Producción Verde Nanopartículas Cobre: Potenciales Catalítico, Antibacteriano, Citotóxico y Antioxidante

Introducción

Nanopartículas (NPs) tienen aplicaciones interesantes campo industrial: tecnología espacial, magnetismo, optoelectrónica, electrónica, cosméticos, catalíticas, farmacéuticas, biomédicas, ambientales, energéticas [1, 2]. Propiedades extraordinarias NPs: ductilidad, alta resistencia rendimiento, dureza, flexibilidad, rigidez, alta relación superficie-volumen, efecto túnel macrocuántico, tamaño cuántico atribuibles comparadas propiedades materiales masa misma composición química [3]. De hecho, propiedades NPs pueden diferir considerablemente observadas partículas finas: mayor área superficial específica, propiedades ópticas específicas, puntos fusión menores, magnetizaciones específicas, resistencia mecánica, numerosas aplicaciones industriales [4]. Nanopartículas cobre (CuNPs) gran interés por fácil disponibilidad, bajo costo, propiedades similares metales nobles [5-9]. CuNPs también usables sensores, sistemas transferencia calor [10-12], electrónica (pila combustible, celda solar), catalizadores muchas reacciones, agentes bactericidas y antimicrobianos recubrir equipos hospitalarios [13-19].

Muchos métodos físicos/químicos: ablación láser [20], proceso asistido microondas, sol-gel [21], co-precipitación [22], descarga hilo pulsado [23], deposición vapor vacío [24], irradiación alta energía [25], litografía [26], molienda mecánica [27], reducción fotoquímica, electroquímica [28-32], síntesis electrospray [33], reacción hidrotérmica [34], microemulsión [35], reducción química usados sintetizar nanopartículas. Aunque métodos físicos/químicos producen nanopartículas bien definidas y puras, estos métodos no son costo-efectivos ni eco-amigables por uso químicos tóxicos. Uno criterios más importantes nanotecnología es desarrollo procedimientos química verde eco-amigables, no tóxicos, limpios [36]. Por tanto, biosíntesis nanopartículas contiene método basado química verde empleando diferentes entidades biológicas: plantas [37, 38], actinomicetos [39, 40], hongos [41-44], bacterias [45-49], levaduras [50-52], virus [53, 54]. Entidades biológicas ofrecen enfoque no tóxico, limpio, eco-amigable sintetizar NPs con amplia gama tamaño, propiedades fisicoquímicas, formas, composiciones [55].

Nanopartículas cobre sintetizadas y estabilizadas literatura usando diferentes plantas: Euphorbia esula [56], Punica granatum [57], Ocimum sanctum [58], Ginkgo biloba [59], Calotropis procera [60], Lawsonia inermis [61], Citrus medicalinn [62], Camellia sinensis [63], Datura innoxia [64], Syzygium aromaticum [65], Sesamum indicum [66], Citrus limon, Curcuma curcumina [67], Gloriosa superba L. [68], Ficus carica [69], Aegle marmelos [70], Caesalpinia pulcherrima [71], Cassia fistula [72], Leucas aspera, Leucas chinensis [73], Delonix elata [74], Aloe barbadensis Miller [75], Thymus vulgaris [76], Phyllanthus emblica [77], Magnolia kobus [78], Eucalyptus [79], Artabotrys odoratissimus [80], Capparis zeylanica [81], Vitis vinifera [82], Hibiscus rosa-sinensis [83], Zingiber officinale [84], Datura metel [85], Zea mays [86], Urtica, Matricaria chamomilla, Glycyrrhiza glabra, Schisandra chinensis, Inula helenium, Cinnamomum [87], Dodonaea viscosa [88], Cassia auriculata [89], Azadirachta indica, Lantana camara, Tridax procumbens [90], Allium sativum [91], Asparagus adscendens, Bacopa monnieri, Ocimum basilicum, Withania somnifera [92], Smithia sensitiva, Colocasia esculenta [93], Nerium oleander [94], Psidium guajava [95]; diferentes algas/hongos: Phaeophyceae [96], Stereum hirsutum [97], Hypocrea lixii [98]; microorganismos: Pseudomonas fluorescens [99], Enterococcus faecalis [100] cultivos.

Biosíntesis Nanopartículas Cobre

Partes Planta Usadas Extracto

Diferentes partes plantas usadas preparación extractos: hojas, semillas, cortezas, frutos, cáscara, estopa, raíces, goma. Hojas y raíces usadas dos formas. Primero, hojas y raíces frescas usadas preparación extractos; segundo, hojas y raíces secas polvo usadas.

Procedimiento Síntesis CuNPs

Para síntesis CuNPs, extracto planta preparado usando diferentes partes diferentes plantas. Para síntesis extracto parte planta interés, hojas recolectadas lavadas agua grifo luego agua destilada eliminar polvo. Hojas lavadas usadas dos formas. Primero, hojas secadas sol 1–2 h eliminar humedad residual. Pesos conocidos hojas secadas sol divididas partes pequeñas remojadas agua desionizada o solución etanol. Mezcla agitada 24 h temperatura ambiente agitador magnético y filtrada uso posterior. Segundo, hojas secadas sol 4–7 días u horno 50 °C 1 día pulverizadas licuadora doméstica. Peso conocido polvo planta mezclado agua o solución etanol, agitado y filtrado.

Para síntesis CuNPs, solución acuosa sales precursoras: sulfato cobre, cloruro cobre, acetato cobre, nitrato cobre con diferentes concentraciones mezclada extracto planta. Solución acuosa hidróxido sodio también preparada añadida mezcla reacción controlar pH medio. Mezcla reacción agitada fuertemente diferentes intervalos tiempo agitador eléctrico y calentada horno diferentes intervalos tiempo y temperaturas. Formación CuNPs también puede ocurrir temperatura ambiente confirmada cambio color mezcla reacción. Final, nanopartículas centrifugadas y secadas diferentes temperaturas. Optimizaciones reacción cambian pH mezcla, concentración sal precursora, tiempo calentamiento, temperatura mezcla reacción. Literatura, diferentes plantas usadas formación nanopartículas cobre usando diferentes sales precursoras con diferentes condiciones reacción como muestra Tabla 1. De tabla, se ve diferentes condiciones reacción afectan forma y tamaño nanopartículas cobre.

Efecto Parámetros Reacción Propiedades NPs

Concentración extracto planta papel principal reduciendo y estabilizando CuNPs. Reportado aumentando concentración extracto planta, número partículas aumentó [88]. Aumentando concentración extracto, concentración fitoquímicos aumentó y reducción sal cobre también aumentó. Debido reducción rápida sal metal, tamaño nanopartículas también disminuyó [101].

Tamaño y estructura CuNPs altamente afectados sal cobre. Morfología nanopartículas cambia cuando sal (cloruro cobre, acetato cobre, nitrato cobre, sulfato cobre) usada presencia hidróxido sodio. Reportado forma triangular y tetraedro caso cloruro cobre, forma varilla caso acetato cobre, esférica caso sulfato cobre [102]. Aumentando concentración sal precursora, tamaño CuNPs también aumentó.

Síntesis CuNPs da mejores resultados variando pH medio reacción rango preferido. Tamaño nanopartículas controlado cambiando valor pH mezcla reacción. pH alto, nanopartículas menor tamaño obtenidas comparado bajo pH. Diferencia atribuible diferencia velocidad reducción sales metal extracto planta. Relación inversa valor pH y tamaño nanopartícula mostró aumento pH permite obtener nanopartículas esféricas pequeño tamaño mientras disminución pH da grande (forma varilla, triangular). Efecto espectros absorción diferentes valores pH (4, 6, 8, 10, 12) representado Fig. 1 [36]. Reportado adición extracto planta CuCl₂ no llevó formación CuNPs sino, en cambio, CuNPs obtenidos cambiando pH mezcla reacción medio básico. Mismo comportamiento observado Wu y Chen, concluyeron pH papel importante síntesis CuNPs [103].

Partes planta usadas preparación extracto planta

Mecanismo Fitosíntesis Nanopartículas Cobre

Cribado Fitoquímico: Anual Cualitativo

Análisis cribado fitoquímico es análisis químico llevado detección fitoquímicos diferentes plantas. Extracto planta fresco con químicos o reactivos químicos usado este análisis [77] como muestra Tabla 2.

Fitoquímicos Reducción Metal y Estabilización NPs

Síntesis verde CuNPs uso fitoquímicos ofrece control más flexible forma y tamaño NPs (cambiando temperatura reacción, concentración extracto planta, concentración sal metal, tiempo reacción, pH mezcla reacción). Cambio color medio reacción indica reducción ion metal y formación NPs. Reducción verde sales cobre comienza instantáneamente, formación nanopartículas cobre indicada cambio color mezcla reacción. Fitoquímicos papel principal primero reduciendo iones metal y luego estabilizando núcleos metal forma nanopartículas como muestra Fig. 2. Interacción fitoquímicos iones metal y concentración estos fitoquímicos controlan forma y tamaño CuNPs.

Protocolo reducir iones metal y luego estabilizar núcleos metal

Flavonoides contienen compuestos polifenólicos: quercetina, catequinas, flavanonas, isoflavonas, santina, penduletina, alizarina, pinocembrina, antocianinas, flavonas, taninos, saponinas, presentes diferentes plantas: Ginkgo biloba [59], Citrus medicalinn [62], Phyllanthus emblica [77], Hibiscus rosa-sinensis [83], Dodonaea viscosa [93]. Estos compuestos papel principal reduciendo y quelando metal. Varios grupos funcionales presentes flavonoides responsables reducción ion cobre. Se asume átomo hidrógeno reactivo flavonoides puede liberarse durante alteraciones tautoméricas forma enol a forma ceto que puede reducir iones cobre formar núcleos cobre o CuNPs. Por ejemplo, asumido caso extractos planta Ginkgo biloba, transformación quercetina (flavonoide) papel principal reducción iones metal cobre en núcleos cobre o CuNPs debido cambio forma enol a ceto como muestra Fig. 3.

Reducción iones cobre por quercetina

Durante proceso síntesis CuNPs, iones metal estados oxidación monovalente o divalente convertidos núcleos cobre cero-oxidación y estos núcleos fusionados obtener diferentes formas. Durante nucleación, núcleos agregan formar diferentes formas: hilos, esferas, cubos, varillas, triángulos, pentágonos, hexágonos. Algunos flavonoides capacidad quelar CuNPs con electrones π y grupos carbonilo. Quercetina y santina flavonoides fuerte actividad quelante debido presencia dos grupos funcionales involucrando hidroxilos y carbonilos. Estos grupos quelan nanopartículas cobre siguiendo mecanismo previo y también explican capacidad adsorción santina (flavonoide) superficie CuNPs como muestra Fig. 4.

Estabilización nanopartículas cobre por santina

Asumido moléculas proteínas (superóxido dismutasa, catalasa, glutatión) diferentes plantas: Hibiscus rosa-sinensis [83], Camellia sinensis [104] muestran alta actividad reductora formación nanopartículas desde iones metal pero actividad quelante no excesiva. Azúcares: monosacáridos (glucosa), disacáridos (maltosa, lactosa), polisacáridos en Camellia sinensis [63] pueden actuar agentes reductores o antioxidantes y tienen serie transformaciones tautoméricas cetona a aldehído.

Otros fitoquímicos: polifenoles (ácido elágico, ácido gálico) en Hibiscus rosa-sinensis [40], fenilpropanoides (fenilalanina, tirosina) en Aegle marmelos [70], terpenoides en Ocimum sanctum y Asparagus adscendens [58, 92], proteasas cisteína en Calotropis procera [60], curcuminaanilinaazometina en Curcuma curcumina [67], ácido ascórbico en Citrus medicalinn [62], eugenol en Syzygium aromaticum [65], alcaloides en Aegle marmelos [70] mismo papel reduciendo iones cobre y estabilizando nanopartículas cobre. Carbohidratos, antraquinona, quinona, antocianosido en Phyllanthus emblica [77]; ligninas, xantonas en Hibiscus rosa-sinensis [83]; glicósido cardíaco, triterpenoide, glicósido carotenoide, glicósido antraquinona en Colocasia esculenta [93] también fitoquímicos presentes extractos diferentes plantas actuando agentes reductores y estabilizantes. Ejemplos ciertos fitoquímicos con estructuras mostrados Fig. 5.

Fitoquímicos con sus estructuras

Técnicas Caracterización

Para caracterización nanopartículas sintetizadas, diferentes técnicas usadas: espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis), microscopía electrónica transmisión (TEM), dispersión rayos X ángulo pequeño (SAXS), espectroscopía infrarroja transformada Fourier (FTIR), espectroscopía fluorescencia rayos X (XRF), difracción rayos X (XRD), espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS), microscopía electrónica barrido (SEM), microscopía electrónica barrido emisión campo (FESEM), análisis tamaño partícula (PSA), Malvern Zetasizer (MZS), espectroscopía rayos X dispersiva energía (EDX/EDS), análisis seguimiento nanopartículas (NTA), reflectometría rayos X (XRR), análisis Brunauer-Emmett-Teller (BET), difracción electrónica área seleccionada (SAED), microscopía fuerza atómica (AFM) (Tabla 3).

Aplicaciones Nanopartículas Cobre

Debido destacadas propiedades químicas y físicas, gran relación superficie-volumen, superficie constantemente renovable, bajo costo, preparación no tóxica, CuNPs gran interés aplicaciones diferentes campos. Nanopartículas cobre muestran actividad catalítica, antibacteriana, citotoxicidad o anticancerígena, antioxidante, antifúngica diferentes aplicaciones. Actividad catalítica: CuNPs usadas cicloadición Huisgen [3+2] alquinos y aziduos muchos disolventes condiciones sin ligando [59], 1-metil-3-fenoxibenceno, 3,3-oxibis(metilbenceno) [94], síntesis 1-sustituido 1H-1,2,3,4-tetrazol [76], adsorción dióxido nitrógeno, adsorción dióxido azufre [66]. Mayoría metales transición catalizados, reacciones acoplamiento Ullmann ligando, como fosfinas, reportadas literatura y mayor ligando caros, difíciles preparar, sensibles humedad. Este trabajo, CuNPs sintetizadas usadas acoplamiento Ullmann sin ligando éter difenilo. Diferentes tintes y compuestos orgánicos tóxicos y pesticidas presentes residuos industriales muy dañinos ambiente y organismos vivos. CuNPs usadas degradación diferentes tintes: azul metileno [73], degradación atrazina [86], reducción 4-nitrofenol [76].

Entre agentes antimicrobianos, compuestos cobre comúnmente usados agricultura herbicidas [105], algicidas [106], fungicidas [107], pesticidas y ganadería desinfectante [108] (Tabla 4). Nanopartículas cobre biogénicas mostraron potente actividad antibacteriana contra patógenos gram-positivos y gram-negativos: Pseudomonas aeruginosa (MTCC 424), Micrococcus luteus (MTCC 1809), Enterobacter aerogenes (MTCC 2832) [57], Salmonella enterica (MTCC 1253), Rhizoctonia solani, Xanthomonas axonopodis pv. citri, Xanthomonas axonopodis pv. punicea [58], Escherichia coli (ATCC 14948) [62], Staphylococcus aureus (ATCC 25923), Bacillus subtilis (ATCC 6633), Pediococcus acidilactici [69], Klebsiella pneumoniae (MTCC 4030). Actividad antifúngica: CuNPs usadas contra Alternaria carthami, Colletotrichum gloeosporioides, Colletotrichum lindemuthianum, Drechslera sorghicola, Fusarium oxysporum f.sp. carthami, Rhizopus stolonifer, Fusarium oxysporum f.sp. ciceris, Macrophomina phaseolina, Fusarium oxysporum f.sp. udum, Rhizoctonia bataticola [58], Candida albicans, Curvularia, Aspergillus niger, Trichophyton simii [67]. Citotoxicidad: CuNPs usadas estudio líneas celulares HeLa, A549, MCF7, MOLT4, BHK21 (tumores cáncer) [60, 104].

Mecanismo Hipotético Actividad Antimicrobiana

Observado CuNPs excelente actividad antimicrobiana y solo reportes limitados presentaron mecanismo actividad antibacteriana nanopartículas cobre literatura, pero mecanismos hipotéticos. Observado bacterias y enzimas/proteínas destruidas debido interacción CuNPs con grupo –SH (sulfhidrilo) [109, 110]. También reportado estructura helicoidal moléculas ADN perturbada interacción CuNPs [111]. Interacción CuNPs membrana celular bacterias disminuyó potencial electroquímico transmembrana, y debido disminución potencial transmembrana, afectó integridad membrana [112]. Asumido NPs metal liberan respectivos iones metal. Nanopartículas cobre e iones cobre acumulan superficie celular bacterias y forman hoyos membrana, causando fuga componentes celulares desde célula y dentro célula, causando estrés oxidativo lleva muerte celular [112-114]. Mecanismo hipotético actividad antibacteriana representando posibilidades mostrado Fig. 6.

Mecanismo actividad antibacteriana nanopartículas cobre

Actividad Catalítica Reducción 4-Nitrofenol

4-Nitrofenol (4-NP) usualmente encontrado aguas residuales agrícolas y productos industriales es peligroso y no eco-amigable. Hidrogenación o reducción 4-NP, convertido 4-aminofenol (4-AP), ocurre presencia CuNPs. CuNPs pueden catalizar reacción superar barrera cinética asistiendo transferencia electrónica desde iones dador borohidruro a aceptor 4-NP.

Actividad catalítica CuNPs sintetizadas estudiada reducción 4-nitrofenol medio acuoso temperatura ambiente presencia solución acuosa borohidruro sodio [56]. Reducción 4-NP usando CuNPs proceso simple y eco-amigable. Eficiencia catalítica CuNPs reducción 4-NP examinada usando espectrómetro UV-vis. Observado pico absorción máximo 4-NP medio acuoso 317 nm y pico adsorción desplazó 403 nm añadiendo borohidruro sodio debido formación iones 4-nitrofenolato. Pico 403 nm permaneció inalterado incluso tras 2 días, indicó reducción 4-NP no puede ocurrir ausencia catalizador. Tras añadir CuNPs, pico absorción solución desplazó 300 nm y pico 403 nm desapareció completamente indicando reducción 4-NP a 4-AP sin subproducto. Mecanismo hipotético reducción 4-NP mostrado Fig. 7. Mecanismo: 4-NP y borohidruro sodio presentes solución forma iones. Protones ión borohidruido adsorben superficie nanopartículas cobre y BO₂ producido. Iones 4-nitrofenolato también adsorben superficie CuNPs. Debido adsorción ambos protones e ión 4-nitrofenolato, CuNPs superan barrera cinética reactantes y ión 4-nitrofenolato convertido ión 4-aminofenolato. Tras conversión, desorción ión 4-aminofenolato ocurre y convertido 4-aminofenol.

Mecanismo reducción 4-nitrofenol

Conclusiones

Este artículo revisó y resumió información reciente métodos biológicos usados síntesis nanopartículas cobre (CuNPs) usando diferentes plantas. Síntesis verde CuNPs propuesta valiosa alternativa métodos físicos/químicos con baja citotoxicidad, perspectivas económicas, eco-amigable, biocompatibilidad mejorada, factibilidad, alta actividad antioxidante y antimicrobiana CuNPs. Mecanismo biosíntesis NPs aún desconocido, más investigación enfocada mecanismo formación nanopartículas y comprensión papel fitoquímicos formación NPs. Esta revisión da datos plantas usadas síntesis nanopartículas cobre, procedimiento síntesis, parámetros reacción afectan propiedades CuNPs sintetizadas. Análisis cribado fitoquímico es análisis químico usado identificar fitoquímicos: detección carbohidratos, taninos, saponinas, flavonoides, alcaloides, antraquinonas, antocianosidos diferentes plantas. Mecanismo reducción ion cobre por quercetina y estabilización nanopartículas cobre por santina descrito este artículo. Técnicas caracterización usadas literatura nanopartículas cobre: UV-vis, FTIR, XRD, SEM, FESEM, TEM, PSA, MZS, EDX, NTA, SAXS, XRR, XRF, XPS, BET, SAED, AFM. Nanopartículas cobre muestran actividad catalítica, antibacteriana, citotoxicidad o anticancerígena, antioxidante, antifúngica diferentes aplicaciones. Mecanismos hipotéticos actividad antimicrobiana y reducción 4-nitrofenol con diagramas mostrados este artículo.

CuNPs con diferentes propiedades estructurales y efectos biológicos efectivos pueden fabricarse nuevos protocolos verdes próximos días. Control tamaño partícula y, a su vez, propiedades dependientes tamaño CuNPs abrirán nuevas puertas aplicaciones. Este estudio provee visión general síntesis CuNP usando extracto planta, extracto microbiano, biomoléculas naturales. Aunque todos estos protocolos verdes síntesis CuNP tienen propias ventajas y limitaciones, uso extracto planta como reductor más beneficioso comparado uso extracto microbiano por velocidad rápida producción nanopartículas con primer reductor verde.