Photocatalytic antibacterial effects on TiO2-anatase upon UV-A and UV-A/VIS threshold irradiation

Abstract

Anatas ist ein bekanntes fotokatalytisches Material, in dem aktive Sauerstoffspezies unter UV-Einstrahlung generiert werden können und die angehafteten organischen Moleküle können über eine Reihe von Oxidierungsprozessen zerlegt werden. Die Hauptaufgabe dieser Studie war es, zu untersuchen, ob ausreichend fotokatalytische antibakterielle Aktivitäten auf Anatas vorhanden sind, wenn die Wellenlänge der Einstrahlung zur sichtbaren Lichtregion verschoben wird. Das Mikrowaagengerät mit Quarzkristallen (QCM-D; D-300, Q-Sense, Schweden) wurde in diesem Test verwendet und es besteht aus 3 Hauptteilen: einer Elektronikeinheit zur Überwachung der experimentellen Bedingungen, einer Durchflusszelle für das Laden der akustischen Sensoren und der Q-Sense Software zur Aufzeichnung der Frequenz (f) und der Dissipationssignale (D) der Quarzschwingung. In dieser Studie, nach der angeschlossenen Ablage von Speichelpellikel und der Streptococcus gordonii (S. Gordonii) auf der Sensoroberfläche von Anatas, wurden verschiedene Einstrahlungsprotokolle (UV-A > 320 nm; UV-A/VIS > 380 nm, > 390 nm; VIS 400 – 410 nm) verwendet, um eine Fotokatalyse anzuregen. Außerdem wurde der Durchfluss während der Einstrahlungsperiode zwischen einem höheren (2700 µl min-1) und einem regulären (110 µl min-1) Wert angepasst. Zwei Referenztests wurden entworfen, um den jeweiligen Einfluss der Einstrahlung und der Scherrate auf den antibakteriellen Effekt zu untersuchen. Zusätzlich wurden Referenztests auf Quarzkristalle mit Ti-Beschichtung unter UV-A-Einstrahlung und einem höheren Durchfluss (2700 µl min-1) durchgeführt, um zu bestimmen, ob antibakterielle Effekte nur auf die fotokatalytische Aktivität beschränkt sind, oder ob sie auch direkt während der UV-A auftreten. Nach der Bestrahlung wurden die Quarzkristalle abgebaut und die angehafteten Bakterien wurden mit dem bakteriellen Viabilitätsbausatz LIVE/DEAD® BacLightTM eingefärbt. Die fluoreszenten Färbeergebnisse auf den Oberflächen des Quarzkristalls wurden mikroskopisch analysiert und von einer Spiegel-Reflex-Kamera dokumentiert. Der Anteil der toten Bakterien auf den Oberflächen wurde für jede Gruppe durch Bildbearbeitung kalkuliert. Als Ergebnis dessen konnte man, unter UV-A (> 320 nm) und UV-A/VIS (> 380 nm) Einstrahlung und einer fotokatalytischen antibakteriellen Performance, bakterientötende Effekte und verminderte Zahlen von angehefteten Bakterien feststellen. Wenn allerdings die Wellenlänge der Einstrahlung auf > 390 nm beschränkt war, konnte keine signifikante antibakterielle Performance festgestellt werden. Der fotokatalytische antibakterielle Effekt konnte der besonderen Eigenschaft von Anatas zugeteilt werden. Da das UVA-A/VIS-Licht im Bereich zwischen 380 und 390 nm – es wurde herausgefunden, dass es Bakterien angreift, ähnlich wie UV-A – in klinischen Anwendungen wesentlich akzeptable ist, als das potenziell schädliche und energischere UV-A-Licht, besteht ein erhebliches Interesse, fotokatalytische antibakterielle Effekte in diesem Wellenbereich weiter zu untersuchen, um klinisch akzeptable Behandlungsprotokolle zu entwickeln.