Nanokomposit Grafena Oksida–Nanopartikel Perak: Agen Antibakteri dan Antijamur Potent

Abstrak

Bahan yang dimodifikasi permukaan dengan nanopartikel biosidal menawarkan strategi yang menjanjikan terhadap patogen resistensi obat multiobat. Kami melaporkan nanokomposit grafen oksida (GO) yang dihiasi nanopartikel perak (Ag-NP) yang menunjukkan aktivitas antibakteri dan antijamur yang unggul dibandingkan dengan masing-masing komponen sendirian. Menggunakan lapisan ultrasonik, foil polyuretan difungsionalkan dengan GO, Ag-NP, atau hibrida GO-Ag. Efektivitas terhadap Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, dan Candida albicans dievaluasi melalui morfologi sel, keberhasilan PrestoBlue, kebocoran dehidrogenasi laktat (LDH), dan produksi spesies reaktif oksigen (ROS). Komposit GO-Ag mencapai >88 % inhibisi terhadap semua strain, jauh melebihi GO atau Ag-NP sendirian.

Latar Belakang

Sementara antibiotika secara historis menekan infeksi bakteri, penyalahgunaannya telah mempercepat munculnya organisme resistensi multiobat seperti S. aureus resistensi metisilin dan E. coli yang menghasilkan β-laktamase spektral luas. Resistensi menyebar melalui transfer gen horizontal, menekankan kebutuhan mendesak akan antimikroba baru. Nanopartikel memiliki mekanisme multifaset—gangguan membran, rilis ion logam, generasi ROS—yang secara kolektif menghambat perkembangan resistensi. Di antaranya, nanopartikel perak (Ag-NP) telah menunjukkan aktivitas terhadap lebih dari 650 mikroba, namun aglomerasi mereka membatasi luas permukaan dan potensi. Grafen oksida (GO), alotrop karbon yang teroksidasi, larut dalam air, dan kaya akan grup fungsional beroksigen, dapat berfungsi sebagai rangka stabil untuk Ag-NP, potensialmente meningkatkan dispersi dan interaksi dengan membran mikroba. Studi ini mengevaluasi performa antimikroba dan dasar mekanisme nanokomposit GO-Ag terhadap patogen gram-positif, gram-negatif, dan jamwak yang mewakili.

Metode

Sintesis dan Karakterisasi Grafen Oksida

Grafit komersial (Acros Organics) dioksidasi melalui protokol Hummers yang dimodifikasi. Difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi Raman, analisis inframerah transformasi Fourier (FT-IR), dan pencaran cahaya dinamis (DLS) menyediakan data struktural, komposisional, dan ukuran. Pengukuran potensial zeta menilai stabilitas koloid.

Persiapan Foil yang Dilapisi Nanokomposit

Foil polyuretan (15 × 15 × 0,05 mm) direndam dalam suspensi air dari GO (200 µg/mL), Ag-NP (100 µg/mL; HydroSilver1000), atau campuran 1:1. Lapisan ultrasonik (20 kHz, 60 % daya) selama 10 menit menghasilkan lapisan seragam. Morfologi permukaan diperiksa dengan SEM, TEM, dan mikroskopi gaya atom (AFM). Energi bebas permukaan (SFE) dihitung menggunakan metode Owens–Wendt dengan sonde air dan diiodometana.

Kultur Mikroba dan Uji Antimikroba

Strain klinis E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), S. epidermidis (ATCC 14990), dan C. albicans (90028) ditumbuhkan hingga fase log pertengahan, kemudian diterapkan pada foil (10⁶ CFU/mL) pada agar Mueller–Hinton. Setelah 24 jam pada 37 °C, hitungan koloni kuantifikasi inhibisi pertumbuhan.

Ases Keberhasilan Sel, Integritas Membran, dan Penilaian ROS

Ases PrestoBlue™ mengukur aktivitas metabolik; kebocoran LDH mengukur gangguan membran; fluoresensi DCFDA mendeteksi ROS intracellular. Semua eksperimen dilakukan dalam triplo.

Hasil

Properti Fisikokimia GO dan Ag-NP

GO menunjukkan jaringan yang sangat teracak (I_D/I_G = 1,15) dan grup beroksigen yang melimpah (C=O, C–OH, C–O–C). Ag-NP berukuran rata-rata 80 nm dalam suspensi, meningkat menjadi ~218 nm setelah ultrasonikasi akibat interaksi pol(vinyl alkohol). Campuran GO–Ag menunjukkan potensial zeta negatif (~–7 mV), menunjukkan stabilitas koloid yang sedang.

Morfologi dan Energi Permukaan

SEM menunjukkan GO membentuk lapisan berkelanjutan bersisik; Ag-NP menghasilkan grid granular; komposit GO–Ag menunjukkan keduanya. AFM mengonfirmasi flakes GO menempel pada substrat polimer. Foil terlapis GO meningkatkan SFE polar dari 2,3 ± 0,6 hingga 68,9 ± 2,8 mJ/m², sedangkan lapisan Ag-NP dan GO–Ag tidak mengubah SFE secara signifikan.

Efek Antimikroba

Setelah 24 jam paparan, foil GO–Ag menghambat pertumbuhan sebesar 88,6 % (E. coli), 79,6 % (S. aureus), 76,5 % (S. epidermidis), dan 77,5 % (C. albicans). Lapisan GO atau Ag-NP sendirian menghasilkan <20 % inhibisi. SEM sel yang ditreated menunjukkan deformasi membran yang jelas dan ukuran koloni yang lebih kecil.

Integritas Membran dan Generasi ROS

Kebocoran LDH tertinggi untuk GO–Ag (66,3 % untuk E. coli; 59,4 % untuk S. aureus; 54,8 % untuk S. epidermidis; 48,5 % untuk C. albicans), mengindikasikan kompromi membran yang luas. Tingkat ROS meningkat secara signifikan untuk foil GO–Ag dan Ag-NP (p < 0,05), sedangkan GO sendirian sedikit meningkatkan ROS pada C. albicans.

Diskusi

Temuan kami mengonfirmasi bahwa menghiasi GO dengan Ag-NP menghasilkan efek antimikroba sinergis. Mekanisme dual—gangguan fisik oleh tepi GO dan seranggan kimia oleh Ag-NP/Ag⁺—akibatnya permeabilisasi membran yang cepat dan stres oksidatif, melampaui sistem pertahanan mikroba. Efek yang lebih baik terhadap bakteri gram-negatif mungkin mencerminkan lapisan peptidoglikan yang lebih tipis, memfasilitasi akses NP, sedangkan strain gram-positif menunjukkan resistensi parsial karena dinding sel yang lebih tepat. Kemampuan nanokomposit GO–Ag untuk mempertahankan dispersi di bawah perawatan ultrasonik mengatasi keterbatasan aglomerasi Ag-NP polos, mempertahankan luas permukaan bioaktif.

Kesimpulan

Nanokomposit GO–Ag menunjukkan aktivitas antimikroba yang poten dan luas spektrum, unggul dibandingkan GO atau Ag-NP sendirian. Mekanisme melibatkan gangguan membran dan kerusakan oksidatif yang diinduksi ROS. Bahan ini menjanjikan untuk aplikasi dalam tekstil medis, penutup luka, dan lapisan permukaan di mana patogen resistensi obat multiobat menjadi ancaman.

Singkatan

AFM

Mikroskopi Gaya Atom

Ag-NP

Nanopartikel Perak

DLS

Pencaran Cahaya Dinamis

GO

Grafen Oksida

GO-Ag

Grafen Oksida yang Dihiasi Nanopartikel Perak

LDE

Elektroforesis Doppler Laser

LDH

Dehidrogenasi Laktat

ROS

Spesies Reaktif Oksigen

SEM

Mikroskopi Elektron Pemindaian

XRD

Difraksi Sinar-X