A new strategy to achieve high antimicrobial activity: green synthesised silver nanoparticle formulations with Galium aparine and Helichrysum arenarium

Abstract

Silver nanoparticles (AgNPs), which have recently gained attention due to their antimicrobial activity, can also be produced by green synthesis. The aims of this study were to (i) characterise green synthesized AgNPs using microwave-assisted aqueous extracts of Galium aparine (G-AgNPs) and Helichrysum arenarium (H-AgNPs) and (ii) investigate the combined antimicrobial effects of the G- and H-AgNPs in different ratios. Nanoparticle formation and reactions were determined with UV-Vis spectroscopy. The G-AgNPs were 52.0±10.9 nm in size, with a 0.285±0.034 polydispersity index (PDI), and a -17.9±0.9 mV zeta potential. For H-AgNPs these characteristics were 23.9±1.0 nm, 0.280±0.032, and -21.3±2.7 mV, respectively. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) confirmed that the particles were monodisperse and spherical. The Fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR) results showed the presence of reducing agents that stabilised the AgNPs. Three different nanoformulations (NF-1, NF-2, and NF-3) were prepared by combining these two synthesised nanoparticles in different ratios and their antimicrobial activity was tested against E. coli, S. aureus, C. albicans, and A. flavus. Our study is the first to show that combining AgNPs from two different biological sources can produce effective nanoformulations with improved antibacterial activity against E. coli and S. aureus. These nanoformulations showed lower minimum inhibitory concentrations (31.25 µg/mL against E. coli with all NFs; 62.5 µg/mL for NF-1 and 125 µg/mL for NF-2/3 against S. aureus) than G-AgNPs (62.5 µg/mL for E. coli) or H-AgNPs (125 µg/mL for S. aureus) alone. Their high combined inhibitory effect against E. coli (NF-1-3) was synergistic and against S. aureus (NF-2 and NF-3) potentially additive. Considering such promising results, we believe our study provides some direction for new research and strategies in antimicrobial therapeutics.

Srebrne se nanočestice (AgNP), koje su već neko vrijeme u središtu pažnje zbog svojih antimikrobnih svojstava, mogu proizvoditi i zelenom sintezom. Cilj je ovog istraživanja bio (i) opisati (karakterizirati) zelenu sintezu različitih AgNP-a pomoću vodenih ekstrakata čekinjaste broćike (Galium aparine) (G-AgNPs) i pješčarskoga smilja (Helichrysum arenarium) (H-AgNPs), dobivenih metodom mikrovalne ekstrakcije, te (ii) utvrditi antimikrobno djelovanje kombinacije tih dvaju nanosustava u različitim omjerima. Oblikovanje nanočestica i kemijske reakcije utvrđene su pomoću UV-Vis spektroskopije. Veličina G-AgNP-a bila je 52,0±10,9 nm, njihov polidisperzivni indeks (PDI) 0,285±0,034, a zeta potencijal -17,9±0,9 mV. Osobine H-AgNP-a bile su sljedeće: veličina 23,9±1,0 nm, PDI 0,280±0,032, a zeta potencijal -21,3±2,7 mV. Mikroskopijom atomskih sila (engl. atomic force microscopy, krat. AFM) i pretražnom elektronskom mikroskopijom (engl. scanning electron microscopy, krat. SEM) potvrđeno je da su čestice monodisperzivne i sferične. Rezultati infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (engl. Fourier transform-infrared spectroscopy, krat. FT-IR) potvrdili su prisutnost reduktivnih agenasa koji su stabilizirali srebrne nanočestice. Zatim su pripremljene tri formulacije nanočestica (NF-1, NF-2 i NF-3) kombinacijom sintetiziranih nanočestica u različitim omjerima, a njihova antimikrobna djelotvornost testirana je na mikroorganizmima E. coli, S. aureus, C. albicans i A. flavus. Naše je istraživanje prvo koje dokazuje da kombinacija srebrnih nanočestica dobivenih iz dvaju bioloških izvora može biti djelotvorna te da ima poboljšano antibakterijsko djelovanje protiv E. coli i S. aureus u odnosu na zasebne nanosustave. Minimalna inhibicijska koncentracija kombinacija iznosila je 31,25 µg/mL za E. coli u svim nanoformulacijama te 62,5 µg/mL za S. aureus s NF-1, odnosno 125 µg/mL s NF-2 i NF-3, a minimalne inhibicijske koncentracije G-AgNP-a odnosno H-AgNP-a zasebno su iznosile 62,5 µg/mL za E. coli (G-AgNP), odnosno 125 µg/mL za S. aureus (H-AgNP). To kombinirano antibakterijsko djelovanje protiv E. coli bilo je sinergijsko, a protiv S. aureus naizgled aditivno. S obzirom na ovako obećavajuće rezultate, smatramo da naše istraživanje daje smjer za razvoj novih strategija u antibakterijskom liječenju.