Green Synthesis of Chitosan-Coated Silver Nanoparticles (Ch-AgNPs): Harnessing Nature for Sustainable and Safe Nanomaterial Production

Year 2024, Volume: 7 Issue: 3, 1319 - 1341, 25.06.2024

Aslı Kara , Burçin Özçelik

https://doi.org/10.47495/okufbed.1456350

Cited By: 1

Abstract

The production of silver nanoparticles (AgNPs) using green synthesis methods promotes the use of environmentally friendly materials and facilitates a more sustainable production process by reducing environmental impact. In addition, combining the metal nanoparticles with biopolymers are getting important to enhance the safety profiles of formulations to determine the biological activities. With this concept, AgNPs were synthesized by green synthesis method from Betula spp. tree branches as reported previously by us and in current study, synthesized AgNPs were coated by one of biopolymer. Herein, Chitosan was used as capping and stabilizing agent. Characterization of the biosynthesized silver nanoparticles (AgNPs) and Chitosan coated silver nanoparticles (Ch-AgNPs) were evaluated with various techniques. Through this analysis, it was elucidated that the phenolic compounds present in Betula extract and Chitosan played dual roles as both reducing and capping agents, facilitating the formation of Ch-AgNPs. Particular size analysis by dynamic light scattering (DLS) and scanning electron microscopy (SEM) indicated that the Ch-AgNPs ranged from 49 to 118 nm in size, with a narrow size distribution. X-Ray Differentiation (XRD) patterns confirmed the high crystallinity of the resulting particles. Fourier transform infrared (FTIR) analysis further supported these findings, revealing the involvement of phenolic compound extracts in both the formation and stabilization of AgNPs. Additionally, FTIR confirmed the surface modification of AgNPs by chitosan. The efficiency of surface modified Ch-AgNPs was compared with uncoated AgNPs for their antimicrobial activity, antiproliferative efficiency and biocompatibility. Cell culture studies demonstrated that AgNPs were less toxic to L929 cells while maintaining effective cytotoxicity against HT-29 cells. Moreover, surface modification with chitosan enhanced the toxicity of AgNPs against HT-29 cells Furthermore, the first synthesized and evaluated Ch-AgNPs with this study from Betula extract, exhibited potent antimicrobial activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Our findings indicate that novel synthesized Ch-AgNPs formula may present a biocompatible and safety approach for further anticancer and antimicrobial studies.

Keywords

Chitosan coated silver nanoparticles, Green synthesis, Antiproliferative efficiency, Antimicrobial activity, Silver nanoparticles

Kitosan Kaplı Gümüş Nanopartiküllerin (Ch-AgNP'ler) Yeşil Sentezi: Sürdürülebilir ve Güvenli Nanomateryal Üretimi için Doğadan Yararlanım

Abstract

Yeşil sentez yöntemleri kullanılarak gümüş nanopartiküllerin (AgNP'ler) üretimi, çevre dostu malzemelerin kullanımını teşvik etmekte ve çevresel etkiyi azaltarak daha sürdürülebilir bir üretim sürecini kolaylaştırmaktadır. Ayrıca metal nanopartiküllerin biyopolimerlerle birleştirilmesi, biyolojik aktivitelerin belirlenmesine yönelik formülasyonların güvenlik profillerinin arttırılması açısından önem kazanmaktadır. Bu konseptle, AgNP'ler Betula spp.'den yeşil sentez yöntemiyle sentezlendi. Daha önce tarafımızdan bildirildiği gibi ağaç dalları ve bu çalışmada sentezlenen AgNP'ler biyopolimerlerden biri ile kaplanmıştır. Burada kapatma ve stabilizasyon ajanı olarak Kitosan kullanıldı. Biyosentezlenen gümüş nanopartiküllerin (AgNP'ler) ve Kitosan kaplı gümüş nanopartiküllerin (Ch-AgNP'ler) karakterizasyonu çeşitli tekniklerle değerlendirildi. Bu analiz sayesinde, Betula ekstraktı ve Kitosan'da bulunan fenolik bileşiklerin, Ch-AgNP'lerin oluşumunu kolaylaştırarak hem indirgeyici hem de kapatıcı ajanlar olarak ikili rol oynadığı açıklandı. Dinamik ışık saçılımı (DLS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılan özel boyut analizi, Ch-AgNP'lerin boyutlarının 49-118 nm arasında değiştiğini ve dar bir boyut dağılımına sahip olduğunu gösterdi. X-Işını Farklılaşması (XRD) desenleri, elde edilen parçacıkların yüksek kristalliğini doğruladı. Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) analizi bu bulguları daha da destekledi ve fenolik bileşik ekstraktlarının AgNP'lerin hem oluşumunda hem de stabilizasyonunda rol oynadığını ortaya çıkardı. Ek olarak FTIR, AgNP'lerin kitosan tarafından yüzey modifikasyonunu doğruladı. Yüzeyi değiştirilmiş Ch-AgNP'lerin etkinliği, antimikrobiyal aktiviteleri, antiproliferatif etkinlikleri ve biyouyumlulukları açısından kaplanmamış AgNP'lerle karşılaştırıldı. Hücre kültürü çalışmaları, AgNP'lerin L929 hücreleri için daha az toksik olduğunu ve HT-29 hücrelerine karşı etkili sitotoksisiteyi koruduğunu göstermiştir. Ayrıca, kitosan ile yüzey modifikasyonu AgNP'lerin HT-29 hücrelerine karşı toksisitesini artırmıştır. Ayrıca, bu çalışmayla Betula ekstraktından sentezlenen ve değerlendirilen ilk Ch-AgNP'ler, hem Gram-pozitif hem de Gram-negatif bakterilere karşı güçlü antimikrobiyal aktivite sergiledi. Bulgularımız, yeni sentezlenen Ch-AgNP formülünün ilerideki antikanser ve antimikrobiyal çalışmalar için biyouyumlu ve güvenli bir yaklaşım sunabileceğini göstermektedir.

Keywords

Kitosan kaplı gümüş nanopartiküller, Yeşil sentez, Antiproliferatif etkinlik, Antimikrobiyal etki, gümüş nanopartiküller

References

• Abedin MR., Umapathi S., Mahendrakar H., Laemthong T., Coleman H., Muchangi D., Santra S., Nath M., Barua S. Polymer coated gold-ferric oxide superparamagnetic nanoparticles for theranostic applications. Journal of Nanobiotechnology 2018; 16(1): 80.
• Akter M., Sikde MT., Rahman MM., Ullah AKMA., Hossain KFB., Banik S., Hosokawa T., Saito T., Kurasaki M. A systematic review on silver nanoparticles-induced cytotoxicity: Physicochemical properties and perspectives. Journal of Advanced Research 2017; 9: 1-16.
• Almeida EDP., Santos Silva LA., de Araujo GRS., Montalvão MM., Matos SS., da Cunha Gonsalves JKM., de Souza Nunes R., de Meneses CT., Oliveira Araujo RG., Sarmento VHV., Correa CB., Júnior JJ., Lira AAM. Chitosan-functionalized nanostructured lipid carriers containing chloroaluminum phthalocyanine for photodynamic therapy of skin cancer. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2022; 179: 221-231.
• Alomrani A., Badran M., Harisa GI. The use of chitosan-coated flexible liposomes as a remarkable carrier to enhance the antitumor. Saudi Pharmaceutical Journal 2019; 603-611.
• Asif M., Yasmin R., Asif R., Ambreen A., Mustafa M., Umbreen S. Green synthesis of silver nanoparticles (AgNPs), structural characterization, and their antibacterial potential. Dose-response 2022; 20(1).