Accessing the potential of Graphene Oxide-Chitosan composite to increase antibacterial efficacy of ampicillin. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mark Dakurah Final Thesis Report.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 17 May 2027. Download (1MB)

Arabic Abstract

أدى الظهور السريع لمقاومة مضادات الميكروبات (AMR) إلى تقليل فعالية المضادات الحيوية التقليدية، مما استدعى تطوير استراتيجيات جديدة لتعزيز الكفاءة المضادة للبكتيريا. في هذه الدراسة، تم تحضير مركب نانوي من أكسيد الجرافين –الكيتوسان–الأمبيسيلين (GO-CS-A) كمنصة متعددة الوظائف لتحسين النشاط القاتل للبكتيريا للأمبيسيلين ضد كل من Bacillus cereus و Escherichia coli. تم تصنيع أكسيد الجرافين (GO) بنجاح باستخدام طريقة هامر المعدلة، وتم توصيفه باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ، والمجهر الإلكتروني، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) ، مما أكد تكوين صفائح نانوية متقشرة وغنية بالمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين. كما أكدت نتائج FTIR وجود روابط بين جزيئية غير تساهمية في تراكيب GO-CS و GO-A و CS-A و GO-CS-A ، مما يشير إلى حدوث تفاعلات فيزيائية دون تعديل كيميائي . أظهرت نتائج التشتت الضوئي الديناميكي (DLS) وجهد زيتا زيادة في حجم الجسيمات من 241.6 nm في GO إلى 306.7 nm ف ي GO-CS-A ، وكذلك تغير الشحنة السطحية م ن -31.5 mV في GO إلى +93.4 mV في GO-CS و +70.5 mV في GO-CS-A. كشفت اختبارات النشاط المضاد للبكتيريا باستخدام التخفيف المجهري في المرق وتقنية الزرع بالنقاط لتحديد التركيز الأدنى القاتل للبكتيريا (MBC) أن قيم MBC للأمبيسيلين ضد B. cereus و E. coli بلغت 15.6 ug/ml و 500 ug/ml على التوالي. وأظهر الكيتوسان قيم MBC بلغت 78 ug/ml و 156 ug/ml ضد B. cereus و E. coli على التوالي، بينما لم يُظهر GO تأثيرًا قاتلًا للبكتيريا حتى عند تركيز 1000 ug/ml في كلا النوعين البكتيريين . في الأنظمة الثنائية، أظهر GO-CS قيم MBC بلغت 7.8:78 ug/ml ضد B. cereus و 31.25:312.5 ug/ml ضد E. coli ، بينما أظهر GO-A قيم MBC بلغت 3.9:7.8 ug/ml ضد B. cereus و 3.9:250 ug/ml ضد E. coli. وقد أظهر خليط CS-A أكبر انخفاض في كمية الأمبيسيلين المطلوبة للوصول إلى MBC بين الأنظمة الثنائية، حيث بلغت قيمة MBC مقدار 39:0.0019 ug/ml ضد كلا الكائنين. وبالمثل، أظهر النظام الثلاثي GO-CS-A تأثيرًا قاتلًا للبكتيريا عند تركيز 3.9:39:0.0019 ug/ml ضد كلا النوعين البكتيريين . بشكل عام، أثبتت الدراسة أن مركبات GO-CS-A النانوية تمثل نهجًا واعدًا لتعزيز فعالية الأمبيسيلين، من خلال توفير نظام متعدد الوظائف يجمع بين توصيل المضاد الحيوي، وتحسين ثباته، والتأثير التآزري المضاد للبكتيريا لمكافحة العدوى البكتيرية المقاومة .

English Abstract

The rapid emergence of AMR has reduced the effectiveness of conventional antibiotics, necessitating the development of novel strategies to enhance antibacterial efficacy. In this study, a graphene oxide-chitosan-ampicillin (GO-CS-A) nanocomposite was formulated as a multifunctional platform to improve the bactericidal activity of ampicillin against both Bacillus cereus and Escherichia coli. Graphene oxide (GO) was successfully synthesized by modified Hummer’s method and characterized using X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Electron Microscopy, and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, confirming the formation of exfoliated, oxygen-functionalized nanosheets. Fourier Transform Infrared Spectroscopy confirmed non-covalent intermolecular bonding in GO-CS, GO-A, CS-A, and GO-CS-A formulations, indicating physical interactions without chemical modification. Dynamic Light Scattering and Zeta Potential results showed an increase in particle size, from 241.6 nm in GO to 306.7 nm in GO-CS-A, and surface charge from -31.5 mV in GO to +93.4 mV in GO-CS, and +70.5 mV in GO-CS-A. Antibacterial test by broth microdilution and drop plating to determine the minimum bactericidal concentrations (MBCs) revealed MBCs of ampicillin against B. cereus and E. coli at 15.6 μg/mL and 500 μg/mL, respectively. Chitosan showed MBC values of 78 μg/mL and 156 μg/mL for B. cereus and E. coli, respectively, while GO was not bactericidal at 1000 μg/mL in both bacteria. In the binary systems, GO-CS exhibited MBCs of 7.8:78 μg/mL (B. cereus) and 31.25:312.5 μg/mL (E. coli), while GO-A showed MBCs of 3.9:7.8 μg/mL (B. cereus) and 3.9:250 μg/mL (E. coli). The CS-A mixture showed the highest decrease in ampicillin required for MBC among the binary systems, with MBC of 39:0.0019 μg/mL on both organisms. Likewise, the ternary GO-CS-A system had a bactericidal effect at 3.9:39:0.0019 μg/mL on both bacteria. Overall, the study proved GO-CS-A nanocomposites as a promising approach for enhancing ampicillin efficacy, offering a multifunctional system that integrates antibiotic delivery, improved antibiotic stability, and synergistic antibacterial action for combating resistant bacterial infections.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Seminars Research
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Alexis Mouanda,
Thesis Co-Advisor:	Nadeem Baigh,
Thesis Committee Members:	Shihab Uddin,
Depositing User:	MARK DAKURAH (g202392570)
Date Deposited:	18 May 2026 05:41
Last Modified:	18 May 2026 05:41
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144314