Antibakteriálna účinnosť tenkých vrstiev s iónmi a nanočasticami striebra používanými v lekárskych aplikáciách

Abstract

Diplomová práca je zameraná na zistenie antibakteriálnej aktivity strieborných iónov a nanočastíc v tenkých vrstvách. Tenké vrstvy diamantu podobnému uhlíku (DLC) dopovaného rôznymi koncentráciami striebra boli pripravené pomocou metódy pulznej laserovej depozície (PLD) na Fyzikálnom ústave AV ČR. Povrch tenkých vrstiev bol oskenovaný pomocou mikroskopie atomárnych síl na Fakulte biomedicínskeho inženýrství ČVUT. Následne boli získané bakteriálne kultúry Micrococcus luteus a Bacillus subtilis, ktoré sa pripravili správnymi mikrobiologickými metódami na experiment. Vykonali sa testy na interakciu tenkých vrstiev a pripravených bakteriálnych suspenzií. Po absolvovaní interakčných testov sa tenké vrstvy opätovne oskenovali na AFM mikroskope. U vybraných vzoriek sa povrch zanalyzoval pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM). Chemické zloženie vrstiev bolo charakterizované pomocou röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie a vlnovo-disperznej spektroskopie. Antibakteriálna účinnosť bola hodnotená kvantitatívnou dilučnou metódou proti baktériám Micrococcus luteus a modifikovanou difúznou metódou proti Bacillus subtilis. Výsledky ukázali, že prítomnosť striebra výrazne ovplyvňuje topografiu povrchu vyššie koncentrácie Ag viedli k tvorbe rozsiahlejších aglomerátov striebra a zvýšenej drsnosti povrchu. Kvantifikácia zloženia potvrdila atómové koncentrácie Ag v rozmedzí od 3 at.% až po 100 at.%. Antibakteriálne testy preukázali najvyššiu účinnosť pri 100 at.% Ag, avšak už pri 7,6 at.% bola dosiahnutá viditeľná redukcia rastu bakteriálnych kultúr. Napriek tomu, že ide o pilotnú štúdiu s experimentálnymi limitáciami, akými boli neoptimálna adhézia bakteriálnej suspenzie či obmedzený počet testovaných kmeňov, práca preukázala potenciál Ag-DLC povlakov ako efektívnych antimikrobiálnych povlakov pre lekárske aplikácie. Získané výsledky vytvárajú základ pre ďalší, rozsiahlejší výskum je potrebné zvýšiť počet experimentálnych vzoriek a rozšíriť testovanie najmä na gramnegatívne baktérie.

The Masters thesis focuses on the antibacterial activity of silver ions and nanoparticles in thin films. The thin films of diamond-like carbon (DLC) doped with different concentrations of silver were prepared by the pulsed laser deposition (PLD) method at the Institute of Physics of the CAS. The surface of the thin films was scanned by atomic force microscopy (AFM) at the Faculty of Biomedical Engineering, CTU. Bacterial cultures of Micrococcus luteus and Bacillus subtilis were grown and inoculated using standard microbiological methods. Tests on the interaction between thin films and bacterial suspensions were carried out. After passing the interaction tests, the thin layers were re-scanned on an AFM microscope. Selected samples were further examined by scanning electron microscope (SEM). The chemical composition of the layers was characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and wavelength-dispersive X-ray spectroscopy (WDS). Antibacterial efficacy was evaluated by quantitative dilution method against Micrococcus luteus and modified diffusion method against Bacillus subtilis. The results showed that the presence of silver significantly affected the surface topography - higher Ag concentrations led to the formation of more extensive silver agglomerates and increased surface roughness. Compositional quantification confirmed Ag atomic concentrations ranging from 3 at.% to 100 at.%. Antibacterial tests showed the highest efficacy at 100 at.% Ag, however, a visible reduction in bacterial growth was achieved as low as 7.6 at.%. Despite being a pilot study with experimental limitations such as suboptimal bacterial adhesion and limited number of tested strains, the work demonstrates the potential of Ag-DLC coatings as effective antimicrobial surfaces for medical applications. The findings provide a solid basis for further research, including expansion to more samples and testing against Gram-negative bacteria.