Waste-Derived Green Synthesis of Mn-Doped ZnO Nanoparticles using Bos indicus Cow Dung Extract for Antimicrobial and Anticancer Applications

ملخص تقني: التخليق الأخضر لجسيمات أكسيد الزنك النانوية المطعمة بالمنغنيز المشتقة من النفايات باستخدام مستخلص روث بقرة من نوع Bos indicus

بيان المشكلة
غالبًا ما يعتمد تخليق المواد النانوية على طرق فيزيائية أو كيميائية قد تكون ضارة بالبيئة، أو مكلفة، أو سامة. وبينما يوفر التخليق البيولوجي (الأخضر) بديلًا صديقًا للبيئة، إلا أن هناك حاجة لاستخدام موارد نفايات وفيرة ومتجددة لإنشاء مواد نانوية وظيفية. علاوة على ذلك، فإن جسيمات أكسيد الزنك (ZnO) النقية، رغم كونها واعدة للتطبيقات الطبية الحيوية، تعاني من قيود مثل فجوة نطاق واسعة وامتصاص محدود للضوء المرئي. ويعد تطعيم أكسيد الزنك بمعادن انتقالية مثل المنغنيز (Mn) استراتيجية معروفة لتعديل هذه الخصائص، ولكن تطوير مسار تخليق مستدام ومشتق من النفايات لأكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز مع التحقق من فعاليته في مكافحة الميكروبات والسرطان يظل مجالًا يستحق الاستكشاف.

المنهجية
استخدمت الدراسة نهج التخليق الأخضر باستخدام مستخلص مائي من روث بقرة من نوع Bos indicus (البقرة الهندية) كعامل اختزال وتثبيت.

• التخليق: تم تخليق جسيمات أكسيد الزنك (ZnO) النقية وأكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز عن طريق تفاعل نترات الزنك سداسية الهيدرات (ونترات المنجنيز رباعية الهيدرات لعملية التطعيم) مع مستخلص روث البقر. أُجري التفاعل تحت ظروف محكومة من الأس الهيدروجيني (8–12)، ودرجة الحرارة (60–90 درجة مئوية)، وظروف التحريك، متبوعًا بعملية التكليس عند 500 درجة مئوية.
• التوصيف: تم توصيف المواد النانوية المُخلقة بشكل منهجي باستخدام:
  • حيود الأشعة السينية للمساحيق (XRD) للتركيب البلوري وحجم البلورات.
  • مطيافية الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية والمرئية (DRS) للخصائص البصرية وتحديد فجوة النطاق.
  • المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) للمورفولوجيا وحجم الجسيمات.
  • تحليل طيف تشتت الطاقة بالأشعة السينية (EDS) ومطيافية الضوء الإلكتروني للأشعة السينية (XPS) للتركيب العنصري وحالات الأكسدة.
• التقييم البيولوجي:
  • النشاط المضاد للميكروبات: تم تقييمه ضد البكتيريا سالبة الجرام (Escherichia coli) والموجبة لجرام (Staphylococcus aureus و Bacillus subtilis) باستخدام طريقة انتشار القرص.
  • النشاط المضاد للسرطان: تم تقييمه ضد خط خلايا سرطان الثدي البشري MCF-7 باستخدام اختبار MTT لتحديد حيوية الخلايا وقيم IC50.

النتائج الرئيسية

• الخصائص الهيكلية والبصرية: أكد تحليل XRD وجود بنية الورتزيت السداسية لكل من العينات النقية والمطعمة بالمنغنيز، دون اكتشاف أطوار ثانوية. أدى تطعيم المنغنيز إلى تقليل حجم البلورات (من 66.84 نانومتر لأكسيد الزنك النقي إلى 37.67 نانومتر لأكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز) وتوسيع طفيف في قمم الحيود. كشف تحليل UV-Vis DRS عن إزاحة زرقاء في حافة الامتصاص عند دمج المنغنيس، مما أدى إلى زيادة فجوة النطاق البصرية من 3.10 إلكترون فولت (أكسيد الزنك النقي) إلى 3.20 إلكترون فولت (أكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز)، وهو ما يُعزى إلى تفاعلات تبادل sp–d.
• المورفولوجيا والتركيب: أشارت تحليلات SEM و TEM إلى أن أكسيد الزنك النقي يتكون من جسيمات شبه كروية متكتلة (بمتوسط 46.81 نانومتر تقريبًا)، بينما أظهر أكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز مورفولوجيا معدلة ذات هياكل تشبه القضبان والإبر وحجم جسيمات متوسط أقل (حوالي 34.27 نانومتر). أكد تحليلي EDS و XPS النجاح في دمج أيونات Mn²⁺ في شبكة أكسيد الزنك، مع وجود المنغنيس في حالة الأكسدة +2. كما تم الكشف عن عناصر نزرة من مستخلص روث البقر (C, K)، والتي عملت كعوامل تغليف.
• النشاط المضاد للميكروبات: أظهرت الجسيمات النانوية نشاطًا مضادًا للبكتيريا يعتمد على التركيز. أظهر أكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز مناطق تثبيط معززة مقارنة بأكسيد الزنك النقي، لا سيما ضد S. aureus و E. coli. تُعزى الآلية إلى توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وتعطيل الأغشية الخلوية البكتيرية بواسطة أيونات Zn²⁺ و Mn²⁺.
• النشاط المضاد للسرطان: أظهر كل من أكسيد الزنك النقي والمطعّم بالمنغنيز تأثيرات سمية خلوية على خلايا MCF-7 بطريقة تعتمد على الجرعة. أظهر أكسيد الزنك النقي قيمة IC50 بلغت 107.5 ميكروجرام/مل، بينما أظهر أكسيد الزنك المطعّم بالمنغنيز قيمة IC50 بلغت 219.56 ميكروجرام/مل. تشير الدراسة إلى أن أكسيد الزنك النقي أظهر قدرة سمية أعلى قليلاً تجاه هذا الخط الخلوي المحدد مقارنة بالمتغير المطعّم.

الأهمية والادعاءات
تزعم الورقة أن استخدام مستخلص روث بقرة من نوع Bos indicus يوفر مسارًا مستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة وصديقًا للبيئة لتخليق جسيمات أكسيد الزنك النانوية المطعمة بالمنغنيز، مما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الحيوي الدائري. وتوضح الدراسة أن طريقة التخليق الأخضر هذه نجحت في إنتاج مواد نانوية ذات حجم محكوم وخصائص إلكترونية معدلة.

يؤكد المؤلفون أن الجسيمات النانوية المُخلقة تمتلك إمكانات كبيرة للتطبيقات الطبية الحيوية، وتحديدًا كعوامل مضادة للميكروبات ضد البكتيريا الممرضة وكمرشحات للعلاج المضاد للسرطان. وبينما أظهر المتغير المطعّم بالمنغنيز أداءً مضادًا للبكتيريا معززًا، ذكرت الدراسة بتواضع أن أكسيد الزنك النقي احتفظ بفعالية أعلى قليلاً ضد خط خلايا MCF-7 في هذا الإعداد التجريبي المحدد. ويخلص العمل إلى أن هذه الجسيمات النانوية المُخلقة حيوياً هي عوامل "ذكية ومشجعة" واعدة في المجالات الطبية الحيوية، رغم أن المؤلفين يقرون بأن هناك حاجة لمزيد من الدراسات الميكانيكية والدراسات داخل الجسم الحي (in vivo) لتثبيت إمكاناتها العلاجية بشكل كامل.