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

Resumen Técnico: Síntesis Verde de Nanopartículas de ZnO Dopadas con Mn Derivadas de Residuos utilizando Extracto de Estiércol de Bos indicus

Planteamiento del Problema
La síntesis de nanomateriales a menudo depende de métodos físicos o químicos que pueden ser ambientalmente peligrosos, costosos o tóxicos. Si bien la síntesis biológica (verde) ofrece una alternativa ecológica, existe la necesidad de utilizar recursos renovables y abundantes para crear nanomateriales funcionales. Además, las nanopartículas de Óxido de Zinc (ZnO) puras, aunque prometedoras para aplicaciones biomédicas, sufren de limitaciones como un amplio band gap (brecha de banda) y una absorción de luz visible restringida. El dopaje del ZnO con metales de transición como el Manganeso (Mn) es una estrategia conocida para ajustar estas propiedades, pero el desarrollo de una ruta de síntesis sostenible derivada de residuos para el ZnO dopado con Mn, con eficacia antimicrobiana y anticancerígena verificada, sigue siendo un área de exploración.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de síntesis verde utilizando extracto acuoso de estiércol de Bos indicus (vaca india) como agente reductor y estabilizador.

• Síntesis: Se sintetizaron nanopartículas de ZnO puro y de ZnO dopado con Mn reaccionando nitrato de zinc hexahidratado (y cloruro de manganeso tetrahidratado para el dopaje) con el extracto de estiércol de vaca. La reacción se llevó a cabo bajo condiciones controladas de pH (8–12), temperatura (60–6°C) y agitación, seguida de una calcinación a 500 °C.
• Caracterización: Los nanomateriales sintetizados fueron caracterizados sistemáticamente mediante:
  • Difracción de Rayos X de Polvo (XRD) para la estructura cristalina y el tamaño de los cristalitos.
  • Espectroscopía de Reflectancia Difusa UV-Visible (DRS) para las propiedades ópticas y la determinación del band gap.
  • Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) para la morfología y el tamaño de partícula.
  • Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) y Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) para la composición elemental y los estados de oxidación.
• Evaluación Biológica:
  • Actividad Antimicrobiana: Evaluada contra bacterias Gram-negativas (Escherichia coli) y Gram-positivas (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis) utilizando el método de difusión en disco.
  • Actividad Anticancerígena: Evaluada contra la línea celular de cáncer de mama humano MCF-7 mediante el ensayo MTT para determinar la viabilidad celular y los valores de IC50.

Resultos Clave

• Propiedades Estructurales y Ópticas: El análisis XRD confirmó la estructura de wurtzita hexagonal tanto para las muestras puras como para las dopadas con Mn, sin que se detectaran fases secundarias. El dopaje con Mn resultó en una reducción en el tamaño de los cristalitos (de 66.84 nm para el ZnO puro a 37.67 nm para el ZnO dopado con Mn) y un ligero ensanchamiento de los picos de difracción. El UV-Vis DRS reveló un desplazamiento al azul en el borde de absorción tras la incorporación de Mn, aumentando el band gap óptico de 3.10 eV (ZnO puro) a 3.20 eV (ZnO dopado con Mn), atribuido a interacciones de intercambio sp–d.
• Morfología y Composición: Los análisis SEM y TEM indicaron que el ZnO puro consistía en partículas cuasi-esféricas y aglomeradas (promedio de 46.81 nm), mientras que el ZnO dopado con Mn exhibió una morfología modificada con estructuras de tipo varilla y aguja, y un tamaño de partícula promedio reducido (aprox. 34.27 nm). EDS y XPS confirmaron la incorporación exitosa de iones Mn²⁺ en la red de ZnO, con el Mn presente en el estado de oxidación +2. Se detectaron elementos traza del extracto de estiércol de vaca (C, K), que actuaron como agentes de recubrimiento (capping agents).
• Actividad Antimicrobiana: Las nanopartículas demostraron una actividad antibacteriana dependiente de la concentración. El ZnO dopado con Mn mostró zonas de inhibición mejoradas en comparación con el ZnO puro, particularmente contra S. aureus y E. coli. El mecanismo se atribuye a la generación de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS) y la disrupción de las membranas celulares bacterianas por los iones Zn²⁺ y Mn²⁺.
• Actividad Anticancerígena: Tanto las nanopartículas de ZnO puro como las dopadas con Mn exhibieron efectos citotóxicos sobre las células MCF-7 de manera dependiente de la dosis. El ZnO puro mostró un valor de IC50 de 107.5 μg/mL, mientras que el ZnO dopado con Mn mostró un IC50 de 219.56 μg/mL. El estudio señala que el ZnO puro demostró una potencia citotóxica ligeramente superior contra esta línea celular específica en comparación con la variante dopada.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la utilización del extracto de estiércol de Bos indicus proporciona una ruta sostenible, rentable y ecológica para la síntesis de nanopartículas de ZnO dopadas con Mn, alineándose con los principios de la bioeconomía circular. El estudio demuestra que este método de síntesis verde produce con éxito nanomateriales con tamaño controlado y propiedades electrónicas modificadas.

Los autores sostienen que las nanopartículas sintetizadas poseen un potencial significativo para aplicaciones biomédicas, específicamente como agentes antimicrobianos contra bacterias patógenas y como candidatas para la terapia anticancerígena. Si bien la variante dopada con Mn mostró un rendimiento antibacteriano mejorado, el estudio reporta modestamente que el ZnO puro retuvo una eficacia ligeramente mayor contra la línea de cáncer de mama MCF-7 en este montaje experimental específico. El trabajo concluye que estas nanopartículas biosintetizadas son agentes "inteligentes y alentadores" prometedores para los campos biomédicos, aunque los autores reconocen que se requieren más estudios mecánicos e in vivo para establecer plenamente su potencial terapéutico.