Desempenho Fotocatalítico e Antibacteriano Aprimorado de Nanoestruturas de Óxido de Estanho Recocidas: Estudo de Docking Molecular

Introdução

Propriedades excepcionais e uma ampla gama de aplicações tecnológicas associadas a óxidos metálicos convencionais forneceram o ímpeto para explorar esses materiais em sua forma nanoestruturada. Entre estes, óxido de estanho (SnO₂) é considerado um óxido metálico importante [1] que exibe banda proibida larga de 3,6 eV à temperatura ambiente [2]. É material semicondutor tipo n que tem defeitos intrínsecos na forma de lacunas de oxigênio com átomos de estanho intersticiais que interagem com doadores (portadores tipo n). Um aumento no número de elétrons livres na banda de condução resulta em aumento na condutividade do material [3].

O uso de SnO₂ como catalisador de oxidação, fotocatalisador, sensor de gás e condutor transparente apresenta a base para investigar este material mais [4,5,6,7,8,9]. Tem a capacidade de detectar gases inflamáveis, explosivos e tóxicos [10]. A industrialização levou a um aumento na descarga de poluentes nocivos de ar e água como CO e SO₂ na atmosfera e corantes azo nocivos em águas residuais. Estima-se que aproximadamente 500 toneladas de vários corantes são descarregadas em águas residuais industriais e uma grande parte (~ 80%) delas é da indústria têxtil [11]. Toxinas químicas e combustíveis orgânicos formam parte da poluição do ar enquanto corantes perigosos de corpos d'água afetam os ecossistemas da terra, aumentando assim a importância da tecnologia usada para detectar e prevenir tais poluentes de prejudicar o meio ambiente. Devido às suas propriedades físico-químicas únicas, SnO₂ tem a capacidade de operar a baixas temperaturas. Devido à sua estequiometria inerente não estequiométrica, reduz gases nocivos permitindo fácil adsorção de oxigênio em sua superfície. Além disso, envolve custo menor quando comparado a outros materiais disponíveis para aplicações semelhantes. Também possui transparência óptica substancial e condutividade elétrica, tornando-o adequado para uso em componentes optoeletrônicos [12]. É empregado na fabricação de eletrodos transparentes e células solares para uso em painéis e vários dispositivos eletrocrômicos [13,14,15,16,17].

Para prevenir doenças transmitidas pela água, a remoção de bactérias de águas residuais é importante para sistemas de água potável e saneamento. Entre 2003 e 2005 nos EUA, quatro doenças transmitidas pela água foram relatadas, que se manifestaram a patógenos em água potável afetando cerca de 282 humanos. Técnicas convencionais para desinfecção de corpos d'água dependem de agentes químicos que são menos eficazes contra protozoários formadores de cistos (Giardia e Cryptosporidium). Às vezes, essas técnicas produzem subprodutos nocivos. Nanotecnologia é uma tecnologia de nova geração que pode influenciar a economia mundial via novos produtos de consumo, uso de materiais e métodos de fabricação [18]. Nanoestruturas de óxido metálico depictam propriedades antimicrobianas aprimoradas atribuídas à sua alta relação superfície/volume, estabilidade e biocompatibilidade. Elas têm capacidade única de penetrar através da estrutura da membrana celular e destruir partes celulares de bactérias [19].

Dois óxidos de estanho básicos são mais estudados, como SnO e SnO₂, e a existência desses óxidos é atribuída a graus de valência duplos do Sn (com oxidação) +2 e +4. Esses dois óxidos também são chamados de materiais semicondutores de banda proibida larga com estrutura PbO para óxido de estanho e rede tetragonal (estrutura rutilo) para SnO₂ [20]. Possui energia de banda proibida larga de 3,6 a 4,0 eV, material semicondutor tipo n e mais de 85% transparência [21]. SnO é material tipo p com banda proibida variando de 2,7 a 3,4 eV, mas banda proibida experimentalmente atingida pode chegar a 3,6 eV. Além disso, propriedades estruturais, ópticas e eletrônicas de óxido de estanho indicam que incremento na pressão leva a formação ortorrômbica não estrutural de SnO e transmitância em regiões UV-visível e infravermelho próximo. O aumento na temperatura também resulta estrutura ortorrômbica de SnO e formação de SnO₂ tetragonal. Então, aumento na pressão ou temperatura desloca a borda de absorção e aumenta energias de banda proibida. SnO policristalino fabricado pode ser convertido em fase SnO₂ aumentando temperatura de 400 a 700 °C [22]. Devido ao ajuste na banda proibida, óxidos de estanho têm sido usados na indústria eletrônica.

Materiais SnO e SnO₂ também têm sido usados em baterias de íon-lítio [23,24,25]. A literatura relatada demonstra que desempenho eletroquímico de nanomateriais pode ser melhorado controlando seu tamanho [26]. Kida et al. relataram que diminuição no tamanho de partícula causou aumento na resposta do sensor para detecção de H₂; no entanto, a resposta a H₂S e CO aumentou com aumento do tamanho de partícula [27]. Vários métodos para produzir SnO₂ foram relatados na literatura. Merlin [28] sintetizou suas nanopartículas com faixa de tamanho de 20–30 nm via síntese verde usando extrato de planta ethanolic-stevia rebaudiana que atuou como agente de cappagem e redutor. Janardhan et al. [29] prepararam nanopartículas de SnO com tamanho médio de 50 nm usando HCl diluído e SnCl₂·2H₂O. Selvakumari et al. [30] fabricaram partículas de SnO₂ com tamanho de cristal médio de 13–40 nm usando membrana de casca de ovo de galinha.

Geralmente, nanomateriais podem ser sintetizados empregando vários métodos incluindo redução eletroquímica [31], sol-gel [32], hidrotérmico [33] e co-precipitação [34]. No presente trabalho, o método de precipitação foi preferido já que constitui uma técnica conveniente e custo-efetiva para sintetizar nanoestruturas. O objetivo deste estudo foi observar o efeito de várias temperaturas (250, 500 e 750 °C) usadas durante síntese no tamanho de cristalito, morfologia e energia de banda proibida de materiais não estruturais preparados. Além disso, o comportamento fotocatalítico do produto sintetizado foi estudado empregando-o para degradação de corante azul de metileno que é um poluente comumente encontrado na indústria mundial. Previsões de docking molecular in silico foram realizadas para desvendar mecanismo envolvido na atividade bactericida de SnO₂ contra β-lactamase pertencente à via biossintética de parede celular e girase de DNA de via biossintética de ácido nucleico de E. coli e S. aureus.

Métodos

O estudo atual visou sintetizar nanopartículas de SnO₂ por um processo de precipitação fácil e simples e recozidas a várias temperaturas. SnO₂ recozido foi usado para remover poluentes orgânicos de águas residuais e potencial antibacteriano.

Químicos

Cloreto de estanho(II) di-hidratado (SnCl₂·2H₂O) e etanol de grau analítico foram adquiridos diretamente da Sigma-Aldrich (Alemanha). Hidróxido de sódio (NaOH) e azul de metileno (MB) foram adquiridos da Merk (Alemanha) e BDH (Reino Unido), respectivamente. Água destilada foi comprada no mercado local para fabricar nanoestruturas de óxido de estanho. A estrutura química do poluente (ou seja, corante MB) usado neste estudo é representada na Fig. 1.

Preparação de Nanoestruturas de Óxido de Estanho

Neste estudo, químicos comerciais de grau analítico com alta pureza foram usados para preparar nanomaterial de óxido de estanho usando procedimento de precipitação (veja Fig. 2). Soluções aquosas de SnCl₂·2H₂O (19 g) e NaOH (8 g) foram preparadas em 50 mL de água destilada separadamente. Solução aquosa de NaOH foi despejada gota a gota em solução de SnCl₂.2H₂O (~ 10 gotas/min) sob agitação constante a 70 °C usando balão de 400 mL. Precipitados brancos apareceram na adição gota a gota da solução. O produto atingido foi lavado várias vezes usando água destilada e etanol com máquina de centrífuga. Material obtido foi seco adicionalmente à temperatura ambiente por 48 h para remover conteúdo de água. Finalmente, produto sólido seco foi moído em forma de pó fino usando almofariz e pilão. Três amostras foram recozidas em forno mufla a várias temperaturas (250, 500 e 750 °C) por três horas com taxa de aquecimento 0,5 °C/min [35].

Processo de Atividade Fotocatalítica

O potencial de fotoatividade de amostras de óxido de estanho recozidas foi avaliado monitorando fotodegradação de solução aquosa de MB sob fonte de luz; mecanismo ilustrado na Fig. 3 [36,37,38]. Para cada experimento de fotoatividade, massa conhecida de nanomaterial (10 mg) foi adicionada em 60 mL de solução aquosa de corante (10 mg/L). Antes da exposição à luz, suspensão foi agitada magneticamente no escuro por 5 min [38] para obter equilíbrio de adsorção/dessorção do corante na superfície do fotocatalisador. A solução de suspensão foi irradiada por 80 min com lâmpada de mercúrio (400 W e λ = 400–700 nm) sob agitação (220 rpm). Amostras de MB de ~ 5 mL foram retiradas da solução de teste para monitorar quantidade residual de MB usando espectrofotômetro UV–Vis variando 300–750 nm. Variação no comprimento de onda de absorção máxima de MB (~ 665 nm) para tempo de radiação foi registrada para estudar fotodegradação de corante MB. As atividades dos produtos sintetizados foram avaliadas calculando % de degradação do corante usando a seguinte relação:

$$\hbox{Degradation}\, \% = [{({C}}_{0}-{C})/{{C}}_{0}]\times 100$$ (1)

onde C₀ denota concentração inicial de MB e C apresenta concentração após irradiação. Sem fotocatalisador, experimento controle também foi realizado sob as mesmas condições. Para examinar reutilização de nanomateriais, solução de MB degradada foi centrifugada (6000 rpm/min) por 10 min para recuperar fotocatalisador. Posteriormente, produto recuperado foi seco a 80 °C (2 h) para reutilizá-lo em experimentos de degradação de MB. Para testar durabilidade do catalisador, experimentos de fotoatividade de reciclagem foram realizados até quatro ciclos. Após cada ciclo, produto foi centrifugado, seco e usado para próximo experimento de foto.

Atividade Antimicrobiana

Ação antibacteriana in vitro de SnO fabricado a vários tratamentos de temperatura foi valorada contra bactérias patogênicas mais prevalentes E. coli e S. aureus isoladas de mastite caprina usando ensaio de difusão em poço. Pratos de Petri contendo crescimento bacteriano ativado (padrão 0,5 Mc-Farland) em ágar MacConkey solidificado e ágar sal manitol foram incubados a 37 °C após preparo de poço de 6 mm de diâmetro usando perfurador de cortiça estéril. Diferentes concentrações de nanoestruturas sintetizadas (500 e 1000 μg/50 μl) foram aplicadas como dose baixa e alta comparadas com ciprofloxacina (5 μg/50 μl) e ADI (50 μl) como controle positivo e negativo, respectivamente. Os pratos de Petri incubados durante a noite a 37 °C declararam zonas de inibição (mm) que foram medidas usando paquímetro. A atividade antibacteriana medida em termos de zonas de inibição (mm) foi declarada estatisticamente significativa usando análise de variância de um sentido (ANOVA) com SPSS 20.0.

Estudos de Docking Molecular

Síntese de parede celular tem sido considerada um alvo efetivo para descoberta de vários antibióticos com diferentes modos de ação, como antibióticos beta-lactam e glicopeptídeos. Antibióticos beta-lactam foram relatados como drogas mais comercializadas e representam tratamento mais comum para infecções bacterianas [39, 40]. Eles inibem biossíntese de parede celular ligando-se com proteína ligadora de penicilina (PBP) e β-lactamases [41]. Similarmente, enzimas (ou seja, girase de DNA) pertencentes à síntese de ácido nucleico também foram consideradas como alvo efetivo para descoberta de antibióticos [42]. Aqui, realizamos estudos de docking molecular de NPs de SnO₂ contra β-lactamase e enzima girase de DNA de ambos E. coli e S. aureus para ter uma visão sobre seu possível modo de ação.

As estruturas 3D-cristalinas de alvos proteicos selecionados pertencentes a E. coli e S. aureus foram obtidas do banco de dados de proteínas com código de acesso: 4KZ9; Res: 1,72 Å [43], 1MWU; Res: 2,6 Å [44] para β-lactamase, enquanto 6KZX; Res: 2,1 Å [45] e 5CTU; Res: 1,45 Å [46] para girase de DNA como mostrado na Fig. 4.

Estudos de docking molecular foram realizados usando software ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [47]. Ferramenta de preparação de receptor do ICM foi utilizada para estrutura proteica envolvendo adição de átomos de hidrogênio polares, remoção de moléculas de água e ligante co-cristalizado. Estruturas proteicas foram otimizadas usando ferramenta de minimização de energia com parâmetros padrão enquanto caixa de grade foi usada para identificar sítio ativo ao redor de ligante cristalizado. Posteriormente, 10 melhores conformações especificando orientação de NPs de SnO₂ dentro do sítio ativo da enzima foram geradas em cada caso. Conformação de menor pontuação de ligação foi selecionada para análise adicional que revelou padrão de ligação e tendência de inibição de NPs fabricadas contra essas enzimas selecionadas.

A estrutura de SnO₂ foi gerada usando ferramenta ligedit do ICM enquanto visualização 3D de conformação acoplada foi gerada através de ICM e discovery studio visualizer [48].

Caracterização de Materiais

Difração de raios X (XRD) BRUKER D2 Phaser variando 2θ = 10°–70° com Cu Kα (λ = 1,540 Å) foi usado para examinar estrutura de rede e recuperar dados sobre constituição de fase. Grupos funcionais dos produtos sintetizados foram avaliados através de espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) PerkinElmer. Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (MEV) JEOL JSM-6610LV junto com detector Oxford XMax EDS com software INCA foi empregado para analisar morfologia e composição elemental de amostras preparadas. Philips CM30 junto com JEOL JEM 2100F microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HR-TEM) foi empregado para registrar SAED, imagens HRTEM e padrões de franjas de rede. As propriedades ópticas de amostras de óxido de estanho preparadas foram registradas de 300 a 800 nm via espectrômetro UV–vis GENESYS-10S.

Resultado e discussão

A Figura 5(a) apresenta espectros de XRD obtidos de amostras de óxido de estanho sintetizadas e recozidas a várias temperaturas. Para análise composicional de fase, radiação CuKα foi empregada enquanto relação Debye–Scherer, \(D = K\lambda /\beta {\mathrm{Cos}}\theta\) onde λ = 1,54 Å e k = 0,9 foi usada para calcular tamanho de cristalito do material. A 250 °C, padrão de XRD mostra picos com valores 2θ de 29,12° (112), 31,60° (020), 33,57° (113), 40,15° (023), 45,54° (024), 51,35° (222) e 64,57° (225) que são todos atribuídos à fase ortorrômbica de SnO (JCPDS: 01–077-2296). Apenas um pico registrado a 26,66° (112) pertence à estrutura ortorrômbica de SnO₂ (JCPDS: 01–078-1063). À medida que as amostras foram recozidas a 500 e 750 °C, os picos de difração relacionados a SnO desapareceram e o produto resultante foi identificado como SnO₂ ortorrômbico com planos cristalográficos 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135) que combinaram bem com arquivo JCPDS No. 01-078-1063 [49]. Os resultados observados de XRD indicam que o material preparado foi primeiro oxidado a SnO a 250 °C. Posteriormente, a 500 °C e acima, transformou-se completamente em SnO₂ [50]. Os resultados também mostram que a cristalinidade das amostras aumentou com o aumento da temperatura. Além disso, padrões SAED obtidos de amostras recozidas a 250 e 750 °C depictaram anéis de pontos brilhantes como ilustrado na Fig. 5b, c, respectivamente. Os padrões analisados com planos de rede (020), (023), (024) e (112) são atribuídos a SnO ortorrômbico (Fig. 5b) e (020), (110), (117) e (135) planos de difração são atribuídos a nanomaterial SnO₂ (Fig. 5c) para amostras recozidas a 250 e 750 °C, respectivamente. A natureza cristalina dos produtos também foi confirmada via imagens SAED que é consistente com observações de XRD.

Espectros FTIR de nanomateriais de óxido de estanho fabricados aquecidos a 250, 500 e 750 °C são apresentados na Fig. 5d. O pico de absorção centrado em cerca de 3580 cm⁻¹ acoplado com banda quase 1602 cm⁻¹ foi atribuído a estiramento/dobramento de grupo O–H e ligação Sn-OH devido ao fato de que óxido de estanho absorve certa quantidade de água da atmosfera ambiente [51]. Pico de baixa absorção variando de 2300 a 2400 cm⁻¹ é atribuído a dióxido de carbono que foi criado nos produtos na exposição à atmosfera [52]. As ligações aparecendo a 1174 cm⁻¹ correspondem a vibrações de vários tipos de grupos hidroxila de superfície enquanto pico a 1401 cm⁻¹ é devido a vibrações de dobramento C–H [53, 54]. Os picos característicos variando a 500–700 cm⁻¹ são atribuídos a vibrações Sn–O de camada de superfície [55]. Um aumento na temperatura de recozimento causa deslocamento para azul nos picos enquanto os picos característicos aparecem fortes e mais intensos. Isso pode ser devido ao processo de recozimento onde átomos de nanomaterial adquirem energia suficiente para mudar posição de átomos de nanopartícula resultando em recristalização [56].

Análise MEV e HRTEM foi realizada para coletar informação detalhada de morfologia e nanoestrutura de produtos fabricados. Imagens HRTEM de óxido de estanho recozido a 250, 500 e 750 °C foram registradas, como representado na Fig. 6a–c. As imagens fornecem evidência para formação de aglomeração dentro de nanopartículas com forma quase esférica e distribuição aleatória de tamanho de partícula (veja Fig. 6a, c). Na Fig. 6b, partículas de grande tamanho, ligeiramente transparentes e monodispersas com pouca aglomeração poderiam ser observadas. Mesmo comportamento de distribuição de partículas pode ser observado de imagens inset em alta ampliação. A mudança nítida no comportamento morfológico a 500 °C é notável. Essa temperatura pode ser uma característica durante o processo de oxidação [22]. Além disso, Fig. 6d–f exibe micrografias HRTEM obtidas de amostra recozida a 250, 500 e 750 °C, respectivamente, para detectar distância interplanar. Em cristalitos, espaçamento de franjas de rede é ~ 0,225 nm como representado em imagem de perfil IFFT inset na Fig. 6d que corresponde a plano de difração (023) de fase ortorrômbica de SnO (JCPDS: 01-077-2296). O espaçamento d calculado de franjas de rede em amostras tratadas a 500 e 750 °C é cerca de 0,364 e 0,367 nm, que são atribuídos a plano (110) de estrutura ortorrômbica SnO₂ de acordo com JCPDS NO. 01-078-1063. Esses resultados estão em bom acordo com achados de XRD [49, 57, 58]. Imagens IFFT fornecidas mostram claramente aumento no espaçamento d com aumento da temperatura.

Imagens MEV de óxido de estanho recozido a 250 (Fig. 7a) e 750 °C (Fig. 7b) depictam variação na forma e tamanho de estruturas de rede como forma não uniforme ou aleatória de partículas com grãos individuais grandes e pequenos junto com aglomeração. Figura 7b mostra micrografia MEV da amostra recozida a 750 °C que significa pequenas partículas aglomeradas e uma estrutura bem crescida em comparação com a amostra recozida a baixa temperatura com distribuição aleatória de partículas. Aglomeração de partículas resulta em redução de energia livre de superfície devido a aumento em seu tamanho resultando em diminuição em sua área de superfície. Aglomeração de nanopartículas é devida a adesão de partículas umas às outras por forças fracas levando a entidades de (sub) mícron. [59].

A composição de óxido de estanho fabricado recozido a 750 °C foi analisada com técnica EDX como representado na Fig. 7c. Espectros da amostra exibiram claramente a presença de Sn, O e C com % em peso de 53,7, 42,2 e 4,0%, respectivamente. Nenhum constituinte impuro estava presente no produto o que sugeriu alta pureza de nanomaterial SnO₂ enquanto conteúdo de C pode originar de abas de carbono usadas para segurar amostras.

Uma técnica de espectroscopia de absorção não destrutiva foi usada para estudar propriedades ópticas de nanomateriais condutores e semicondutores. Espectros de absorção obtidos de óxido de estanho recozido a várias temperaturas são ilustrados na Fig. 8a. Vários fatores afetam absorbância esperada como deficiência de oxigênio, banda proibida de energia, natureza de impureza e rugosidade de superfície. Espectros obtidos de óxido de estanho recozido exibiram corte ultra-violeta a 300–365 nm [60], que pode ser devido a foto-excitação de elétrons de banda de valência para banda de condução. Os espectros de absorção diminuíram ligeiramente entre 300 e 365 nm com aumento da temperatura como mostrado na Fig. 8a. Para calcular banda proibida, relação de Tauc \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\) onde α significa coeficiente de absorção, A representa constante enquanto n = 1/2 para banda proibida direta. Uma extrapolação de \({(\alpha h\nu )}^{2}\) versus hν gráfico fornece valor de banda proibida óptica E_g (Fig. 8b). Energias de banda medidas foram 3,51, 3,32 e 3,71 eV para amostras recozidas a 250, 500 e 750 °C, respectivamente [61, 62]. A banda proibida de produtos é consistente com valores relatados na literatura [61]. No geral, à medida que a temperatura aumenta, os átomos de nanopartículas atingem mais energia para mudar sua posição para recristalização o que altera sua morfologia e reduz tamanho de grão (pode ser analisado de dados HRTEM). À medida que tamanho de partícula diminui, valor de banda proibida aumenta o que é atribuído a efeito normal de confinamento quântico. Tendência similar foi observada por Malik et al. [63]. A menor banda proibida exibida por nanomaterial recozido a 500 °C foi atribuída a nanoestruturas únicas ou sintetização amorfa de óxido de estanho policristalino e geração de lacunas de oxigênio que produzem deslocamento para vermelho. Modelo de Tauc afirma que semicondutores amorfos ou desordenados de superfície têm estados de cauda de banda localizados com menor energia de banda [64].

A fotoatividade de produtos de óxido de estanho recozidos a várias temperaturas foi examinada empreendendo fotodegradação de corante MB sob irradiação de luz (Fig. 9). Variação na absorção óptica de solução MB a λ_max = 665 nm durante sua foto-decomposição é representada na Fig. 9a. Adição de amostras fabricadas produz diminuição na banda de absorção de MB com tempo. O máximo desempenho fotocatalítico foi exibido pela amostra recozida a 500 °C (E_g = 3,32 eV) que é atribuído a morfologia específica e baixa taxa de recombinação elétron-buraco. Observamos 86,0, 92,4 e 71,6% de degradação de MB por fotocatalisadores de óxido de estanho preparados por recozimento a 250, 500 e 750 °C em 80 min, respectivamente (Fig. 9b). A fotoatividade de materiais semicondutores também é relacionada à sua energia de banda proibida que influencia o potencial redox de par elétron-buraco fotogerado durante processo de degradação de MB. Entre três amostras testadas aqui, fotocatalisador recozido a 500 °C apresentou a menor energia de banda proibida (3,32 eV) enquanto % de degradação consideravelmente aprimorada exibida por este produto foi creditada à sua estrutura única e alto grau de aglomeração como representado na Fig. 9b. Uma degradação de corante pseudo-primeira ordem é ilustrada usando ln (C_o/C) vs. tempo de irradiação gráfico: ln (C_o/C) = kt como exibido na Fig. 9c onde k denota constante de taxa, C_o e C significa concentração inicial e final de corante (MB), respectivamente [63, 65,66,67]. O valor de k usando nanomaterial preparado a 500 °C foi 0,59 min⁻¹ e diminuição significativa em amostras sintetizadas a 250 e 750 °C foi observada em cerca de 0,50 e 0,31 min⁻¹, respectivamente (Fig. 9d).

Para tratamento de água poluída, fotocatalisadores requerem exibir estabilidade e reutilização por longos períodos para tornar o processo economicamente viável. No presente estudo, quatro ciclos de testes foram realizados para remover MB usando fotocatalisadores de óxido de estanho fabricados para determinar sua estabilidade. A observação de quatro ciclos consecutivos de degradação de corante são apresentados na Fig. 10a, b. Nanomaterial recozido a 500 °C representou uma ligeira diminuição em foto-decomposição de MB após quatro ciclos (6% de diminuição). Os resultados de remoção de contaminantes da água relatados neste estudo são comparáveis com aqueles relatados por Prakash et al. [65].

Nanoestruturas de SnO fabricadas a vários tratamentos de temperatura in vitro atividade antibacteriana medida em termos de zonas de inibição (mm) junto com eficácia comparativa % são mostradas na Fig. 11a–d e Tabela 1. Os gráficos apresentam proporção direta entre concentração de nanoestruturas e zonas de inibição formadas. Zonas de inibição significativas registradas para amostras SnO (250, 500 e 750 °C) para E. coli e S. aureus variaram entre 2,85–3,5 mm, 3,35–3,75 mm e 3,25–4,75 mm e 4,55–5,35 mm em concentrações baixa e alta, respectivamente, Fig. 11a, b e Tabela 1. A eficácia % de nanomateriais sintetizados aumentou de 67,0–82,3 a 78,8–88,2% para E. coli e similarmente, 45,4–66,4% e 63,6–74,8% para S. aureus, respectivamente, Fig. 11c, d. Todos os resultados medidos foram comparados com ADI (0 mm). Controle positivo representou 4,25 mm e 7,15 mm zonas de inibição para E. coli e S. aureus, respectivamente, Fig. 11a, b. No geral, nanoestruturas de SnO₂ otimizadas a 500 °C foram mais potentes em ambas as concentrações e, mais amplamente, SnO₂ foi mais potente contra E. coli gram-negativo (G –ve) comparado com S. aureus gram-positivo (G +ve).

Tamanho, concentração e morfologia de nanoestruturas afetam diretamente estresse oxidativo produzido. Atividade antibacteriana imperando tamanho e concentração retrata relação inversa ao tamanho [68,69,70]. Nanoestruturas produzem mais eficientemente espécies reativas de oxigênio (ROS) que existem na membrana bacteriana resultando em extrusão de organelas celulares e morte bacteriana [71]. SnO₂ gera mais eficientemente ROS incluindo peróxido de hidrogênio (H₂O₂), grupos OH e íons superóxido [72]. A eficácia antibacteriana aumentada de SnO fabricado a vários tratamentos de temperatura para E. coli comparado a S. aureus poderia ser atribuída a diferença nas estruturas de parede celular de bactérias. Parede celular de bactérias G –ve consiste em camada fina de peptidoglicano com membrana externa contendo proteínas e fosfolipídios enquanto parede celular G +ve contém camada espessa de peptidoglicano com ácidos lipoteicoico e teicoico. Essa grande diferença na estrutura de parede celular de ambas bactérias leva a eficácia máxima de nanoestruturas fabricadas para G −ve comparado a G +ve bactérias [18].

Resistência adquirida por patógenos microbianos contra vários fármacos antibióticos especialmente multirresistência representam enorme ameaça à saúde pública ao redor do globo e há necessidade urgente de mais fármacos antibióticos com novo modo de ação [73]. Antibióticos pertencentes a várias classes seguem diferentes mecanismos para sua atividade e visam vias vitais para sobrevivência bacteriana. Por exemplo, antibióticos beta-lactam como penicilina visam enzimas envolvidas na síntese de peptidoglicano (ou seja, precursor importante para síntese de parede celular) [74] enquanto Rifampicina, um antibiótico bem conhecido, visa enzima pertencente a vias biossintéticas de ácido nucleico [42] sugerindo importância de ambas vias biossintéticas de parede celular e ácido nucleico como alvo para descoberta de novos antibióticos [75]. Embora atividade bactericida de várias nanopartículas tenha sido relatada anteriormente nos últimos anos, ainda o mecanismo exato de sua ação não é conhecido [76, 77]. Tendo em vista boa atividade antibacteriana de SnO₂ contra E. coli e S. aureus, realizamos estudos de docking molecular para identificar seu possível mecanismo de ação contra enzimas β-lactamase e girase de DNA como alvo potencial.

No caso de β-lactamase de E. coli, a melhor pontuação de ligação observada foi − 5,71 kcal/mol mostrando interação de ligação H com Lys239 (1,80 Å) e Gly235 (1,66 Å) junto com interação de contato metálico com Gln35 como mostrado na Fig. 12a, b. Similarmente, a melhor pontuação de ligação obtida para girase de DNA de E. coli foi − 9,57 kcal/mol tendo interação de ligação H com Thr163 (1,46 Å), Gly77 (1,43 Å) e Glu50 (3,36 Å) junto com interação de contato metálico com Gly75 como representado na Fig. 12c, d.

A melhor pontuação de ligação obtida para β-lactamase de S. aureus foi − 11,83 kcal/mol. Os padrões de ligação de SnO₂ dentro do sítio ativo envolveram interação de ligação H com Ser400 (2,16 Å), Gly522 (1,99 Å) e Ileu524 (1,90 Å). Além disso, interação de contato metálico foi observada entre SnO₂ e Gln521 como representado na Fig. 13a, b. Para girase de DNA de S. aureus, a melhor conformação obtida mostrou interação de ligação H com Gly85 (2,55 Å) e Thr173 (1,54 Å) tendo pontuação de ligação − 8,61 kcal/mol (Fig. 13c, d).

Conclusão

Em resumo, nanopartículas de óxido de estanho recozidas a várias temperaturas foram sintetizadas por um processo de precipitação fácil e simples. Recozimento de amostras a 250 °C durante síntese produziu predominantemente SnO ortorrômbico que se transformou em SnO₂ a 500 e 750 °C. As análises de XRD e HRTEM revelaram que nanopartículas possuíam estrutura ortorrômbica enquanto tamanho de partícula aumentou inicialmente com aumento de temperatura a 500 °C seguido por diminuição a 750 °C. Grande tamanho de partícula a 500 °C foi atribuído a estrutura única exibida pela amostra recozida a essa temperatura. Nanoestruturas fabricadas demonstraram comportamento bem cristalizado junto com aglomeração. Fotoatividade de nanomateriais de óxido de estanho recozidos foi avaliada decompondo corante MB que foi usado como contaminante orgânico modelo e uma comparação entre amostras recozidas foi realizada. Produto sintetizado a 500 °C exibiu 6% maior atividade comparado a amostra recozida a 250 °C durante degradação de MB. Máxima degradação de MB atingida neste estudo foi 92% após 80 min de tempo de irradiação pela amostra de 500 °C. Sugere-se que radicais (*OH¹⁻ e *O₂⁻) e buracos são entidades ativas principais no processo de fotocatálise. Previsões in silico estão em bom acordo com atividade bactericida in vitro de NPs de SnO₂. Estudos de docking molecular de NPs de SnO₂ contra enzimas selecionadas, ou seja, beta lactamase e girase de DNA, sugeriram sua tendência a impedir atividade dessas enzimas que precisam ser mais exploradas e confirmadas através de estudos de ensaio de inibição enzimática.