroorganismů z různých zdrojů, jako jsou potraviny a voda. S rychlým pokrokem v oblasti nanotechnologií se různé nanomateriály ukázaly jako slibné řešení tohoto problému. Nanočástice na bázi oxidu titaničitého vynikají díky svým výjimečným vlastnostem, jako je nízká toxicita, dobrá chemická stabilita a silné fotokatalytické vlastnosti, které vyvolávají oxidační stres. S třemi hlavními krystalickými strukturami – anatas, brookite a rutil – představují nanočástice oxidu titaničitého nadějnou alternativu jako nové antimikrobiální činidlo. Cílem této studie bylo prozkoumat vztah mezi antimikrobiální aktivitou a různými strukturami nanočástic titanu. Prostřednictvím charakterizace nanočástic pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a následnými analýzami jak na planktonních buňkách gramnegativních a grampozitivních bakterií, tak i na biofilmu, byla stanovena různá antibakteriální aktivita jednotlivých struktur při různých koncentracích. Významná antimikrobiální aktivita byla pozorována po aplikaci nanočástic na bázi oxidu titaničitého zejména proti grampozitivním planktonním buňkám Staphylococcus aureus (S. aureus), přičemž míra inhibice dosahovala 90 % a proti jeho meticilín-rezistentní formě dokonce až 94 %. Naopak v případě gramnegativní bakterie Escherichia coli nebo biofilmu, který byl produkován meticilín-rezistentní bakterií S. aureus, nebyla potvrzena stejná úroveň účinnosti. Další ověření pomocí fluorescenční mikroskopie potvrdilo účinnost oxidu titaničitého jako jedinečného antimikrobiálního činidla, čímž bylo prokázáno jeho možné využití v různých průmyslových odvětvích.

Abstract:

Antibiotic resistance poses a significant global challenge, complicating the treatment of persistent bacterial infections in both humans and animals, while simultaneously impeding efforts to eliminate pathogenic microorganisms from diverse sources like food and water. With the rapid progress of nanotechnology, various nanomaterials have emerged as promising solutions to combat this issue. Among these, titanium dioxide nanoparticles stand out for their exceptional characteristics including non-toxicity, chemical inertness, and potent photocatalytic properties that induce oxidative stress. With three main crystalline structures—anatase, brookite, and rutile—titanium dioxide nanoparticles offer an ideal alternative as a novel antimicrobial agent. This study aimed to investigate the relationship between the antimicrobial activity of different structures of titanium nanoparticles. Through meticulous characterization using scanning electron microscopy, followed by analyses on both planktonic cells of Gram-negative and Gram-positive bacteria, as well as biofilm, intriguing findings regarding the varying antimicrobial efficacy of individual structures were uncovered. Significant antimicrobial activity was noted after treatment with titanium dioxide polymorphs at various concentrations, particularly against Gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus) planktonic cells, surpassing inhibition rates of 90% and up to 94% in its methicillin-resistant form. In contrast, treatments targeting Gram-negative Escherichia coli and biofilm produced by methicillin-resistant S. aureus did not exhibit the same level of robustness. Further validation of these findings using fluorescence microscopy confirmed the effectiveness of titanium dioxide as an antimicrobial agent, paving the way for its potential application across numerous industries.

Keywords

nanotechnologie, antibiotická rezistence, nanočástice oxidu titaničitého, antimikrobiální činidlo, krystalické struktury

Keywords

antimicrobial agent, crystalline structures, titanium dioxide nanoparticles, antibiotic resistance, nanotechnology

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2024
• Supervisor: Ing. Kristýna Šmerková, Ph.D.
• Reader: Simona Rex, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Master programme / specializace:
Molecular Biology and Biotechnology / Animal Molecular Biology and Biotechnology