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Title: Synthesis and physical characterization of Carbon Quantum Dots from watermelon seed towards a biological application
Authors: Chimborazo Guerrón, Johnny Fabricio
Spencer Valero, Lilian Maritza
Puchaicela Lozano, Marlene Stefanya
Keywords: Síntesis hidrotermal
Hidrogeles
Actividad antimicrobiana
Hydrothermal synthesis
Hydrogels
Antimicrobial activity
Issue Date: Apr-2024
Publisher: Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay
Abstract: Los Puntos Cuánticos de Carbono (CQDs) han surgido como una alternativa innovadora para la administración de medicamentos al integrarse en hidrogeles destinados a apósitos de heridas. Este enfoque aprovecha las propiedades excepcionales de los CQDs, como su capacidad para una liberación controlada, orientación precisa y monitoreo en tiempo real, basadas en su biocompatibilidad y su fluorescencia. La síntesis de CQDs es un proceso que explora diversas metodologías, desde la ablación láser hasta la síntesis hidrotermal, siendo esta última la más simple y rentable. La síntesis verde, especialmente utilizando biomasa como semillas de sandía, resulta ventajosa desde perspectivas económicas, ambientales y tecnológicas, contribuyendo a los principios de la economía circular y permitiendo aplicaciones biomédicas. La metodología utilizada comprende cuatro fases. En la primera fase, se sintetizan los CQDs mediante el método hidrotermal. La segunda fase implica la caracterización física de los CQDs mediante diversas técnicas, como espectroscopía Ultravioleta-visible (UV-vis), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Dispersión Dinámica de Luz (DLS), Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), espectroscopía Raman, espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos-X (XPS) y Microscopía de Fluorescencia. En la tercera fase, se preparan hidrogeles con Alcohol Polivinílico y Metilcelulosa de Hidroxipropil. La fase final implica ensayos para evaluar la actividad antimicrobiana y la citotoxicidad de los CQDs, tanto en su forma pura como cuando están integrados en los hidrogeles. El estudio de síntesis hidrotermal reveló una concentración de 30 mg/ml de CQDs. Los CQDs presentaron una morfología redonda, casi esférica, confirmada por SEM. En el SEM, su tamaño fue de 142 nm; sin embargo, DLS indicó un tamaño de aproximadamente 500 a 1000 nm. Para dar sentido a estos resultados, se realizó un análisis de zeta potencial, que mostró un valor de 2.35 mV tendiendo a cero, sugiriendo que los tamaños encontrados tanto en SEM como en DLS son agregados. El análisis de AFM se llevó a cabo para confirmar el tamaño de los CQDs, revelando un tamaño de 10 nm. En los resultados de Raman, se observaron dos picos predominantes alrededor de 1340 y 1590 〖cm〗^(-1), comúnmente atribuidos a la banda D desordenada y la banda G cristalina, respectivamente. El análisis del espectro FTIR revela la presencia de diversos grupos funcionales en los CQDs, como hidroxilo, amina, enlaces C-H (sp2) y C-H (sp3), carbonilo, alqueno/alquino, amida, éter, y enlaces C-O. XPS confirmó la presencia de Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en los CQDs. Finalmente, los estudios de fluorescencia demostraron una alta fluorescencia con el tiempo en el rango azul. En cuanto a la aplicación biológica, se encontró que los CQDs por sí solos no exhiben actividad antimicrobiana. Por otro lado, los CQDs por sí solos y cuando están incrustados con HPMC no son tóxicos a concentraciones de 0.03, 0.3 y 0.5 mg/ml. En cambio, cuando se combinan con PVA, muestran una ligera toxicidad. La potente fotoluminiscencia y la baja citotoxicidad de los CQDs los convierten en excelentes candidatos para la administración de medicamentos mediante hidrogeles.
Description: Carbon Quantum Dots (CQDs) have emerged as an innovative alternative for drug delivery when integrated into hydrogels intended for wound dressings. This approach leverages the exceptional properties of CQDs, such as their ability for controlled release, precise targeting, and real-time monitoring, based on their biocompatibility and fluorescence. The synthesis of CQDs is a process that explores various methodologies, from laser ablation to hydrothermal synthesis, with the latter being the simplest and most cost-effective. Green synthesis, especially using biomass like watermelon seeds, proves advantageous from economic, environmental, and technological perspectives, contributing to circular economy principles and enabling biomedical applications. The methodology used comprises four phases. In the first phase, CQDs are synthesized using the hydrothermal method. The second phase involves physical characterization of CQDs using several techniques, including Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis), scanning electron microscopy (SEM), dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and fluorescence microscopy. In the third phase, hydrogels are prepared with Polyvinyl Alcohol Fully Hydrolyzed and Hydroxypropyl Methylcellulose. The final phase involves assays to evaluate CQDs' antimicrobial activity and cytotoxicity when used in pure form or when integrated into the hydrogels. The hydrothermal synthesis study revealed a 30 mg/ml concentration of CQDs. The CQDs exhibited a round, almost spherical morphology, confirmed by SEM. In SEM, their size was 142 nm; however, DLS indicated a size of approximately 500 to 1000 nm. To make sense of these results, zeta potential analysis was conducted, showing a value of 2.35 mV trending towards zero, suggesting that the sizes found in both SEM and DLS are aggregations. AFM analysis was performed to confirm the size of CQDs, revealing a size of 10 nm. In Raman results, two predominant peaks were observed around 1340 and 1590, commonly attributed to the disordered D-band and crystalline G-band, respectively. The FTIR spectrum analysis reveals the presence of various functional groups in CQDs, such as hydroxyl, amine, C-H (sp2) and C-H (sp3) bonds, carbonyl, alkene/alkyne, amide, ether, and C-O bonds. XPS confirmed the presence of Carbon, Nitrogen, and Oxygen in CQDs. Finally, fluorescence studies demonstrated high fluorescence over time in the blue range. Regarding biological application, it was found that CQDs alone do not exhibit antimicrobial activity. On the other hand, CQDs alone and when embedded with HPMC are non-toxic at concentrations of 0.03, 0.3, and 0.5 mg/ml. Conversely, when combined with PVA, they exhibit slight toxicity. CQDs' potent photoluminescence and low cytotoxicity make them excellent candidates for hydrogel drug delivery.
URI: http://repositorio.yachaytech.edu.ec/handle/123456789/750
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