Графиновый оксид–серебряные наночастицы нанокомпозиты: мощный антибактериальный и антигрибковый агент

Аннотация

Поверхностно-модифицированные материалы с биоцидными наночастицами предлагают перспективную стратегию против мультирезистентных патогенов. Мы сообщаем о графиновом оксиде (GO) нанокомпозите, декорированном серебряными наночастицами (Ag-NPs), который демонстрирует превосходную антибактериальную и антигрибковую активность по сравнению с каждым компонентом отдельно. Используя ультразвуковое покрытие, полиуретановые фольги функционализировали GO, Ag-NPs или GO-Ag гибрид. Эффективность против Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis и Candida albicans оценивалась через клеточную морфологию, PrestoBlue жизнеспособность, лактатдегидрогеназу (LDH) утечку и реактивные формы кислорода (ROS) продукцию. GO-Ag композит достиг >88% ингибирования всех штаммов, заметно превосходя GO или Ag-NPs в одиночку.

Введение

Пока антибиотики исторически сдерживали бактериальные инфекции, их неправильное использование ускорило появление мультирезистентных организмов таких как метициллин-резистентный S. aureus и расширенный-спектр β-лактаминозы-продуцирующий E. coli [1–3]. Резистентность распространяется через горизонтальный генный трансфер, подчеркивая срочную потребность в новых антимикробных средствах. Наночастицы (NPs) обладают многогранными механизмами — разрушение мембран, металло-ионный выпуск, ROS генерация — которые коллективно препятствуют развитию резистентности [4–8]. Среди них серебряные NPs (Ag-NPs) демонстрировали активность против >650 микробов, но их агрегация ограничивает площадь поверхности и потенцию [9–11]. Графиновый оксид (GO), окисленный, водорастворимый углеродный аллотроп, богатый кислородсодержащими функциональными группами, может служить стабильным каркасом для Ag-NPs, потенциально улучшая дисперсию и взаимодействие с микробными мембранами [12–14]. Настоящее исследование оценивает антимикробную производительность и механистическую основу GO-Ag нанокомпозита против репрезентативных грам-позитивных, грам-негативных и грибковых патогенов.

Методы

Синтез и характеризация графинового оксида

Коммерческий графит (Acros Organics) окисляли через модифицированный Хаммерс протокол [15]. Рентгеновская дифракция (XRD), рамановская спектроскопия, Фурье-преобразование инфракрасного (FT-IR) анализа и динамическое рассеяние света (DLS) предоставляли структурные, композиционные и размерные данные. Зета-потенциал измерения оценивали коллоидную стабильность.

Подготовка нанокомпозит-покрытых фольг

Полиуретановые фольги (15 × 15 × 0,05 мм) погружали в водные суспензии GO (200 мкг/мл), Ag-NPs (100 мкг/мл; HydroSilver1000) или 1:1 смесь. Ультразвуковое покрытие (20 кГц, 60% мощности) на 10 мин давало равномерные слои. Поверхностная морфология изучалась СЭМ, ТЭМ и атомно-силовой микроскопией (AFM). Поверхностная свободная энергия (SFE) рассчитывалась методом Оуэнса-Вендта с водой и дийодметаном пробы.

Микробные культуры и антимикробные анализы

Клинические штаммы E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), S. epidermidis (ATCC 14990) и C. albicans (90028) выращивали до средней лог-файзы, затем наносили на фольги (10⁶ КОЕ/мл) на Мюллер-Хинтон агаре. После 24 ч при 37 °C количества колоний квантифицировали ингибирование роста.

Клеточная жизнеспособность, мембранная целостность и ROS оценка

PrestoBlue™ анализы измеряли метаболическую активность; LDH утечка квантифицировала мембранное разрушение; DCFDA флуоресценция детектировала внутриклеточные ROS. Все эксперименты выполнялись в триплите.

Результаты

Физико-химические свойства GO и Ag-NP

GO демонстрировал высоко дезорганизованную решетку (I_D/I_G = 1,15) и обилные кислородсодержащие группы (C=O, C–OH, C–O–C). Ag-NPs в среднем 80 нм в суспензии, увеличиваясь до ~218 нм после ультразвука из-за поли(винил спирта) взаимодействия. GO-Ag смесь показывала отрицательный дзета-потенциал (~–7 мВ), указывая на умеренную коллоидную стабильность.

Поверхностная морфология и энергия

СЭМ раскрыл, что GO сформировал непрерывное, хлопьевидное покрытие; Ag-NPs дали гранулярную сетку; GO-Ag композит показал обе особенности. AFM подтвердил прикрепление GO хлопьев к полимерной подложке. GO-покрытые фольги увеличили полярную SFE от 2,3 ± 0,6 до 68,9 ± 2,8 мДж/м², тогда как Ag-NP и GO-Ag покрытия незначительно не меняли SFE.

Антимикробная эффективность

После 24 ч экспозиции GO-Ag фольги ингибировали рост на 88,6% (E. coli), 79,6% (S. aureus), 76,5% (S. epidermidis) и 77,5% (C. albicans). GO или Ag-NP покрытия в одиночку давали <20% ингибирования. СЭМ обработанных клеток показывал выраженную мембранную деформацию и уменьшенный размер колоний.

Мембранная целостность и ROS генерация

LDH утечка была максимальной для GO-Ag (66,3% для E. coli; 59,4% для S. aureus; 54,8% для S. epidermidis; 48,5% для C. albicans), указывая на обширное мембранное повреждение. ROS уровни выраженно увеличились для GO-Ag и Ag-NP фольг (p < 0,05), в то время как GO один слегка повышал ROS в C. albicans.

Обсуждение

Наши выводы подтверждают, что декорирование GO Ag-NPs производит синергетический антимикробный эффект. Двойные механизмы — физическое разрушение GO краями и химическая атака Ag-NPs/Ag⁺ ионами — приводят к быстрой мембранной проницаемости и окислительному стрессу, перегрузяющим микробные системы защиты [16–18]. Превосходная эффективность против грам-негативных бактерий может отражать более тонкий пептидогликановый слой, облегчающий доступ NP, тогда как грам-позитивные штаммы показывают частичную резистентность из-за более толстой клеточной стенки. Способность GO-Ag нанокомпозита сохранять дисперсию под ультразвуковой обработкой решает проблему агрегации голых Ag-NPs, сохраняя биоактивную площадь поверхности.

Заключение

GO-Ag нанокомпозиты демонстрируют мощную, широкоспектральную антимикробную активность, превосходя GO или Ag-NPs в одиночку. Их механизм включает мембранное разрушение и ROS-индуцированное окислительное повреждение. Эти материалы перспективны для применения в медицинских текстилях, раневых перевязках и поверхностных покрытиях, где мультирезистентные патогены представляют угрозу.

Аббревиатуры

AFM

Атомно-силовая микроскопия

Ag-NPs

Серебряные наночастицы

DLS

Динамическое рассеяние света

GO

Графиновый оксид

GO-Ag

Графиновый оксид, декорированный серебряными наночастицами

LDE

Лазерный допплеровский электрофорез

LDH

Лактатдегидрогеназа

ROS

Реактивные формы кислорода

SEM

Сканирующая электронная микроскопия

XRD

Рентгеновская дифракция