Nanokomposit Fe₃O₄–PNIPAAm: Metode Persiapan Menentukan Efikasi Antibakterial dan Kinerja Fisikokimia
Abstrak
Nanokomposit polimetakrilamida N‑isopropil magnetik (Fe₃O₄‑PNIPAAm) menjanjikan untuk aplikasi biomedis dan lingkungan. Kami membandingkan tiga rute sintesis—polymerisasi emulsi, presipitasi in situ, dan penambahan fisik—untuk menghasilkan Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1, –2, dan –3, masing-masing. Mikroskopi elektron penyemaran, potensial zeta, analisis termogravimetri, magnetometri sampel getaran, dan pencaharan cahaya dinamis mengungkapkan bahwa Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 dan –2 menunjukkan stabilitas termal, muatan permukaan, dan magnetisasi yang superior, yang menunjukkan koloid yang sangat stabil. Semua komposit, bahkan pada konsentrasi rendah, menginduksi kerusakan DNA yang signifikan pada Escherichia coli dan Staphylococcus aureus dan mengurangi keberadaan sel. Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 menunjukkan efek antimikroba yang terkuat di kedua strain, dengan S. aureus menunjukkan sensitivitas yang lebih besar daripada E. coli. Temuan ini menyoroti polymerisasi emulsi sebagai rute yang disukai untuk menghasilkan Fe₃O₄‑PNIPAAm dengan properti antibakterial yang ditingkatkan.
Latar Belakang
Nanokomposit polimer teresponsi magnetik, seperti Fe₃O₄–PNIPAAm, menggabungkan responsivitas magnetik dengan perilaku LCST sensitif suhu PNIPAAm (~32 °C). Inti magnetik memfasilitasi pemisahan cepat di bawah medan eksternal, sementara cangkung polimer menawarkan stabilitas koloid dan situs fungsionalisasi untuk obat atau biomolekul. Aplikasi mencakup pengolahan air, pengiriman obat, kontras citra resonansi magnetik, dan terapi kanker berbasis hipertermia. Tiga strategi sintesis utama digunakan: (1) penambahan fisik partikel Fe₃O₄ dan PNIPAAm yang sudah terbentuk; (2) presipitasi in situ Fe₃O₄ dalam matriks PNIPAAm; dan (3) polymerisasi emulsi N‑isopropilakrilamida di sekitar Fe₃O₄. Pemilihan metode mempengaruhi ukuran partikel, kimia permukaan, magnetisasi, dan akhirnya, kinerja biologis. Memahami efek ini sangat penting untuk merancang nanokomposit dengan stabilitas dan efikasi antibakterial yang optimal.
Metode
Bahan Kimia
Semua reagen (FeCl₃·6H₂O, FeCl₂·4H₂O, NH₄OH, N‑isopropil‑akrilamida, BIS, SDS, APS) diperoleh dari Sigma‑Aldrich (Jerman) dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Sintesis PNIPAAm (Polymerisasi Emulsi)
NiPAM (4 g), BIS (0,2 g) dan SDS (0,3 g) dilarutkan dalam 350 mL air deionis pada 70 °C di bawah N₂. APS (0,0035 g) dalam 1 mL air memulai polymerisasi; reaksi berjalan selama 4 jam, setelahnya partikel dicuci dan dikoleksi melalui sentrifugasi (12.000 rpm, 30 menit).
Persiapan Nanopartikel Fe₃O₄
FeCl₂·4H₂O (1,9 g) dan FeCl₃·6H₂O (5,4 g) (rasio mol 1:2) dilarutkan dalam 100 mL air DI, dipanaskan ke 70 °C, dan dipresipitasi dengan NH₄OH (6 mL). Suspensi hitam diaduk selama 30 menit, dicuci berulang kali, dan dikeringkan dalam evaporator rotary (25 mbar, 40 °C).
Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 (Polymerisasi Emulsi)
NiPAM (0,4 g), Fe₃O₄ (0,2 g), BIS (0,2 g), SDS (0,3 g) dicampur dalam 350 mL DI, dipanaskan ke 70 °C di bawah N₂, dan polimerisasi dengan APS (0,0035 g). Setelah 4 jam, komposit dicuci, difugasi, dan dikeringkan.
Fe₃O₄‑PNIPAAm‑2 (Presipitasi In Situ)
FeCl₂ (0,148 g), FeCl₃ (0,4 g), dan 10 mL DI ditambahkan ke 1 g PNIPAAm. NH₄OH (3 mL) menginduksi presipitasi hitam segera; campuran diaduk pada 70 °C selama 30 menit, dicuci, difugasi, dan dikeringkan.
Fe₃O₄‑PNIPAAm‑3 (Penambahan Fisik)
1 g PNIPAAm, 0,5 g Fe₃O₄, dan 5 mL DI dicampur dan diaduk pada 70 °C selama 30 menit. Suspensi dicuci, difugasi, dan dikeringkan.
Karakterisasi
Ukuran dan potensial zeta diukur oleh DLS setelah sonikasi. Analisis termogravimetri (25–900 °C, 10 °C/min, N₂) mengukur konten lapisan. Saturasi magnetisasi direkam dengan magnetometer sampel getaran. Citra SEM (1,5 kV) mengungkapkan morfologi. Semua pengukuran dilakukan dalam triplikasi.
Strain Bakteri dan Kondisi Pertumbuhan
E. coli CCM3954 (Gram‑negatif) dan S. aureus CCM3953 (Gram‑positif) dikultur selama malam dalam kaldu nutri soya sebelum paparan terhadap nanokomposit (0,01–1 g L⁻¹).
Penilaian Kerusakan DNA (Uji Comet)
Suspensi bakteri (10⁷ sel mL⁻¹) diinkubasi dengan 0,1 atau 1 g L⁻¹ dari setiap komposit selama 30 menit pada 37 °C. Protokol comet standar (lisisis, elektroforesis, pewarnaan) diikuti; 50 komet per sampel dikuantifikasi menggunakan mikroskop fluoresensi (×400).
Pertumbuhan, Keberadaan, dan Morfologi
Laju pertumbuhan dihitung dari pengukuran OD₆₀₀ setiap 2 jam selama 6 jam. Nilai EC₁₀ diperoleh dari persentase inhibisi. Keberadaan setelah 24 jam ditentukan dengan kit live/dead (eksitasi 485 nm, emisi 528 nm untuk hidup; 645 nm untuk mati). Panjang sel (E. coli) dan luas klaster (S. aureus) diukur pada ×600.
Analisis Statistik
Data dianalisis dengan satu arah ANOVA diikuti oleh uji Dunnett (GraphPad Prism). Signifikansi ditetapkan pada P < 0,05.
Hasil
Citra SEM mengonfirmasi bahwa Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1, –2, dan –3 menunjukkan morfologi yang berbeda, dengan Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 menunjukkan distribusi ukuran yang sempit dan aglomerasi minimal (Gambar 1). Kurva TGA menunjukkan bahwa semua komposit termalis stabil di atas 400 °C, dengan Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 mempertahankan 87 % massa, yang mencerminkan pemuatan Fe₃O₄ yang tinggi (Gambar 2). Potensial zeta adalah –15,6 mV (–1,58 mV untuk PNIPAAm), –16,4 mV (–1,8 mV untuk Fe₃O₄‑PNIPAAm‑3), mengonfirmasi stabilitas koloid (Gambar 3). Nilai saturasi magnetisasi adalah 50,4 emu g⁻¹ (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1), 53,7 emu g⁻¹ (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑2), dan 21,0 emu g⁻¹ (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑3). Pengukuran DLS pada 25 °C dan 45 °C mengungkapkan perubahan ukuran yang bergantung pada suhu yang konsisten dengan perilaku LCST (Gambar 4).
Uji comet menunjukkan kerusakan berantai DNA yang signifikan pada E. coli dan S. aureus setelah paparan 30 menit terhadap semua komposit (P < 0,001) (Gambar 5). Uji laju pertumbuhan menunjukkan bahwa Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 dan –2 secara kuat menghambat proliferasi bakteri, sedangkan Fe₃O₄‑PNIPAAm‑3 memiliki efek yang modest (Gambar 6). Nilai EC₁₀ terendah untuk Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1, yang menunjukkan potensi antibakterial tertinggi. Uji keberadaan menunjukkan peningkatan dose‑dependent dalam sel mati, dengan Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 mencapai hingga 32 % E. coli mati dan 50 % S. aureus mati pada 1 g L⁻¹ (Gambar 7). Analisis morfologi menunjukkan E. coli mengelongasi dan S. aureus membentuk klaster pada konsentrasi lebih tinggi, yang mencerminkan respons stres.
Diskusi
Rute sintesis sangat mempengaruhi atribut fisikokimia nanokomposit Fe₃O₄‑PNIPAAm. Polymerisasi emulsi menghasilkan partikel dengan homogenitas ukuran optimal, muatan permukaan, dan magnetisasi, memfasilitasi dispersi cepat dan aksi antibakterial yang kuat. Presipitasi in situ menawarkan stabilitas termal yang serupa tetapi aglomerasi sedikit lebih tinggi, sedangkan penambahan fisik menghasilkan properti yang paling tidak diinginkan dan efek antimikroba terlemah. Kerusakan DNA yang diamati kemungkinan timbul dari stres oksidatif dan gangguan membran yang diinduksi oleh inti Fe₃O₄, dikonfirmasi oleh laporan sebelumnya tentang genotoksisitas nanopartikel berbasis Fe. Aktivitas unggul Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1 menekankan pentingnya sintesis yang terkontrol untuk aplikasi biomedis seperti lapisan antimikroba, perban luka, dan pengiriman obat yang ditargetkan.
Kesimpulan
Nanokomposit Fe₃O₄‑PNIPAAm yang disiapkan melalui polymerisasi emulsi (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑1) menunjukkan kombinasi paling menguntungkan dari stabilitas termal, muatan permukaan, magnetisasi, dan efikasi antibakterial terhadap E. coli dan S. aureus. Presipitasi in situ (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑2) dan penambahan fisik (Fe₃O₄‑PNIPAAm‑3) menghasilkan komposit yang lebih tidak stabil dan kurang poten. Temuan ini mendukung penggunaan polymerisasi emulsi untuk menghasilkan bahan Fe₃O₄‑PNIPAAm yang cocok untuk aplikasi antimikroba klinis dan lingkungan.
Singkatan
- Fe₃O₄‑PNIPAAm
- Polimetakrilamida N‑isopropil magnetik
- MNPs
- Nanopartikel magnetit
