The antibacterial and antibiofilm potential of titanium dioxide nanomaterials

Almotasem Bellah Younis, MSc.

Doctoral thesis

Antibakteriální a antibiofilmový potenciál nanomateriálů oxidu titaničitého

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá studiem antimikrobiálních vlastností nanočástic na bázi oxidu titaničitého (TiO₂ NPs) ve formě anatasu, rutilu i brookitu, a to jak syntetizovaných v laboratoři, tak komerčně získaných. Studie se zaměřuje na působení TiO₂ NPs proti biofilmu i planktonní formě grampozitivních a gramnegativních bakteriálních kmenů. Fyzikální a chemické vlastnosti použitých TiO₂ NPs byly charakterizovány pomocí pokročilého zobrazování, krystalografie a spektroskopie. Stanovené rozdíly ve velikosti a morfologii NPs byly klíčové pro pochopení jejich biologických interakcí s bakteriemi. Také modifikace povrchu TiO₂ NPs syntetizovaných v laboratoři pomocí geraniolu (GER) zvýšila antimikrobiální aktivitu napříč různými strukturami NPs, včetně nespecifického účinku proti multirezistentním bakteriálním kmenům. Tato práce zkoumá i vliv zdroje, typu a koncentrace nanočástic na jejich antibakteriální účinek. Výsledky potvrzují proměnlivou antimikrobiální aktivitu TiO₂ NPs (s modifikací i bez modifikace) proti bakteriím meticilin-rezistentní Staphylococcus aureus (MRSA) a Escherichia coli, a prokazují také, že i TiO₂ NPs bez povrchové modifikace inhibují biofilm grampozitivních a gramnegativních bakterií. I přesto, že předběžná stanovení naznačují nízkou toxicitu modifikovaných NPs, což je nezbytné pro jejich budoucí bezpečné použití, studie dále doporučuje rozsáhlá hodnocení dlouhodobé toxicity. Zjištění, získaná během této studie, zdůrazňují potřebu robustních metod hodnocení antibakteriální aktivity nad rámec metody počítaní kolonie tvořících jednotek (KTJ), a poukazují tak na nutnost zavedení multidisciplinárních strategií pro překonání stanovených limitací. Výzkum prezentovaný v této práci tedy nabízí vícerozměrný pohled na antimikrobiální potenciál TiO₂ NPs, který může pomoci při vývoji účinnějších a cílených antimikrobiálních léčebných postupů. Vyzývá také k následným genomickým studiím, které pomohou charakterizovat toxicitu nanočástic a případný vznik bakteriální rezistence, a dále k optimalizaci formulace nanočástic a k objasnění jejich biologických interakcí.

Abstract:

This thesis encompasses an extensive investigation into the antimicrobial properties of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) in the anatase, rutile, and brookite form, both laboratory-synthesized and commercially acquired, with a focus on their effectiveness against the biofilm and planktonic cells of Gram-positive and Gram-negative bacterial strains. The physical and chemical properties of these NPs were characterized using advanced imaging, crystallography, and FTIR spectroscopy, with an observation of significant discrepancies in size and morphology that are crucial for understanding NPs biological interactions. Furthermore, geraniol (GER) modification of laboratory-synthesized NPs highlighted enhanced antimicrobial activity, across different nanoparticle structures, suggesting a non-specific effect against various multidrug resistant bacterial strains. This study explored the impact of nanoparticle source, type, and concentration on their antibacterial effectiveness. Results indicated variable antimicrobial activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Escherichia coli by bare and modified TiO₂ NPs and demonstrated that even unmodified TiO₂ can inhibit the biofilm of Gram-positive and Gram-negative bacteria. While preliminary assessments suggest low toxicity of the modified NPs, indicating their safe application prospects, the study advocates for extensive long-term toxicity evaluations. These findings underscore the need for robust evaluation methods beyond colony-forming unit (CFU) counts and indicates the need for the adoption of multidisciplinary strategies to address the complexities and limitations revealed. In conclusion, this research offers a multi-dimensional perspective on the antimicrobial potential of TiO₂ NPs and lays a foundation for the development of more effective and targeted antimicrobial treatments. It also calls for future genomic studies to characterize the toxicity and potential bacterial resistance pathways and for optimizing NP formulations and elucidation of their biological interactions.

Keywords

antimikrobiální, biofilm, geraniol

Keywords

Antimicrobial, Geraniol, Biofilm

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 1. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 11. 4. 2024
• Supervisor: Ing. Kristýna Šmerková, Ph.D.
• Reader: Libor Kalhotka, Ph.D., doc. Ing., Miroslav Pohanka, prof. RNDr., Lucy Vojtová, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme:
Biological Chemistry