Síntese Verde Rápida de Micelas de Copolímero Baseadas em PDMAEMA Contendo Prata com Atividade Antibacteriana In Vitro Aprimorada

Resumo

Micelas de polímero bem definidas com arquitetura núcleo-casca servem como plataforma eficaz para estabilizar nanopartículas de prata (AgNPs) e entregar agentes antimicrobianos. Este estudo apresenta uma síntese racional, verde e escalável de micelas de copolímero decoradas com AgNPs baseadas em poli(2-dimetilaminoetil metacrilato) (PDMAEMA) e avalia suas propriedades físico-químicas e antibacterianas. Duas topologias de copolímero — linear e estrela de quatro braços — foram preparadas com pesos moleculares e graus de polimerização idênticos. Os grupos amina terciária do PDMAEMA coordenam Ag⁺ e o reduzem in situ, enquanto as cascas hidrofílicas de PHEMA e PEGMA fornecem estabilização estérica em meios aquosos. Modelagem computacional e caracterização experimental (UV‑Vis, TEM, DLS, FTIR, XRD) confirmaram que ambas as arquiteturas produzem AgNPs monodispersas e esféricas. Micelas em forma de estrela geraram partículas menores, estabilidade coloidal superior e maior potência antibacteriana contra Escherichia coli DH5α comparadas às micelas lineares. Ensaios de citotoxicidade com células HepG2 mostraram >90 % de viabilidade em concentrações até 400 µg mL⁻¹, indicando boa biocompatibilidade. Esses achados demonstram uma abordagem versátil one-pot para fabricar micelas carregadas de prata com topologia ajustada para aplicações antibacterianas de amplo espectro.

Introdução

Antimicrobianos tradicionais são cada vez mais desafiados pelo rápido surgimento de patógenos multirresistentes, ameaça classificada entre as três principais pela Organização Mundial da Saúde. Nanopartículas de prata (AgNPs) são valorizadas há muito por sua atividade de amplo espectro, baixa toxicidade mamífera e propensão limitada a induzir resistência. Seu mecanismo antimicrobiano envolve disrupção de membrana, desnaturalização de proteínas intracelulares e interferência com replicação de DNA. No entanto, a alta energia superficial das AgNPs impulsiona agregação, comprometendo sua eficácia e estabilidade. Encapsulamento em matrizes poliméricas — especialmente micelas — oferece solução prática ao fornecer impedimento estérico e liberação controlada. Estratégias comuns de estabilização dependem de redutores externos (ex.: NaBH₄, ácido ascórbico) que introduzem subprodutos tóxicos e complicam a purificação. Em contraste, polímeros ricos em aminas podem simultaneamente coordenar Ag⁺ e reduzi-lo in situ, dispensando agentes redutores externos. Ainda, a influência da topologia do polímero na nucleação, crescimento e desempenho antibacteriano de AgNPs permanece pouco explorada, particularmente para arquiteturas em estrela que podem oferecer blindagem estérica aprimorada. Este trabalho preenche essa lacuna desenvolvendo micelas de copolímero tribloco baseadas em PDMAEMA lineares e em estrela de quatro braços, avaliando sua capacidade de gerar AgNPs monodispersas in situ, e avaliando atividade antibacteriana e citocompatibilidade.

Materiais e Métodos

Materiais

Todos os reagentes foram usados como recebidos, salvo indicação contrária. Monômeros-chave incluíram DMAEMA (>98 %), HEMA (99 %) e PEGMA (Mn = 300 Da, 99 %) (Aldrich). Pentaeritritol, EBiB e BIBB foram purificados por cromatografia em coluna de alumina. Nitrato de prata (AgNO₃, 99,9 %) foi usado como fonte de Ag⁺.

Caracterização Geral e Instrumentação

Espectros de ¹H NMR foram registrados em espectrômetro Bruker 400 MHz em CDCl₃ ou D₂O a 25 °C. Espectros FTIR foram obtidos com espectrofotômetro Nicolet Nexus (4000–400 cm⁻¹, 32 varreduras, resolução 8 cm⁻¹). Potenciais zeta foram medidos em Malvern Zetasizer Nano S. Imagens de TEM foram adquiridas em FEI Tecnai‑G20 (200 kV). Espectros UV‑Vis foram registrados em Shimadzu UV‑2450. Análise termogravimétrica (TGA) empregou NETZSCH STA409PC sob nitrogênio (25–600 °C, 10 °C min⁻¹).

Síntese de PDMAEMA‑b‑PHEMA‑b‑PPEGMA

Polimerização foi realizada via ARGET ATRP em tolueno (70 °C) com CuBr₂/HMTETA como catalisador, Sn(Oct)₂ como agente redutor e EBiB como iniciador. DMAEMA, HEMA e PEGMA foram polimerizados sequencialmente para produzir copolímero tribloco com Mn ≈ 19 kDa (DMAEMA), 12 kDa (PHEMA) e 25 kDa (PPEGMA). O produto foi precipitado em n‑hexano frio, filtrado e seco sob vácuo (48 h, 35 °C).

Síntese de (PDMAEMA‑b‑PHEMA‑b‑PPEGMA)₄

Um iniciador estrela de quatro braços foi preparado por esterificação de pentaeritritol com BIBB em THF/TEA, produzindo núcleo tetrabromado. Subsequente ARGET ATRP, seguindo as mesmas condições do copolímero linear, produziu o copolímero tribloco em forma de estrela. Rendimento e pureza foram confirmados por ¹H NMR e SEC.

Preparação de AgNPs Usando Micelas de Copolímero Linear ou em Estrela

Soluções de copolímero (4,8 mM DMAEMA) foram agitadas em acetona (5 mL) por 4 h, então diluídas com água (20 mL) e agitadas durante a noite para formar micelas. AgNO₃ (220 µL, 48 mM) foi adicionado gota a gota, e a mistura foi agitada a 25 °C no escuro por 48 h. Micelas estabilizadas com AgNPs foram isoladas por centrifugação, liofilizadas e armazenadas a –20 °C.

Ensaio Antibacteriano

Inibição de crescimento contra E. coli DH5α foi avaliada misturando 1 × 10⁵ UFC mL⁻¹ de bactérias com diluições seriadas de micelas ou micelas estabilizadas com AgNPs. Após incubação de 16 h a 37 °C, densidade óptica a 600 nm (OD₆₀₀) foi medida com leitor de microplacas. Seis replicatas foram realizadas para cada concentração.

Avaliação de Viabilidade Celular

Células HepG2 foram semeadas em placas de 96 poços (1 × 10⁴ células mL⁻¹) e cultivadas por 24 h. Soluções de teste (10–400 µg mL⁻¹) foram adicionadas por 24 h, seguidas de ensaio MTT (4 h incubação com MTT 5 mg mL⁻¹, 200 µL DMSO). Absorbância a 570 nm quantificou viabilidade celular. Experimentos foram realizados em sêxtupla.

Simulação de Dinâmica de Partículas Dissipativas

Simulações DPD de grão grosso (Materials Studio 8.0) modelaram interações copolímero-AgNP na razão PDMAEMA/Ag⁺ de 1:1. Caixa 30 × 30 × 30 rₙ³ com 100 000 passos (0,05 ns) capturou auto-montagem de micelas e encapsulação de AgNPs. Parâmetros de interação foram tomados de trabalhos anteriores.

Análise Estatística

Dados foram analisados por teste t de Student de duas amostras (variância desigual); p < 0,05 foi considerado significativo.

Resultados e Discussão

Síntese e Caracterização de Copolímeros Linear/Estrela

Ambos copolímeros tribloco linear e estrela foram sintetizados com sucesso por ARGET ATRP. ¹H NMR confirmou a composição de blocos esperada: PDMAEMA₁₉,₃–b–PHEMA₁₂,₅–b–PPEGMA₂₄,₆ e (PDMAEMA₅,₀–b–PHEMA₅,₆–b–PPEGMA₅,₀)₄. O núcleo estrela (pentaeritritol) foi totalmente bromado, evidenciado pelo desaparecimento do sinal –CH₂–OH e aparecimento de novos picos de metileno portadores de bromo.

Preparação e Caracterização de AgNPs Estabilizadas por Micelas de Copolímero Linear/Estrela

Em meio aquoso, os copolímeros tribloco auto-montaram em micelas núcleo-casca. O núcleo PDMAEMA liga Ag⁺ via coordenação de amina terciária e o reduz in situ, gerando átomos de Ag que nucleiam em nanopartículas. A casca hidrofílica PHEMA/PPEGMA confere proteção estérica, prevenindo agregação. Simulações DPD mostraram que esferas de Ag localizam-se rapidamente nos núcleos das micelas, confirmando encapsulação eficiente. Espectros UV‑Vis exibiram pico de ressonância de plasmon de superfície (SPR) a 437 nm para micelas lineares e 422 nm para micelas estrela, indicando AgNPs monodispersas e quasi-esféricas. Imagens de TEM revelaram diâmetros de partícula de 11,1 nm (linear, razão 1:1) e 3,7 nm (estrela, razão 1:1), expandindo para 25,7 nm e 6,4 nm, respectivamente, na razão 6:1. Potenciais zeta variaram de +15 mV a +23 mV, aumentando com teor de Ag, refletindo cobertura superficial bem-sucedida.

Estabilidade de AgNPs Estabilizadas por Micelas de Copolímero Linear/Estrela

Monitoramento UV‑Vis por 30 dias mostrou deslocamento desprezível para micelas estrela mesmo após diluição 1:3, enquanto micelas lineares exibiram modesto deslocamento para o vermelho, sugerindo menor estabilidade coloidal. TGA indicou temperaturas de início de degradação de 213 °C para micelas estrela e 172 °C para micelas lineares com AgNPs, ressaltando superior resiliência térmica da arquitetura estrela.

Atividade Antibacteriana e Viabilidade Celular

Medidas de OD₆₀₀ revelaram inibição dependente de concentração do crescimento de E. coli por micelas estabilizadas com AgNPs. Micelas estrela alcançaram >90 % de inibição a 50 µg mL⁻¹, enquanto micelas lineares requereram 200 µg mL⁻¹ para efeito comparável, atribuível a menor tamanho de partícula e maior área superficial. Ensaios de citotoxicidade com células HepG2 mostraram viabilidade acima de 90 % em todas as concentrações testadas, confirmando baixa toxicidade mamífera.

Conclusão

Este estudo demonstra que micelas de copolímero tribloco baseadas em PDMAEMA lineares e em estrela podem ser usadas como plataformas de dupla função — simultaneamente reduzindo e estabilizando nanopartículas de prata — via etapa única de síntese verde. Micelas em forma de estrela produzem AgNPs menores, mais estáveis e exibem atividade antibacteriana superior mantendo excelente biocompatibilidade. A abordagem ajustada por topologia oferece estratégia versátil para projetar nanomateriais antimicrobianos avançados.