Synergistic Antimicrobial Effects of Synthesized Hybrid 2D Nanomaterial Composites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) THESIS final.pdf - Other Restricted to Repository staff only until 14 June 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تمثل مقاومة مضادات الميكروبات تهديدًا صحيًا عالميًا خطيرًا، مما يستدعي استراتيجيات علاجية مبتكرة تتجاوز المضادات الحيوية التقليدية. طورت هذه الدراسة مركبات نانوية ثلاثية من أكسيد الجرافين-أكسيد الزنك-أكسيد الكالسيوم (GO–ZnO–CaO) كعوامل مضادة للميكروبات جديدة تعمل من خلال آليات متعددة ومتزامنة. تم تصنيع أربعة نسب من المركبات النانوية (1:1:1، 1:2:2، 1:4:4، و1:6:6) عبر الترسيب المشترك وتوصيفها باستخدام حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، والمجهر الإلكتروني الماسح، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة، والمجهر الإلكتروني النافذ. أكد توصيف حيود الأشعة السينية والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء التكوين الناجح للمركب الثلاثي. كشف المجهر الإلكتروني النافذ عن جسيمات نانوية بلورية موزعة بشكل منتظم على صفائح أكسيد الجرافين. أكد التحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة الإدماج التدريجي لأكاسيد المعادن من النسبة 1:1:1 إلى 1:6:6. أظهر التقييم المضاد للميكروبات ضد الإشريكية القولونية والعصوية الرقيقة تحسنًا يعتمد على النسبة. حققت التركيبة المُحسّنة 1:6:6 أداءً متفوقًا يمثل تحسنًا بمقدار أربعة أضعاف مقارنة بأكسيد الجرافين النقي. أظهرت فحوصات انتشار القرص أن GO–ZnO–CaO 1:1:1 تفوق على الأمبيسيلين (22 ملم مقابل 13 ملم مناطق تثبيط عند 2 ملغ/مل). أظهرت البكتيريا موجبة الجرام قابلية أكبر للتأثر من السلالات سالبة الجرام. تنبع الفعالية المضادة للميكروبات المتفوقة من التأثير التآزري متعدد الآليات: الضرر الفيزيائي للغشاء من أكسيد الجرافين، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية وإطلاق أيونات الزنك من أكسيد الزنك، وتمسخ البروتين بوساطة القلوية وسمية أيونات الكالسيوم من أكسيد الكالسيوم. يتغلب هذا النهج متعدد الجوانب على آليات مقاومة البكتيريا الكامنة في المضادات الحيوية أحادية الهدف. يؤسس هذا العمل مركبات GO–ZnO–CaO النانوية كمنصات واعدة لطلاء الأجهزة الطبية، ومعالجة المياه، وتطبيقات مكافحة العدوى. الكلمات المفتاحية: أكسيد الجرافين، أكسيد الزنك، أكسيد الكالسيوم، المركب النانوي الثلاثي، النشاط المضاد للميكروبات، مقاومة الأدوية المتعددة، التأثيرات التآزرية، الحد الأدنى للتركيز المثبط، المواد النانوية ثنائية الأبعاد

English Abstract

Antimicrobial resistance represents a critical global health threat, necessitating innovative therapeutic strategies beyond conventional antibiotics. This study reports the first synthesis and antimicrobial evaluation of graphene oxide–zinc oxide–calcium oxide (GO–ZnO–CaO) ternary nanocomposites as novel antimicrobial agents operating through multiple simultaneous mechanisms. Four nanocomposite ratios (1:1:1, 1:2:2, 1:4:4, and 1:6:6) were synthesized via co-precipitation and characterized using XRD, FTIR, SEM, EDX, and TEM. XRD and FTIR characterization confirmed successful ternary composite formation. TEM revealed crystalline nanoparticles uniformly distributed on GO sheets. EDX verified progressive metal oxide incorporation from 1:1:1 to 1:6:6. Antimicrobial evaluation against Escherichia coli and Bacillus subtilis demonstrated ratio-dependent enhancement. The optimized 1:6:6 formulation achieved superior performance representing fourfold improvement over pristine GO. Disk diffusion assays showed GO–ZnO–CaO 1:1:1 outperformed ampicillin (22 mm vs. 13 mm inhibition zones at 2 mg/mL). Gram-positive bacteria exhibited greater susceptibility than Gram-negative strains. The superior antimicrobial efficacy stems from synergistic multi-mechanism action: GO's physical membrane damage, ZnO's reactive oxygen species generation and Zn²⁺ release, and CaO's alkaline-mediated protein denaturation and Ca²⁺ toxicity. This multifaceted approach overcomes bacterial resistance mechanisms inherent to single-target antibiotics. The work establishes GO–ZnO–CaO nanocomposites as promising platforms for medical device coatings, water treatment, and infection control applications. Keywords: Graphene oxide, zinc oxide, calcium oxide, ternary nanocomposite, antimicrobial activity, multidrug resistance, synergistic effects, minimum inhibitory concentration, 2D nanomaterials

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Engineering Earth Sciences
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Amjad Khalil,
Thesis Committee Members:	Tawfik Awadh, Irshad Ahmad,
Depositing User:	MARIEM BEN ATTIA
Date Deposited:	17 Jun 2026 05:22
Last Modified:	17 Jun 2026 05:22
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144584