Nanocompósitos de Óxido de Grafeno–Nanopartículas de Prata: Agente Antibacteriano e Antifúngico Potente

Resumo

Materiais com superfície modificada apresentando nanopartículas biocidas oferecem estratégia promissora contra patógenos multirresistentes. Relatamos nanocompósito de óxido de grafeno (GO) decorado com nanopartículas de prata (Ag-NPs) que exibe atividade antibacteriana e antifúngica superior comparado a qualquer componente isolado. Usando revestimento ultrassônico, folhas de poliuretano foram funcionalizadas com GO, Ag-NPs ou híbrido GO–Ag. Eficácia contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis e Candida albicans foi avaliada via morfologia celular, viabilidade PrestoBlue, vazamento de lactato desidrogenase (LDH) e produção de espécies reativas de oxigênio (ROS). O compósito GO–Ag alcançou >88% inibição de todas cepas, superando marcadamente GO ou Ag-NPs isolados.

Contexto

Embora antibióticos historicamente conteram infecções bacterianas, seu uso indevido acelerou emergência de organismos multirresistentes como S. aureus resistente à meticilina e E. coli produtora de β-lactamase de espectro estendido [1–3]. Resistência se espalha através de transferência gênica horizontal, sublinhando necessidade urgente de novos antimicrobianos. Nanopartículas (NPs) possuem mecanismos multifacetados — disrupção de membrana, liberação de íons metálicos, geração de ROS — que coletivamente impedem desenvolvimento de resistência [4–8]. Entre elas, NPs de prata (Ag-NPs) demonstraram atividade contra >650 micróbios, mas sua agregação limita área de superfície e potência [9–11]. Óxido de grafeno (GO), alótropo de carbono oxidado, solúvel em água, rico em grupos funcionais oxigenados, pode servir como suporte estável para Ag-NPs, potencialmente aumentando dispersão e interação com membranas microbianas [12–14]. O presente estudo avalia desempenho antimicrobiano e base mecanística de nanocompósito GO–Ag contra patógenos gram-positivos, gram-negativos e fúngicos representativos.

Métodos

Síntese e Caracterização de Óxido de Grafeno

Grafite comercial (Acros Organics) foi oxidado via protocolo Hummers modificado [15]. Difração de raios-X (XRD), espectroscopia Raman, análise infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e espalhamento dinâmico de luz (DLS) forneceram dados estruturais, composicionais e de tamanho. Medidas de potencial zeta avaliaram estabilidade coloidal.

Preparação de Folhas Revestidas com Nanocompósito

Folhas de poliuretano (15 × 15 × 0,05 mm) foram imersas em suspensões aquosas de GO (200 µg/mL), Ag-NPs (100 µg/mL; HydroSilver1000) ou mistura 1:1. Revestimento ultrassônico (20 kHz, 60% potência) por 10 min rendeu camadas uniformes. Morfologia de superfície foi examinada por SEM, TEM e microscopia de força atômica (AFM). Energia livre de superfície (EFS) foi calculada usando método Owens-Wendt com sondas água e diiodometano.

Culturas Microbianas e Ensaios Antimicrobianos

Cepas clínicas E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), S. epidermidis (ATCC 14990) e C. albicans (90028) foram cultivadas até fase log média, então aplicadas a folhas (10⁶ UFC/mL) em ágar Mueller-Hinton. Após 24 h a 37 °C, contagens de colônias quantificaram inibição de crescimento.

Viabilidade Celular, Integridade de Membrana e Avaliação de ROS

Ensaios PrestoBlue™ mediram atividade metabólica; vazamento LDH quantificou disrupção de membrana; fluorescência DCFDA detectou ROS intracelular. Todos experimentos foram realizados em triplicata.

Resultados

Propriedades Físico-Químicas de GO e Ag-NPs

GO exibiu rede altamente desordenada (I_D/I_G = 1,15) e abundantes grupos portadores de oxigênio (C=O, C–OH, C–O–C). Ag-NPs médias 80 nm em suspensão, aumentando para ~218 nm pós-ultrassonicação devido a interação com pol(álcool vinílico). Mistura GO–Ag mostrou potencial zeta negativo (~–7 mV), indicando estabilidade coloidal moderada.

Morfologia e Energia de Superfície

SEM revelou que GO formou revestimento contínuo, escamoso; Ag-NPs produziram grade granular; compósito GO–Ag exibiu ambas características. AFM confirmou flocos GO aderidos ao substrato polimérico. Folhas revestidas com GO aumentaram EFS polar de 2,3 ± 0,6 para 68,9 ± 2,8 mJ/m², enquanto revestimentos Ag-NP e GO–Ag não alteraram significativamente EFS.

Eficácia Antimicrobiana

Após 24 h exposição, folhas GO–Ag inibiram crescimento em 88,6% (E. coli), 79,6% (S. aureus), 76,5% (S. epidermidis) e 77,5% (C. albicans). Revestimentos GO ou Ag-NP isolados renderam <20% inibição. SEM de células tratadas mostrou deformação pronunciada de membrana e tamanho de colônia reduzido.

Integridade de Membrana e Geração de ROS

Vazamento LDH foi maior para GO–Ag (66,3% para E. coli; 59,4% para S. aureus; 54,8% para S. epidermidis; 48,5% para C. albicans), indicando comprometimento extensivo de membrana. Níveis de ROS aumentaram marcadamente para folhas GO–Ag e Ag-NP (p < 0,05), enquanto GO sozinho elevou modestamente ROS em C. albicans.

Discussão

Nossas descobertas confirmam que decorar GO com Ag-NPs produz efeito antimicrobiano sinérgico. Mecanismos duais — disrupção física por bordas de GO e ataque químico por Ag-NPs/íons Ag⁺ — resultam em permeabilização rápida de membrana e estresse oxidativo, sobrecarregando sistemas de defesa microbianos [16–18]. Eficácia superior contra bactérias gram-negativas pode refletir camada de peptidoglicano mais fina, facilitando acesso de NPs, enquanto cepas gram-positivas exibem resistência parcial devido a parede celular mais espessa. Capacidade do nanocompósito GO–Ag de manter dispersão sob tratamento ultrassônico aborda limitação de agregação de Ag-NPs nuas, preservando área de superfície bioativa.

Conclusões

Nanocompósitos GO–Ag demonstram atividade antimicrobiana potente, amplo espectro, superando GO ou Ag-NPs isolados. Seu mecanismo envolve disrupção de membrana e dano oxidativo induzido por ROS. Estes materiais prometem aplicação em têxteis médicos, curativos de feridas e revestimentos de superfície onde patógenos multirresistentes representam ameaça.

Abreviações

AFM

Microscopia de força atômica

Ag-NPs

Nanopartículas de prata

DLS

Espalhamento dinâmico de luz

GO

Óxido de grafeno

GO-Ag

Óxido de grafeno decorado com nanopartículas de prata

LDE

Eletroforese Doppler a laser

LDH

Lactato desidrogenase

ROS

Espécies reativas de oxigênio

SEM

Microscopia eletrônica de varredura

XRD

Difração de raios-X