Sintesis Cepat dan Ramah Lingkungan Mikel Kopolimermengandung Perak Berbasis PDMAEMA dengan Efektivitas Antibakteri In Vitro yang Ditingkatkan

Pendahuluan

Antimikroba tradisional semakin ditantang oleh munculnya patogen multidrug-resisten, ancaman yang berada di antara tiga teratas menurut Organisasi Kesehatan Dunia [1–5]. Nanopartikel perak (AgNP) telah lama dihargai karena aktivitas spektrum luas, toksisitas mamalia rendah, dan kecenderungan terbatas untuk menimbulkan resistensi [6–10]. Mekanisme antimikrobanya melibatkan gangguan membran, denaturasi protein seluler, dan interferensi dengan replikasi DNA [11–13]. Namun, energi permukaan tinggi AgNP mendorong agregasi, yang mengubah efektivitas dan stabilitasnya. Enkapsulasi dalam matriks polimer—terutama mikel—menawarkan solusi praktis dengan menyediakan penghalang sterik dan rilis yang dikontrol [14–19]. Strategi stabilisasi umum bergantung pada redukan eksternal (misalnya, NaBH₄, asam askorbat) yang memperkenalkan produk samping beracun dan menyulitkan pemurnian [20–25]. Sebaliknya, polimer kaya amina dapat secara bersamaan mengkoordinasi Ag⁺ dan mengurangnya in situ, menghilangkan redukan eksternal [26]. Namun, pengaruh topologi polimer terhadap nukleasi, pertumbuhan, dan performa antibakteri AgNP masih kurang dieksplorasi, khususnya untuk arsitektur berbentuk bintang yang dapat memberikan perlindungan sterik yang ditingkatkan. Karya ini mengatasi kesenjangan tersebut dengan mengembangkan mikel kopolimera triblok berbasis PDMAEMA linier dan bintang empat lengan, mengevaluasi kemampuan mereka untuk menghasilkan AgNP monodispersi in situ, dan menilai aktivitas antibakteri serta citokompatibilitas.

Bahan dan Metode

Bahan

Semua reagen digunakan sebagaimana adanya kecuali dinyatakan lain. Monomer utama meliputi DMAEMA (>98 %), HEMA (99 %), dan PEGMA (Mn = 300 Da, 99 %) (Aldrich). Pentaeritritol, EBiB, dan BIBB difurnir melalui kromatografi kolumn alumina. Nitrat perak (AgNO₃, 99,9 %) digunakan sebagai sumber Ag⁺.

Karakterisasi dan Instrumentasi Umum

Spektra ¹H NMR dicatat pada spektrometer Bruker 400 MHz dalam CDCl₃ atau D₂O pada 25 °C. Spektra FTIR diperoleh dengan spektrofotometer Nicolet Nexus (4000–400 cm⁻¹, 32 sken, resolusi 8 cm⁻¹). Potensial zeta diukur pada Malvern Zetasizer Nano S. Citra TEM diperoleh pada FEI Tecnai-G20 (200 kV). Spektra UV-Vis dicatat pada Shimadzu UV-2450. Analisis termogravimetri (TGA) menggunakan NETZSCH STA409PC dalam nitrogen (25–600 °C, 10 °C min⁻¹).

Sintesis PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA

Polimerisasi dilakukan melalui ARGET ATRP dalam toluene (70 °C) dengan CuBr₂/HMTETA sebagai katalis, Sn(Oct)₂ sebagai agen reduksi, dan EBiB sebagai inisiator. DMAEMA, HEMA, dan PEGMA secara berurutan polimerisasi untuk menghasilkan kopolimera triblok dengan Mn ≈ 19 kDa (DMAEMA), 12 kDa (PHEMA), dan 25 kDa (PPEGMA). Produk diendapkan dalam n-heksana dingin, difilter, dan dikeringkan di bawah vakum (48 jam, 35 °C).

Sintesis (PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA)₄

Inisiator bintang empat disiapkan dengan esterifikasi pentaeritritol dengan BIBB dalam THF/TEA, menghasilkan inti tetrabrominasi. ARGET ATRP berikutnya, dengan kondisi yang sama dengan kopolimera linier, menghasilkan kopolimera triblok berbentuk bintang. Rendemen dan kemurnian dikonfirmasi melalui ¹H NMR dan SEC.

Persiapan AgNP Menggunakan Mikel Kopolimera Linier atau Berbentuk Bintang

Larutan kopolimera (4,8 mM DMAEMA) diaduk dalam aseton (5 mL) selama 4 jam, kemudian dicairkan dengan air (20 mL) dan diaduk selama malam hari untuk membentuk mikel. AgNO₃ (220 µL, 48 mM) ditambahkan secara bertitik-titik, dan larutan diaduk pada 25 °C dalam kegelapan selama 48 jam. Mikel yang stabilized dengan AgNP diisolasi melalui sentrifugasi, di-freeze-dry, dan disimpan pada –20 °C.

Uji Antibakteri

Inhibi pertumbuhan terhadap E. coli DH5α dievaluasi dengan mencampur 1 × 10⁵ CFU mL⁻¹ bakteri dengan deret pengenceran mikel atau mikel stabilized AgNP. Setelah 16 jam inkubasi pada 37 °C, densitas optik pada 600 nm (OD₆₀₀) diukur dengan pembaca mikropapan. Enam replikasi dilakukan untuk setiap konsentrasi.

Evaluasi Keberadaan Sel

Sel HepG2 ditanam dalam papan 96-lubang (1 × 10⁴ sel mL⁻¹) dan dikultur selama 24 jam. Larutan uji (10–400 µg mL⁻¹) ditambahkan selama 24 jam, diikuti oleh uji MTT (4 jam inkubasi dengan 5 mg mL⁻¹ MTT, 200 µL DMSO). Absorbansi pada 570 nm mengukur keberadaan sel. Eksperimen dilakukan dalam sextuplikasi.

Simulasi Dinamika Partikel Dissipatif

Simulasi DPD kasar (Materials Studio 8.0) memodelkan interaksi kopolimera dan AgNP pada rasio PDMAEMA/Ag⁺ 1:1. Kotak 30 × 30 × 30 rₙ³ dengan 100.000 langkah (0,05 ns) menangkap self-assembly mikel dan enkapsulasi AgNP. Parameter interaksi diambil dari karya sebelumnya [31, 32].

Analisis Statistik

Data dianalisis dengan uji t dua sampel (varian tidak sama); p < 0,05 dianggap signifikansi.

Hasil dan Pembahasan

Sintesis dan Karakterisasi Kopolimera Linier/Bintang

Kedua kopolimera triblok linier dan bintang berhasil disintesis melalui ARGET ATRP. ¹H NMR mengonfirmasi komposisi blok yang diharapkan: PDMAEMA₁₉.₃–b–PHEMA₁₂.₅–b–PPEGMA₂₄.₆ dan (PDMAEMA₅.₀–b–PHEMA₅.₆–b–PPEGMA₅.₀)₄. Inti bintang (pentaeritritol) sepenuhnya dibrominasi, seperti yang ditunjukkan oleh hilangnya sinyal –CH₂–OH dan munculnya puncak metilena yang membawa bromin.

Persiapan dan Karakterisasi Mikel Kopolimera Linier/Bintang Stabilized AgNP

Dalam media air, kopolimera triblok self-assemble menjadi mikel inti-kulit. Inti PDMAEMA mengikat Ag⁺ melalui koordinasi amina tersier dan mengurangnya in situ, menghasilkan atom Ag yang berkembang biak menjadi nanopartikel. Kulit PHEMA/PPEGMA yang hidrofilik memberikan perlindungan sterik, mencegah agregasi. Simulasi DPD menunjukkan bahwa perak Ag dengan cepat melokalkan di dalam inti mikel, mengonfirmasi enkapsulasi yang efisien. Spektra UV-Vis menampilkan puncak resonansi plasmon permukaan (SPR) pada 437 nm untuk mikel linier dan 422 nm untuk mikel bintang, menunjukkan AgNP bola yang monodispersi dan hampir bola. Citra TEM mengungkapkan diameter partikel 11,1 nm (linier, rasio 1:1) dan 3,7 nm (bintang, rasio 1:1), diperluas menjadi 25,7 nm dan 6,4 nm, masing-masing, pada rasio 6:1. Potensial zeta bervariasi dari +15 mV hingga +23 mV, meningkat dengan kandungan Ag, mencerminki cakupan permukaan yang berhasil.

Stabilitas Mikel Kopolimera Linier/Bintang Stabilized AgNP

Pemantauan UV-Vis selama 30 hari menunjukkan pergeseran yang tidak signifikan untuk mikel bintang bahkan setelah pengenceran 1:3, sedangkan mikel linier menunjukkan pergeseran merah yang modest, yang menunjukkan stabilitas koloid yang kurang tangguh. TGA menunjukkan suhu degradasi awal 213 °C untuk mikel bintang dan 172 °C untuk mikel linier dengan AgNP, menekankan ketahanan termal yang superior dari arsitektur bintang.

Aktivitas Antibakteri dan Keberadaan Sel

Pengukuran OD₆₀₀ mengungkapkan inhibi yang bergantung pada konsentrasi terhadap pertumbuhan E. coli oleh mikel stabilized AgNP. Mikel bintang mencapai >90 % inhibi pada 50 µg mL⁻¹, sedangkan mikel linier membutuhkan 200 µg mL⁻¹ untuk efek yang dapat dibandingkan, disebabkan oleh ukuran partikel yang lebih kecil dan luas permukaan yang lebih tinggi. Uji sitotoksisitas dengan sel HepG2 menunjukkan kelangsungan di atas 90 % di seluruh konsentersi yang diuji, mengonfirmasi toksisitas mamalia yang rendah.

Kesimpulan

Studi ini menunjukkan bahwa mikel kopolimera triblok berbasis PDMAEMA linier dan bintang dapat digunakan sebagai platform dual-fungsi—secara bersamaan mengurangi dan stabilizing AgNP—melalui satu langkah sintesis hijau. Mikel berbentuk bintang menghasilkan AgNP yang lebih kecil dan lebih stabil serta menunjukkan aktivitas antibakteri yang unggul sambil mempertahankan kompatibilitas biologis yang baik. Pendekatan yang dapat disesuaikan topologi menawarkan strategi serbaguna untuk merancang nanomaterial antimikroba canggih.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data set yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi ini tersedia dari penulis yang terkait atas permintaan yang wajar.

Singkatan

AgNPs:

Nanopartikel perak

DMAEMA:

2-(dimetilamino) etil metakrilat

HEMA:

2-hidroksietil metakrilat

PEGMA:

Poli(etilen glikol) metil eter metakrilat

CuBr₂:

Bromida kopra(II)

¹H NMR:

Resonansi magnetik nukleus proton

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

KBr:

Bromida kalium

UV-Vis:

Spektroskopi ultraviole-visible

MTT:

3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difeniltetrazolium bromida

HepG2:

Baris sel karsinoma hepatoseluler hati

DPD:

Dinamika partikel dissipatif

SPR:

Resonansi plasmon permukaan

XRD:

Diffraksi sinar-X