Síntesis Rápida y Verde de Micelas de Copolímero Basadas en PDMAEMA que Contienen Plata con Eficacia Antibacteriana In Vitro Mejorada

Resumen

Las micelas de polímero bien definidas con arquitectura núcleo-cáscara sirven como plataforma efectiva para estabilizar nanopartículas de plata (AgNPs) y entregar agentes antimicrobianos. Este estudio presenta una síntesis racional, verde y escalable de micelas de copolímero decoradas con AgNPs basadas en poli(2-dimetilamino-etil metacrilato) (PDMAEMA) y evalúa sus propiedades físico-químicas y antibacterianas. Dos topologías de copolímero —lineal y estrella de cuatro brazos— se prepararon con pesos moleculares y grado de polimerización idénticos. Los grupos amina terciaria de PDMAEMA coordinan simultáneamente Ag⁺ y lo reducen in situ, mientras las cáscaras hidrofílicas de PHEMA y PEGMA proveen estabilización estérica en medios acuosos. Modelado computacional y caracterización experimental (UV-Vis, TEM, DLS, FTIR, XRD) confirmaron que ambas arquitecturas producen AgNPs monodispersas y esféricas. Las micelas estrella produjeron partículas más pequeñas, estabilidad coloidal superior y mayor potencia antibacteriana contra Escherichia coli DH5α comparado con micelas lineales. Ensayos de citotoxicidad con células HepG2 mostraron >90 % viabilidad a concentraciones hasta 400 µg mL⁻¹, indicando buena biocompatibilidad. Estos hallazgos demuestran un enfoque versátil en un solo paso para fabricar micelas cargadas de plata con topología ajustada para aplicaciones antibacterianas de amplio espectro.

Introducción

Los antimicrobianos tradicionales son cada vez más desafiados por la rápida aparición de patógenos multirresistentes, una amenaza clasificada entre las tres principales por la Organización Mundial de la Salud [1-5]. Las nanopartículas de plata (AgNPs) han sido valoradas por su actividad de amplio espectro, baja toxicidad mamífera y propensión limitada a inducir resistencia [6-10]. Su mecanismo antimicrobiano involucra disrupción de membrana, desnaturalización de proteínas intracelulares e interferencia con replicación de ADN [11-13]. Sin embargo, la alta energía superficial de AgNPs impulsa agregación, socavando su eficacia y estabilidad. La encapsulación dentro de matrices poliméricas —especialmente micelas— ofrece una solución práctica al proporcionar impedimento estérico y liberación controlada [14-19]. Las estrategias comunes de estabilización dependen de reductores externos (ej. NaBH₄, ácido ascórbico) que introducen subproductos tóxicos y complican la purificación [20-25]. En contraste, polímeros ricos en aminas pueden coordinar y reducir Ag⁺ in situ simultáneamente, obviando agentes reductores externos [26]. Sin embargo, la influencia de la topología del polímero en nucleación, crecimiento y rendimiento antibacteriano de AgNPs permanece poco explorada, particularmente para arquitecturas estrella que pueden brindar blindaje estérico mejorado. Este trabajo aborda esa brecha desarrollando micelas de copolímero triblque lineal y estrella de cuatro brazos basadas en PDMAEMA, evaluando su capacidad para generar AgNPs monodispersas in situ, y valorando actividad antibacteriana y citocompatibilidad.

Materiales y Métodos

Materiales

Todos los reactivos se usaron tal como se recibieron salvo indicación contraria. Monómeros clave incluían DMAEMA (>98 %), HEMA (99 %) y PEGMA (Mn = 300 Da, 99 %) (Aldrich). Pentaeritritol, EBiB y BIBB se purificaron por cromatografía en columna de alúmina. Nitrato de plata (AgNO₃, 99,9 %) se usó como fuente de Ag⁺.

Caracterización General e Instrumentación

Espectros ¹H NMR se registraron en un espectrómetro Bruker 400 MHz en CDCl₃ o D₂O a 25 °C. Espectros FTIR se obtuvieron con un espectrofotómetro Nicolet Nexus (4000-400 cm⁻¹, 32 barridos, resolución 8 cm⁻¹). Potenciales zeta se midieron en un Malvern Zetasizer Nano S. Imágenes TEM se adquirieron en un FEI Tecnai-G20 (200 kV). Espectros UV-Vis se registraron en un Shimadzu UV-2450. Análisis termogravimétrico (TGA) empleó un NETZSCH STA409PC bajo nitrógeno (25-600 °C, 10 °C min⁻¹).

Síntesis de PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA

La polimerización se realizó vía ARGET ATRP en tolueno (70 °C) con CuBr₂/HMTETA como catalizador, Sn(Oct)₂ como agente reductor y EBiB como iniciador. DMAEMA, HEMA y PEGMA se polimerizaron secuencialmente para producir un copolímero triblque con Mn ≈ 19 kDa (DMAEMA), 12 kDa (PHEMA) y 25 kDa (PPEGMA). El producto se precipitó en n-hexano frío, filtró y secó bajo vacío (48 h, 35 °C).

Síntesis de (PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA)₄

Un iniciador estrella de cuatro brazos se preparó esterificando pentaeritritol con BIBB en THF/TEA, produciendo un núcleo tetrabromado. Subsecuente ARGET ATRP, siguiendo las mismas condiciones que el copolímero lineal, produjo el copolímero triblque estrella. Rendimiento y pureza se confirmaron por ¹H NMR y SEC.

Preparación de AgNPs Usando Micelas de Copolímero Lineal o Estrella

Soluciones de copolímero (4,8 mM DMAEMA) se agitaron en acetona (5 mL) por 4 h, luego se diluyeron con agua (20 mL) y agitaron durante la noche para formar micelas. AgNO₃ (220 µL, 48 mM) se añadió gota a gota, y la mezcla se agitó a 25 °C en oscuridad por 48 h. Micelas estabilizadas con AgNPs se aislaron por centrifugación, liofilizaron y almacenaron a -20 °C.

Ensayo Antibacteriano

Inhibición de crecimiento contra E. coli DH5α se evaluó mezclando 1 × 10⁵ UFC mL⁻¹ bacterias con diluciones seriadas de micelas o micelas estabilizadas con AgNPs. Tras 16 h incubación a 37 °C, densidad óptica a 600 nm (OD₆₀₀) se midió con lector de microplacas. Se realizaron seis réplicas por concentración.

Evaluación de Viabilidad Celular

Células HepG2 se sembraron en placas de 96 pozos (1 × 10⁴ células mL⁻¹) y cultivaron 24 h. Soluciones de prueba (10-400 µg mL⁻¹) se añadieron por 24 h, seguido por ensayo MTT (4 h incubación con 5 mg mL⁻¹ MTT, 200 µL DMSO). Absorbancia a 570 nm cuantificó viabilidad celular. Experimentos se realizaron en sextuplicado.

Simulación de Dinámica de Partículas Disipativas

Simulaciones DPD de grano grueso (Materials Studio 8.0) modelaron interacciones copolímero-AgNP a relación PDMAEMA/Ag⁺ de 1:1. Una caja 30 × 30 × 30 rₙ³ con 100 000 pasos (0,05 ns) capturó autoensamblaje de micelas y encapsulación de AgNP. Parámetros de interacción se tomaron de trabajos previos [31, 32].

Análisis Estadístico

Datos se analizaron por prueba t de Student de dos muestras (varianza desigual); p < 0,05 se consideró significativo.

Resultados y Discusión

Síntesis y Caracterización de Copolímeros Lineal/Estrella

Ambos copolímeros triblque lineal y estrella se sintetizaron exitosamente por ARGET ATRP. ¹H NMR confirmó la composición de bloques esperada: PDMAEMA₁₉,₃-b-PHEMA₁₂,₅-b-PPEGMA₂₄,₆ y (PDMAEMA₅,₀-b-PHEMA₅,₆-b-PPEGMA₅,₀)₄. El núcleo estrella (pentaeritritol) se brominó completamente, como evidenciado por desaparición de señal –CH₂–OH y aparición de nuevos picos de metileno portadores de bromo.

Preparación y Caracterización de Micelas Lineal/Estrella Estabilizadas con AgNPs

En medios acuosos, los copolímeros triblque se autoensamblaron en micelas núcleo-cáscara. El núcleo PDMAEMA une Ag⁺ vía coordinación de amina terciaria y lo reduce in situ, generando átomos de Ag que nuclean en nanopartículas. La cáscara hidrofílica PHEMA/PPEGMA imparte protección estérica, previniendo agregación. Simulaciones DPD mostraron que cuentas de Ag se localizan rápidamente dentro de núcleos de micelas, confirmando encapsulación eficiente. Espectros UV-Vis mostraron pico de resonancia plasmónica superficial (SPR) a 437 nm para micelas lineales y 422 nm para micelas estrella, indicando AgNPs monodispersas y casi esféricas. Imágenes TEM revelaron diámetros de partícula de 11,1 nm (lineal, relación 1:1) y 3,7 nm (estrella, relación 1:1), expandiéndose a 25,7 nm y 6,4 nm, respectivamente, a relación 6:1. Potenciales zeta variaron de +15 mV a +23 mV, aumentando con contenido de Ag, reflejando cobertura superficial exitosa.

Estabilidad de Micelas Lineal/Estrella Estabilizadas con AgNPs

Monitoreo UV-Vis por 30 días mostró desplazamiento despreciable para micelas estrella incluso tras dilución 1:3, mientras micelas lineales exhibieron modesto corrimiento al rojo, sugiriendo estabilidad coloidal menos robusta. TGA indicó temperaturas de inicio de degradación de 213 °C para micelas estrella y 172 °C para micelas lineales con AgNPs, subrayando resiliencia térmica superior de la arquitectura estrella.

Actividad Antibacteriana y Viabilidad Celular

Mediciones OD₆₀₀ revelaron inhibición dependiente de concentración de crecimiento de E. coli por micelas estabilizadas con AgNPs. Micelas estrella lograron >90 % inhibición a 50 µg mL⁻¹, mientras micelas lineales requirieron 200 µg mL⁻¹ para efecto comparable, atribuible a menor tamaño de partícula y mayor área superficial. Ensayos de citotoxicidad con células HepG2 mostraron viabilidad sobre 90 % en todas las concentraciones probadas, confirmando baja toxicidad mamífera.

Conclusión

Este estudio demuestra que micelas de copolímero triblque basadas en PDMAEMA lineales y estrella pueden usarse como plataformas de doble función —reduciendo y estabilizando simultáneamente nanopartículas de plata— vía un solo paso sintético verde. Las micelas estrella producen AgNPs más pequeñas y estables y exhiben actividad antibacteriana superior manteniendo excelente biocompatibilidad. El enfoque ajustado por topología ofrece una estrategia versátil para diseñar nanomateriales antimicrobianos avanzados.