Grafeneoxide-zilvernanodeeltje nanocomposieten: een krachtig antibacteriële en antifungale middelen

Samenvatting

Oppervlaktemodificaties met biocide nanodeeltjes bieden een veelbelovende strategie tegen multidrug-resistente pathogenen. We rapporteren een grafeneoxide (GO) nanocomposiet gedecoreerd met zilvernanodeeltjes (Ag-NPs) dat superieure antibacteriële en antifungale activiteit vertoont vergeleken met elk component apart. Met ultrasonische coating werden polyurethaan-folies gefunctionaliseerd met GO, Ag-NPs of een GO-Ag hybride. Effectiviteit tegen Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis en Candida albicans werd beoordeeld via celmorfologie, PrestoBlue vitaliteit, lactaatdehydrogenase (LDH) lekkage en reactieve zuurstofsoorten (ROS) productie. Het GO-Ag composiet bereikte >88 % remming van alle stammen, aanzienlijk beter presterend dan GO of Ag-NPs alleen.

Achtergrond

Terwijl antibiotica historisch bacteriële infecties onder controle hielden, heeft hun misbruik de opkomst van multidrug-resistente organismen versneld zoals methicilline-resistente S. aureus en extended-spectrum β-lactamase-producerende E. coli [1–3]. Resistentie verspreidt zich via horizontale gentransfer, wat de urgente behoefte aan nieuwe antimicrobiële middelen benadrukt. Nanodeeltjes (NPs) bezitten veelzijdige mechanismen – membraanstoring, metaalionvrijgave, ROS-generatie – die collectief resistentieontwikkeling hinderen [4–8]. Onder hen hebben zilver NPs (Ag-NPs) activiteit getoond tegen >650 micro-organismen, maar hun aggregatie beperkt oppervlakte en potentie [9–11]. Grafeneoxide (GO), een geoxideerd, wateroplosbaar koolstofallotroop rijk aan geoxideerde functionele groepen, kan dienen als stabiel steun voor Ag-NPs, potentiële dispersie en interactie met microbiele membranen verbeterend [12–14]. De huidige studie evalueert de antimicrobiële prestatie en mechanistische basis van een GO-Ag nanocomposiet tegen representatieve gram-positieve, gram-negatieve en schimmellijke pathogenen.

Methoden

Synthese en karakterisering van grafeneoxide

Commercieel graviet (Acros Organics) werd geoxideerd via een gemodificeerd Hummers-protocol [15]. Röntgendiffractie (XRD), Raman-spectroscopie, Fourier-transformatie infrarood (FT-IR) analyse en dynamische lichtverstrooiing (DLS) leverden structurele, compositiewaarden en groottedata. Zetapotentiaalmetingen beoordeelden colloïdale stabiliteit.

Bereiding van nanocomposiet-gecoate folies

Polyurethaan-folies (15 × 15 × 0,05 mm) werden gedoopt in waterige suspensies van GO (200 µg/mL), Ag-NPs (100 µg/mL; HydroSilver1000) of een 1:1 mengsel. Ultrasonische coating (20 kHz, 60 % vermogen) gedurende 10 min leverde uniforme lagen. Oppervlaktemorfologie werd onderzocht met SEM, TEM en atoomkrachtmicroscopie (AFM). Oppervlakte-vrije energie (SFE) berekend via de Owens-Wendt-methode met water en diiodomethaan als sondes.

Microbiële culturen en antimicrobiële assays

Klinische stammen E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), S. epidermidis (ATCC 14990) en C. albicans (90028) werden gekweekt tot mid-log-fase, daarna toegepast op folies (10⁶ CFU/mL) op Mueller-Hinton-agar. Na 24 u bij 37 °C, quantificeerde kolonie-aantallen groeiremming.

Celvitaliteit, membraanintegriteit en ROS-beoordeling

PrestoBlue™-assays maatten metabolische activiteit; LDH-lekkage kwantificeerde membraanstoring; DCFDA-fluorescentie detecteerde intracellulaire ROS. Alle experimenten werden in drievoud uitgevoerd.

Resultaten

Fysicochemische eigenschappen van GO en Ag-NPs

GO vertoonde een sterk verstoord rooster (I_D/I_G = 1,15) en veel zuurstofdragende groepen (C=O, C–OH, C–O–C). Ag-NPs gemiddeld 80 nm in suspensie, toenemend tot ~218 nm na ultrasonificatie door poly(vinylalcohol) interactie. Het GO-Ag mengsel toonde een negatieve zetapotentiaal (~–7 mV), wat matige colloïdale stabiliteit aangeeft.

Oppervlaktemorfologie en -energie

SEM onthulde dat GO een continu, vlakkige coating vormde; Ag-NPs produceerden een granulair rooster; het GO-Ag composiet vertoonde beide kenmerken. AFM bevestigde GO-flakes gehecht aan het polymer-substraat. GO-gecoate folies verhoogden polaire SFE van 2,3 ± 0,6 tot 68,9 ± 2,8 mJ/m², terwijl Ag-NP en GO-Ag coatings SFE niet significant veranderden.

Antimicrobiële effectiviteit

Na 24 u blootstelling remden GO-Ag folies groei met 88,6 % (E. coli), 79,6 % (S. aureus), 76,5 % (S. epidermidis) en 77,5 % (C. albicans). GO of Ag-NP coatings alleen leverden <20 % remming. SEM van behandelde cellen toonde duidelijke membraandeformatie en verminderde koloniegrootte.

Membraanintegriteit en ROS-generatie

LDH-lekkage was hoogst voor GO-Ag (66,3 % voor E. coli; 59,4 % voor S. aureus; 54,8 % voor S. epidermidis; 48,5 % voor C. albicans), wat uitgebreide membraanschade aangeeft. ROS-niveaus stegen merkbaar voor GO-Ag en Ag-NP folies (p < 0,05), terwijl GO alleen matig ROS verhoogde in C. albicans.

Discussie

Onze bevindingen bevestigen dat het decoreren van GO met Ag-NPs een synergistisch antimicrobieel effect produceert. De dubbele mechanismen – fysieke storings door GO-randen en chemische aanval door Ag-NPs/Ag⁺ ionen – resulteren in snelle membraanpermeabilisatie en oxidatieve stress, overweldigend microbiele verdedigingssystemen [16–18]. De superieure effectiviteit tegen gram-negatieve bacteriën kan het dunne peptidoglycaanlaagje weerspiegelen, wat NP-toegang vergemakkelijkt, terwijl gram-positieve stammen gedeeltelijke resistentie vertonen door een dikker celwand. Het GO-Ag nanocomposiet's vermogen om dispersie te behouden onder ultrasonische behandeling adresseert de aggregatielimitatie van blote Ag-NPs, wat bioactieve oppervlakte behoudt.

Conclusies

GO-Ag nanocomposieten demonstreren krachtige, breed-spectrum antimicrobiële activiteit, uitstekend GO of Ag-NPs alleen. Hun mechanismen omvatten membraanstoring en ROS-geïnduceerde oxidatieve schade. Deze materialen zijn veelbelovend voor toepassing in medische textielen, wondverbanden en oppervlaktecoatings waar multidrug-resistente pathogenen een dreiging vormen.

Afkortingen

AFM

Atoomkrachtmicroscopie

Ag-NPs

Zilvernanodeeltjes

DLS

Dynamische lichtverstrooiing

GO

Grafeneoxide

GO-Ag

Grafeneoxide gedecoreerd met zilvernanodeeltjes

LDE

Laser Doppler elektroforese

LDH

Lactaatdehydrogenase

ROS

Reactive zuurstofsoorten

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

XRD

Röntgendiffractie