The antibacterial synergetic effect of titanium dioxide and blue light

Abstract

Tietyillä sinisen valon aallonpituuksilla on todettu olevan voimakkaita antimikrobisia vaikutuksia. Toisin kuin ultraviolettisäteilyn, näkyvän sinisen valon desinfioiva vaikutus ei perustu nukleiinihappojen tuhoutumiseen vaan valokemiallisiin reaktioihin mikrobeissa esiintyvien valoherkisteiden kanssa. Näissä reaktioissa syntyy happiradikaaleja, joiden aikaan saama oksidatiivinen stressi aiheuttaa endogeenisten yhdisteiden osittaisen mineralisaation johtaen kyseisen solun tuhoutumiseen sisältä päin. Sininen valo on monikäyttöinen ja turvallinen tapa tuhota aktiiveja mikrobeja ja lupaava vaihtoehtoinen desinfiointimetodi aikana, jolloin liiallisesta antibioottien käytöstä halutaan lääketieteellisen yhteisön piirissä kiivaasti päästä eroon.

Tunnetusti myös titaanidioksidi molekyylistä mikrokiteytyneet nanopartikkelit tuottavat mikrobeille vahingollisia radikaaleja happiyhdisteitä. Nämä yhdisteet reagoivat kohtaamiensa orgaanisen materiaalin – mukaan lukien mikrobin sytoplasmisen kalvon komponenttien – kanssa, lopulta puhkaisten sen. Tämän ilmiön nimi on fotokatalyyttinen desinfiointi ja sen vaikutus aktivoidaan käyttämällä korkea energisiä fotoneita; toisin sanoen sopivia elektromagneettisen säteilyn aallonpituuksia, sekä riittävää intensiteettiä. Viimeaikaiset modifikaatiot titaanidioksidi kolloidiliuoksissa ovat mahdollistaneet mekanismin aktivoitumisen myös näkyvän valon aallonpituuksilla, mukaan lukien fotonidesinfioinnissa käytetyn sinisen valon hyödyntämillä aallonpituuksilla.

Tämä opinnäytetyö on laadittu osana LED TAILOR INNOVA7ION :n ja Turun Ammattikorkeakoulun yhteistä Capstone Innovation - CDIO projektia. Tämänkertainen projekti oli kolmas tahojen välinen yhteistyöprojekti, aikaisempina vuosina opiskelijat ovat mm. todenneet fotonidesinfioinnin tuhoavan vaikutuksen Escherichia kolibakteeriin. Tämänkertaisen projektin tarkoituksena on todentaa fotonidesinfioinnin ja fotokatalyyttisen desinfioinnin antibakteerisesta yhteisvaikutuksesta saatava hyöty. Tämä opinnäytetyö sisältää teorian edellä mainittujen desinfiointimetodin takana, testiprotokollan laadinnan, kuvauksen testauksen suorittamisesta, sekä aikaansaadut testitulokset niihin liittyvän syventävän osion kanssa.

Laadittu testiprotokolla havaittiin toimivaksi ja sen kokeellista pinta-simulaatio metodia seuraten näytteiden saantoa saatiin merkittävästi nostettua tavanomaisiin sivelynäytteisiin verrattuna. Testausten aikana sekä sinisen valon antibakteerinen vaikutus, että titaanidioksidin desinfiointia nopeuttava vaikutus demonstroitiin.

It has been demonstrated, that certain wavelengths of visible blue light have strong antimicrobial tendencies. Unlike with ultraviolet radiation the underlying mechanism is not based on dispersal of nucleic material, but instead on photochemical reactions via bacterial photosensitizers. These reactions create reactive oxygen species (ROS) which bring about the partial mineralization of endogenous substances concluding in the inactivation of the cell in question; once the required level of oxidative stress is met. Visible antimicrobial blue light (aBL) is multi-functional and safe method to eradicate all forms of vegetative microbes, a promising option of disinfection in the current times when the medical community is working hard to reduce the excess use of antibiotics.

Microcrystalline titanium dioxide nanoparticles are also known to generate oxygen radicals, which react with surrounding organic compounds including components of the microbial cytoplasmic membrane concluding in the eruption of the cell. This effect is called photocatalytic disinfection and it can be activated by high energy photons, i.e. light of specific wavelength and intensity. Recent modifications in colloidal solutions of titanium dioxide have enabled activation to take place also with light from the visible region of the electromagnetic spectrum, including antimicrobial blue light.

This thesis has been compiled as a part of cooperative CDIO Capstone Innovation -project between LED TAILOR INNOVA7ION and Turku University of Applied Sciences. The project in question was the third of its kind between these entities, previous projects have included observation and analysis of the bactericidal effect of antimicrobial blue light on model bacteria Escherichia coli. This time, objective of the project was to observe the combined bactericidal activity of photon and photocatalytic disinfection. This thesis consists of the theory behind these two methods of disinfection, detailed compilation of an operational test protocol, depiction of the experimentation and obtained inactivation data with attendant discussion.

The compiled test protocol was confirmed to generate applicable inactivation data. In addition, it greatly increased the yield with an experimental surface simulation method compared to conventional swap samples. Distinct bactericidal effect of visible blue light and the accelerating impact of titanium dioxide were both observed, thus supporting the hypothesis.