Uma nova abordagem antimicrobiana à base de materiais eletroativos

Abstract

As bactérias são organismos extraordinários que possuem a capacidade de adaptação a diferentes ambientes, tolerando uma grande variedade de temperaturas, pressões, pHs e capacidade de adquirir resistência como mecanismo de sobrevivência. Tendo em consideração estes mecanismos de adaptação, este trabalho tem como base investigar a capacidade que as bactérias apresentam em sentir o efeito de microambientes eletricamente ativos (efeito mecanoelétrico em materiais piezoelétricos) em sinergia com as nanopartículas de prata (AgNPs), também elas sintetizadas neste trabalho utilizando um processo sustentável de forma a induzir um efeito antimicrobiano melhorado. Os microambientes elétricos produzidos neste trabalho foram gerados através da estimulação de um nanocompósito composto por um polímero piezoelétrico e por AgNPs recorrendo a um biorreator mecânico, capaz de induzir uma resposta elétrica no material, que é traduzida posteriormente para as células bacterianas. A bactéria Gram-positiva Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) e Gram-negativa Escherichia coli (E. coli) foram cultivadas overnight sob condições estáticas (para estudar o efeito da morfologia) e dinâmicas (para estudar o efeito mecanoelétrico) sobre filmes de copolímero piezoelétrico poli (fluoreto de vinilideno-cotrifluoretileno) (P(VDF-TrFE)) na presença e ausência de AgNPs, para também estudar o seu efeito biocida. As AgNPs e os compósitos desenvolvidos foram caraterizados e a viabilidade bacteriana nas formas planctónica e de biofilme foram analisadas. Os ensaios antimicrobianos foram executados utilizando o copolímero P(VDF-TrFE) uma vez que os estudos de caraterização realizados inicialmente com nanocompósitos de poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) demostraram que as AgNPs não induziram a nucleação da fase β no PVDF, e por isso não induziram um efeito mecanoelétrico nos materiais compósitos e, por conseguinte, não permitiria o estudo da sinergia entre os ambientes elétricos e o agente antimicrobiano usado. As AgNPs sintetizadas usando o dextrano como agente redutor, foram caraterizadas em termos de: i) tamanho, demonstrando ter cerca de 270 nm de diâmetro, ii) potencial zeta, apresentando carga negativa, iii) capacidade antimicrobiana, inibindo o crescimento bacteriano a concentrações acima dos 7-10 % e iv) biocompatibilidade sendo que foram consideradas biocompatíveis a concentrações abaixo dos 10-12 %. Os nanocompósitos de P(VDF-TrFe) incorporando AgNPs foram também caraterizados em termos de i) morfologia, sendo que os porosos apresentaram poros à sua superfície e no seu interior enquanto que os não porosos apresentam uma morfologia lisa, estando as AgNPs bem dispersas no polímero, ii) propriedades físico químicas, provando que o polímero cristalizou, tal como esperado, na fase β eletroativa e que a presença das partículas não afetou este fator, iii) propriedades térmicas, indicando que a presença das partículas aumentou ligeiramente a cristalinidade do polímero e que os materiais são estáveis termicamente e iv) capacidade antimicrobiana contra as bactérias E. coli e S. epidermidis a nível das células planctónicas e aderidas no material. Enquanto que a E. coli mostrou ser pouco suscetível à aplicação de estímulos, S. epidermidis mostrou ser mais sensível. A presença de AgNPs nos filmes induziu a inibição do crescimento bacteriano em células planctónicas e aderidas, tanto em condições estáticas como em condições dinâmicas, sendo o efeito mais pronunciado quando o estímulo mecanoelétrico é aplicado. As propriedades biocidas e “antifouling” foram observadas na presença de estímulo piezoelétrico dinâmico, indicando um efeito sinérgico eficiente entre as propriedades biocidas das nanopartículas de prata e os microambientes eletroativos, que representa um avanço para superar a resistência antimicrobiana.

Bacteria are extraordinary organisms, with capacity to feel and adapt to different environments, tolerating a big range of temperatures, pressures and pHs and having the ability to acquire resistance as a mechanism of survival. Talking into consideration these adapting mechanisms, this work now investigates the capacity of bacteria to feel the effect of electrically active microenvironments in synergy with green-synthesized silver nanoparticles (AgNPs) to induce an antimicrobial effect. Electrical microenvironments were generated via stimulation of a nanocomposite comprised of a piezoelectric polymer and AgNPs with a mechanical cue using a lab-made mechanical bioreactor, thus developing an electrical response on the material, further translated to bacterial cells. Specifically, Gram-positive Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) and Gram-negative Escherichia coli (E. coli) were grown overnight under static (to study the effect of morphology) and dynamic (to study the mechanoelectric effect) conditions on piezoelectric copolymer poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) films in presence and absence of silver nanoparticles (to study the biocidal effect). The composites were thoroughly characterized and bacteria viability in planktonic and biofilm forms was measured. The antimicrobial assay weas performed using the copolymer P(VDF-TrFe) because the characterization studies showed that AgNPs did not induce a nucleation effect on the β phase of poly(vinylidene fluoride) (PVDF). The AgNPs synthesized using dextran as a reducing agent, were characterized in terms of: i) size, demonstrating to have about 270 nm in diameter, ii) zeta potential, presenting negative charge, iii) antimicrobial capacity, inhibiting bacterial growth at concentrations above 7-10 % (v/V) and iv) biocompatibility, being considered biocompatible at concentrations below 10-12 (v/V)%. The nanocomposites of poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) incorporating AgNPs were also characterized in terms of i) morphology, with pores having pores on their surface and inside while non-porous ones have a smooth morphology, with AgNPs well dispersed in polymer, ii) physical and chemical properties, proving the polymer crystallized, as expected, in the electroactive β phase and that the presence of the particles did not affect this factor, iii) thermal properties, indicating that the presence of the particles slightly increased the crystallinity of the polymer and that the materials are thermally stable and iv) antimicrobial capacity with E.coli and S. epidermidis bacteria at the level of planktonic and adherent cells in the material. Whereas E. coli responds little to the stimuli applications, S. epidermidis was found to be more susceptible. The presence of the silver nanoparticles in the films induced bacterial growth inhibition in planktonic and adhered cells either static and dynamic conditions, being the effect more pronounced when the mechanoelectric effect is applied. Both biocidal and antifouling properties have been observed upon dynamic piezoelectric stimulation of the films indicating an efficient synergistic effect between the biocidal properties of silver nanoparticles and the electroactive microenvironments, which could an important breakthrough to overcome the antimicrobial resistance.