Nanocompuestos Óxido Grafeno-Nanopartículas Plata: Potente Agente Antibacteriano y Antifúngico

Resumen

Materiales modificados superficialmente con nanopartículas biocidas ofrecen estrategia prometedora contra patógenos multirresistentes. Reportamos nanocompuesto óxido grafeno (GO) decorado con nanopartículas plata (Ag-NPs) que exhibe actividad antibacteriana y antifúngica superior comparado con cada componente solo. Usando recubrimiento ultrasónico, láminas poliuretano se funcionalizaron con GO, Ag-NPs o híbrido GO-Ag. Eficacia contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis y Candida albicans se evaluó vía morfología celular, viabilidad PrestoBlue, fuga lactato deshidrogenasa (LDH) y producción especies reactivas oxígeno (ROS). El compuesto GO-Ag logró >88% inhibición todas cepas, superando marcadamente GO o Ag-NPs solos.

Antecedentes

Mientras antibióticos históricamente frenaron infecciones bacterianas, su mal uso aceleró surgimiento organismos multirresistentes como S. aureus resistente meticilina y E. coli productora β-lactamasa espectro extendido [1–3]. Resistencia se propaga mediante transferencia génica horizontal, subrayando necesidad urgente nuevos antimicrobianos. Nanopartículas (NPs) poseen mecanismos multifacéticos —disrupción membrana, liberación iones metálicos, generación ROS— que colectivamente obstaculizan desarrollo resistencia [4–8]. Entre ellas, NPs plata (Ag-NPs) han demostrado actividad contra >650 microbios, sin embargo su agregación limita área superficial y potencia [9–11]. Óxido grafeno (GO), alótropo carbono oxidado, soluble agua, rico en grupos funcionales oxigenados, puede servir andamiaje estable para Ag-NPs, potencialmente mejorando dispersión e interacción con membranas microbianas [12–14]. El presente estudio evalúa rendimiento antimicrobiano y base mecanicista nanocompuesto GO-Ag contra patógenos gram-positivos, gram-negativos y fúngicos representativos.

Métodos

Síntesis y Caracterización Óxido Grafeno

Grafito comercial (Acros Organics) se oxidó vía protocolo Hummers modificado [15]. Difracción rayos X (XRD), espectroscopía Raman, análisis transformada Fourier infrarrojo (FT-IR) y dispersión luz dinámica (DLS) proveyeron datos estructurales, composicionales y tamaño. Mediciones potencial zeta evaluaron estabilidad coloidal.

Preparación Láminas Recubiertas Nanocompuesto

Láminas poliuretano (15 × 15 × 0.05 mm) se sumergieron en suspensiones acuosas GO (200 µg/mL), Ag-NPs (100 µg/mL; HydroSilver1000) o mezcla 1:1. Recubrimiento ultrasónico (20 kHz, 60% potencia) por 10 min produjo capas uniformes. Morfología superficie examinada por SEM, TEM y microscopía fuerza atómica (AFM). Energía libre superficie (SFE) calculada usando método Owens-Wendt con sondas agua y diiodometano.

Cultivos Microbianos y Ensayos Antimicrobianos

Cepas clínicas E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), S. epidermidis (ATCC 14990) y C. albicans (90028) crecieron a fase log media, luego aplicaron a láminas (10⁶ UFC/mL) en agar Mueller-Hinton. Tras 24 h a 37 °C, conteos colonias cuantificaron inhibición crecimiento.

Viabilidad Celular, Integridad Membrana y Evaluación ROS

Ensayos PrestoBlue™ midieron actividad metabólica; fuga LDH cuantificó disrupción membrana; fluorescencia DCFDA detectó ROS intracelular. Todos experimentos realizados triplicado.

Resultados

Propiedades Fisicoquímicas GO y Ag-NP

GO mostró red altamente desordenada (I_D/I_G = 1.15) y abundantes grupos oxigenados (C=O, C-OH, C-O-C). Ag-NPs promediaron 80 nm en suspensión, aumentando ~218 nm post-ultrasonicación por interacción poli(alcohol vinílico). Mezcla GO-Ag mostró potencial zeta negativo (~–7 mV), indicando estabilidad coloidal moderada.

Morfología y Energía Superficie

SEM reveló GO formó recubrimiento continuo escamoso; Ag-NPs produjeron rejilla granular; compuesto GO-Ag exhibió ambas características. AFM confirmó escamas GO adheridas sustrato polímero. Láminas recubiertas GO aumentaron SFE polar 2.3 ± 0.6 a 68.9 ± 2.8 mJ/m², mientras recubrimientos Ag-NP y GO-Ag no alteraron significativamente SFE.

Eficacia Antimicrobiana

Tras 24 h exposición, láminas GO-Ag inhibieron crecimiento 88.6% (E. coli), 79.6% (S. aureus), 76.5% (S. epidermidis) y 77.5% (C. albicans). Recubrimientos GO o Ag-NP solos rindieron <20% inhibición. SEM células tratadas mostró deformación membrana pronunciada y tamaño colonia reducido.

Integridad Membrana y Generación ROS

Fuga LDH fue mayor para GO-Ag (66.3% E. coli; 59.4% S. aureus; 54.8% S. epidermidis; 48.5% C. albicans), indicando compromiso extensivo membrana. Niveles ROS aumentaron marcadamente para láminas GO-Ag y Ag-NP (p < 0.05), mientras GO sola elevó modestamente ROS en C. albicans.

Discusión

Nuestros hallazgos confirman que decorar GO con Ag-NPs produce efecto antimicrobiano sinérgico. Los mecanismos duales —disrupción física por bordes GO y asalto químico por Ag-NPs/iones Ag⁺— resultan en permeabilización membrana rápida y estrés oxidativo, abrumando sistemas defensa microbianos [16–18]. La superior eficacia contra bacterias gram-negativas puede reflejar capa peptidoglicano más delgada, facilitando acceso NPs, mientras cepas gram-positivas exhiben resistencia parcial debido pared celular más gruesa. La capacidad nanocompuesto GO-Ag mantener dispersión bajo tratamiento ultrasónico aborda limitación agregación Ag-NPs desnudos, preservando área superficial bioactiva.

Conclusiones

Nanocompuestos GO-Ag demuestran potente actividad antimicrobiana amplio espectro, superando GO o Ag-NPs solos. Su mecanismo involucra disrupción membrana y daño oxidativo inducido ROS. Estos materiales prometen aplicación en textiles médicos, apósitos heridas y recubrimientos superficiales donde patógenos multirresistentes representan amenaza.

Abreviaturas

AFM

Microscopía fuerza atómica

Ag-NPs

Nanopartículas plata

DLS

Dispersión luz dinámica

GO

Óxido grafeno

GO-Ag

Óxido grafeno decorado nanopartículas plata

LDE

Eletroforesis Doppler láser

LDH

Lactato deshidrogenasa

ROS

Especies reactivas oxígeno

SEM

Microscopía electrónica barrido

XRD

Difracción rayos X