Pengurangan Situs Toksisitas Lapisan Nanopartikel Perak dengan Grafena Oksida: Performa Antibakterial yang Ditingkatkan dan Biokompatibilitas Nanokomposit Ag–GO

Abstrak

Permukaan yang dilapisi nanopartikel perak (AgNP) banyak dianggap sebagai alternatif yang menjanjikan untuk antibiotik konvensional. Namun, reaktivitas permukaan yang tinggi menimbulkan kekhawatiran keamanan dalam konteks biomedis. Di sini, kami melaporkan bahwa integrasi grafena oksida (GO) ke dalam lapisan AgNP secara signifikan menurunkan situs toksisitas terhadap fibroblast manusia, sel endotel, dan membran alantois-korion embrio ayam, sambil sekaligus meningkatkan aktivitas antibakterial terhadap Salmonella enteritidis. Nanokomposit Ag–GO menunjukkan inhibisi bakteri yang unggul dan penurunan yang signifikan pada pelepasan sitokina inflamasi, yang menunjukkan platform nano yang lebih aman untuk aplikasi medis.

Pendahuluan

Permukaan antimikroba yang menggabungkan nanomaterial—terutama nanopartikel perak—menjadi alternatif yang efektif untuk antibiotik tradisional dan desinfektan kimiawi. Namun, properti yang sangat memberikan potensi antibakterial juga berkontribusi pada situs toksisitas dan imunogenitas potensial, yang membatasi translasi klinis. Strategi kunci untuk mengurangi toksisitas adalah mengimobilkan nanopartikel secara kokoh pada substrat, sehingga membatasi pelupran mereka sambil mempertahankan fungsi antimikroba. Teknik deponisi ultrasonik telah terbukti efektif untuk melapisi dan membentuk nanokomposit stabil, seperti AgNPs pada grafena oksida (GO). GO memiliki grup fungsional beroksigen yang melimpah yang mempromosikan ikatan elektrostatis atau kovalen yang kuat dengan ion logam, meningkatkan adhesi dan mengurangi pelupran partikel. Dalam studi ini, kami berhipotesis bahwa foil polyuretan yang dilapisi nanokomposit Ag–GO akan menunjukkan toksisitas yang lebih rendah dibandingkan lapisan AgNP saja, tanpa mengorbankan efikasi antibakterial.

Hasil

AgNPs dan GO Membentuk Nanokomposit Stabil

Mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengungkapkan AgNP sferik (~55 nm) yang menempel erat pada lembar GO (Gambar 1a–e). Pengukuran potensi zeta menunjukkan bahwa hidrokoloid Ag–GO stabil setelah 24 jam (−15,68 mV hingga −27,7 mV), sedangkan AgNP sendiri tetap tidak stabil (−31,11 mV). Pencitraan cahaya dinamis (DLS) menunjukkan ukuran rata-rata Z sebesar 1157 nm untuk komposit, antara AgNP (93 nm) dan GO (1485 nm), yang mengonfirmasi hibridisasi yang berhasil (Gambar 1b,d,f). Spektroskopi Raman mengonfirmasi pita karakteristik D (1347 cm⁻¹) dan G (1578 cm⁻¹) GO, dengan rasio ID/IG sebesar 1,34, yang menunjukkan struktur yang sangat terganggu namun fungsional (Gambar 2a). Spektra FT-IR lebih memverifikasi keberadaan grup hidroksil, karboeksi, dan epoksi (Gambar 2b).

Efikasi Antibakterial terhadap Salmonella enteritidis

Setelah inkubasi selama 24 jam pada 37 °C, semua platform nano—AgNP, GO, dan Ag–GO—mengurangi pertumbuhan bakteri relatif terhadap foil tanpa lapisan. Komposit Ag–GO mencapai inhibisi yang paling mencolok, dengan penurunan >90 % dalam unit pembentukan koloni yang diukur dengan uji PrestoBlue (Gambar 3c). Mikroskopi elektron pemindai (SEM) mengungkapkan koloni bakteri yang langka dan gangguan membran pada permukaan Ag–GO, yang mengonfirmasi pembunuhan melalui kontak fisik (Gambar 3b).

Situs Toksisitas yang Dikurangi pada Sel Manusia

Fibroblast manusia dan HUVEC dikultur secara langsung pada setiap platform nano selama 24 jam. Uji keberlayanan menunjukkan penurunan 40–50 % pada foil AgNP saja, sementara permukaan GO dan Ag–GO mempertahankan keberlayanan yang sebanding dengan kontrol tanpa lapisan (Gambar 4e,f). Penilaian morfologi mengungkapkan bahwa lapisan AgNP menginduksi agregasi sel yang mencolok, sementara GO dan Ag–GO mempromosikan penyebaran dan morfologi normal (Gambar 4a–d). Temuan ini menyoroti efek pelindung GO dalam komposit.

Kompatibilitas Membran Alantois-Korion

Kontak langsung platform nano dengan membran alantois-korion embrio ayam selama 48 jam mengungkapkan bahwa lapisan AgNP saja menyebabkan kehilangan kapiler dan kasaran permukaan, sedangkan GO dan Ag–GO mempertahankan morfologi yang halus dan vaskular seperti kontrol (Gambar 5b). Model yang mirip in-vivo ini mengonfirmasi situs toksisitas endotel yang dikurangi yang diamati in-vitro.

Modulasi Pelepasan Sitokina Inflamasi

Profiling array antibodi supernatant fibroblast mengungkapkan bahwa lapisan AgNP dan Ag–GO secara signifikan menekan pelepasan IL-8, sementara GO saja tidak memiliki efek (Gambar 6a). Semua platform nano mengurangi pelepasan IL-6, dan GO/Ag–GO meningkatkan produksi TNF-β, yang menunjukkan respons inflamasi yang seimbang. Sitokina lainnya tetap tidak berubah, yang menunjukkan imunogenitas rendah dari komposit.

Diskusi

Data kami mengonfirmasi bahwa integrasi GO ke dalam lapisan AgNP tidak hanya meningkatkan pemberantasan bakteri tetapi juga mengurangi respons sitotoksis dan inflamasi pada sel manusia dan model vertebrata. Stabilitas yang ditingkatkan AgNP dalam matriks GO kemungkinan membatasi pelepasan ion dan pelepasan partikel, sehingga mengurangi penyerapan seluler dan stres oksidatif. Selain itu, ukuran komposit yang lebih besar (≈1150 nm) mengurangi laju endositosis, seperti yang diamati untuk struktur nano lainnya, yang lebih menurunkan toksisitas. Pentingnya, komposit ini tidak memicu sita storm sitokina yang signifikan, mempertahankan profil imunologis netral yang esensial untuk translasi klinis.

Temuan ini selaras dengan laporan sebelumnya tentang kemampuan GO untuk mengstabilkan nanopartikel logam dan mengurangi pelupran mereka, sambil mempertahankan—atau bahkan meningkatkan—potensi antimikroba. Karya ini memperluas konsep ini ke substrat polimer realistis (foil polyuretan) dan memvalidasi biokompatibilitas di berbagai tipe sel dan model yang mirip in-vivo.

Kesimpulan

Nanokomposit Ag–GO outperformed baik lapisan AgNP maupun GO dalam efikasi antibakterial terhadap Salmonella enteritidis dan dalam mengurangi situs toksisitas terhadap fibroblast, HUVEC, dan membran alantois-korion. Profil sitokina yang seimbang dari komposit ini lebih mendukung kesesuaiannya untuk perangkat biomedis, seperti pakaian luka dan lapisan implan. Karya mendatang akan menjelajahi stabilitas jangka panjang, kinetika pelupran, dan model infeksi in-vivo untuk mendorong penerapan klinis.

Bahan dan Metode

Persiapan dan Karakterisasi Platform Nano

Foil polyuretan (15 × 15 mm, 0,05 mm) di celupkan dalam suspensi air AgNP (100 mg l⁻¹), GO (200 mg l⁻¹), atau Ag–GO (200 mg l⁻¹) yang disiapkan melalui ultrasonikasi (20 kHz, efisiensi 60 %, 30 °C). Sampel yang dilapisi dicuci dengan air deionisasi dan dikeringkan dalam kondisi steril. Pengukuran TEM, Raman, FT-IR, potensi zeta, dan DLS mengonfirmasi morfologi dan stabilitas setiap formulasi (detail disediakan dalam Materi Tambahan).

Budidaya Bakteri dan Uji Keberlayanan

Salmonella enteritidis (ATCC 13076) ditanam pada agar soja tripsin, dipanen, dan diukur dengan OD₆₀₀ untuk mencapai 5 × 10³ CFU ml⁻¹ dalam kaldu MH. Foil diinkubasi dengan bakteri selama 24 jam pada 37 °C. Setelah inkubasi, keberlayanan bakteri diukur menggunakan PrestoBlue, dan jumlah CFU diperoleh dengan pengenceran berturut-turut dan plating.

Mikroskopi Elektron Pemindai

Sampel bakteri dan sel di-fixasi dalam gluteraldehida 2,5 %, dikontras dengan oksida osmium, dihidrasi, dikeringkan titik kritis, dan dilapisi emas sebelum pengcitraan SEM pada 15 kV.

Kultur Sel Manusia

HUVEC dan fibroblast dikultur dalam media serum rendah dengan suplemen (detail di atas). Sel ditanam secara langsung pada foil (1 × 10⁴ sel ml⁻¹) dan diinkubasi selama 24 jam. Keberlayanan dievaluasi dengan fluoresensi PrestoBlue (λ_ex = 560 nm, λ_em = 590 nm). Morfologi diperiksa dengan mikroskopi kontras fasa.

Uji Membran Alantois-Korion

Embrio (Hari 8) diekspos pada foil yang ditempatkan pada membran alantois-korion selama 48 jam. Membran dipanen, difoto secara stereoskopik, dan dievaluasi untuk integritas vaskular.

Analisis Array Antibodi

Supernatan fibroblast (80 µl per sampel) digabungkan, diencerkan, dan diuji pada array antibodi (Abcam, katalog ab134003) untuk mengukur 40 sitokina inflamasi. Sinyal terdeteksi dengan streptavidin terkonjugasi HRP dan difoto pada sistem ChemiDoc.

Analisis Statistik

Data dianalisis dengan ANOVA satu arah dan uji post-hoc Tukey’s HSD (GraphPad Prism 8). Signifikansi ditetapkan pada *p* < 0,05.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan selama studi ini tersedia dari penulis yang bersangkutan atas permintaan yang wajar.

Singkatan

Ag-GO

Komposit nanopartikel perak dan grafena oksida

AgNPs

Nanopartikel perak

CFU

Unit pembentukan koloni

DLS

Pencitraan cahaya dinamis

FT-IR

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

GM-CSF

Faktor stimulasi koloni granulosit-makrofag

GO

Grafena oksida

HUVECs

Sel endotel vena tali pusat manusia

IL-6

Interleukin 6

IL-8

Interleukin 8

SEM

Mikroskop elektron pemindai

TEM

Mikroskop elektron transmisi

TNF-α

Faktor nekrosis tumor alfa

TNF-β

Faktor nekrosis tumor beta