Obtenção e avaliação da atividade antimicrobiana de nanofibras de sílica
dopada com prata pelo método de fiação por sopro em solução (SBS)
(Obtaining and evaluating of the antimicrobial activity of silver doped silica
nanofibers by Solution Blow Spinning (SBS) technique)
A. N. S. Braga1, V.B. Santos¹, D. S. Gomes2, V.N.Simões², G. A. Neves2, R. R. Menezes2 1 Universidade Federal do Piauí
Av. Universitária, s/n – Ininga – Teresina, PI – Brasil
2 Universidade Federal de Campina Grande
Av. Aprígio Veloso, 882 – Bodocongó – Campina Grande, PB – Brasil
Aluskasimoes@homail.com Resumo
Recentemente foi desenvolvida uma nova técnica de produção de nanofibras, a fiação por sopro em solução, SBS. A produção de nanofibras cerâmicas utilizando a técnica SBS destaca-se como uma excelente alternativa para a produção de nanofibras em maior escala. Além disso, nanofibras cerâmicas dopadas com prata são ótimos candidatos a materiais com propriedades antimicrobianas. Assim, o presente trabalho se propõe a desenvolver nanofibras de sílica pura e dopada com prata pelo método SBS e analisar seu potencial como agente antimicrobiano. As fibras foram caracterizadas por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e avaliação da atividade antimicrobiana pelo teste de difusão em ágar. Os resultados mostraram a formação da sílica amorfa na amostra pura e da prata metálica com a sílica amorfa nas amostras dopadas, possuindo diâmetros na faixa de nanômetros. A atividade antimicrobiana evidenciou a formação de halo de inibição para todos os microorganismos gram positivos testados.
Palavras Chave: nanofibras, sílica, prata, SBS, antimicrobiano.
Abstract
Recently, was developed a new technique for the production of nanofibers, the Solution Blow Spinning, SBS. The production of ceramic nanofibers using the SBS technique stands out as an excellent alternative for the production of nanofibers on a larger scale. In addition, silver-doped ceramic nanofibers are excellent candidates for materials with antimicrobial properties. Thus, the present work proposes to develop pure and silver-doped silica nanofibers by the SBS method and to analyze its potential as an antimicrobial agent. The fibers were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and evaluation of the antimicrobial activity by the diffusion test in agar. The results showed formation of the amorphous silica in the pure sample and metallic silver with amorphous silica in the doped samples, with diameters in the nanometer range. The antimicrobial activity evidenced the formation of inhibition halo for all Gram positive microorganisms tested.
INTRODUÇÃO
Com o advento da nanotecnologia, o desenvolvimento tecnológico das fibras cerâmicas voltou-se em grande parte para o estudo e produção de nanofibras. As nanofibras de óxidos cerâmicos possuem características físicas e químicas que lhes fazem ser ótimas candidatas para uma grande gama de aplicações industriais [1-3]. Assim, uma grande variedade de fibras cerâmicas, vêm sendo produzidas em laboratórios de todo o mundo, alargando as possibilidades de aplicação desses materiais e passando a ser uma nova fronteira no desenvolvimento nanotecnológico de materiais cerâmicos de alto desempenho [4-6]. No entanto, a consolidação do seu potencial tecnológico enfrenta limitações associados ao elevado custo de alguns métodos de produção e, principalmente, a baixa produtividade das rotas de produção utilizadas atualmente.
Recentemente, um novo método de fiação de fibras, denominado de fiação por sopro em solução (SBS) [7] foi desenvolvido empregando-se elementos conceituais de eletrofiação [8] e fiação convencional, porém sem a exigência de uma fonte de alta tensão, que é substituída por um fluxo de ar contínuo. Este novo método tem sido utilizado com sucesso para a produção de micro e nanofibras de vários materiais [9-11].
Alguns estudos revelam a eficiência das nanofibras de sílica em sistemas binários e/ou compósitos, [12,13] por apresentarem propriedades apreciáveis, tais como elevada área superficial específica, alta permeabilidade, pequenas dimensões dos poros, boa interconectividade dos poros e potencial para incorporar químicos ativos ou funcionais, gerando um grande interesse para uma variedade de aplicações, com destaque para aplicações na área biomédica, com o uso aprimorado em biomateriais [14,15].
Dentre os diversos materiais usados para aplicações biomédicas, o uso das nanopartículas de sílica e de prata vem crescendo consideravelmente neste setor. Visto que a sílica apresenta biocompatibilidade, baixa toxicidade e disponibilidade sintético escalável [16]. Enquanto a prata possui atividade antibacteriana conhecida há muito tempo, já que a sua toxicidade para as células de humanos é consideravelmente mais baixa do que para a bactéria [17].
Neste contexto, o objetivo deste trabalho é a produção de nanofibras de sílica dopadas com prata utilizando a técnica de fiação por sopro em solução, visando a produção de nanofibras com potencial para aplicação como agente antimicrobiano.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a obtenção das nanofibras de sílica pura e dopada com 4% de prata (Fibra 1) foram utilizados os seguintes reagentes: Poli(vinil) pirrolidona (PVP), álcool etílico P.A. absoluto, tetraetilortosilicato (TEOS), ácido clorídrico (HCl), nitrato de prata (AgNO3) e dimetilformamida (DMF).
Inicialmente, foi preparada a solução para a obtenção das nanofibras de sílica pura: dissolveu-se 0,5 g de PVP em 10 ml de etanol, em seguida adicionou-se 0,8 ml de TEOS e 100 μl de HCl. A solução permaneceu sob agitação constante por cerca de uma hora.
Para obtenção das nanofibras dopadas com prata, foram preparadas inicialmente soluções individuais e simultâneas: 1ª – dissolveu-se o nitrato de prata em 2ml de DMF; 2ª – dissolveu-se 0,5 g de PVP no álcool etílico, posteriormente 0,8 ml de TEOS foi adicionado, sendo a solução acidificada com 0,1 ml de HCl. Em seguida, as soluções foram misturadas e a mistura permaneceu sob agitação por cerca de 30 minutos.
Após a completa dissolução das soluções, as mesmas foram submetidas a fiação com aquecimento do gás, utilizando um forno tubular horizontal. O sistema de fiação é composto por (1) uma fonte de gás comprimido, (2) um regulador de pressão, (3) uma bomba de injeção, (4), uma matriz de fiação, (5) um coletor e (6) um forno tubular horizontal. A temperatura do forno foi ajustada em 300°C durante todo o processo de fiação, porém não foi possível determinar com exatidão a temperatura do gás que fluiu no interior do tubo. Os parâmetros de processamento utilizados foram: taxa de ejeção de 6,6 ml.h-1, pressão do gás de 50psi e ar atmosférico como gás comprimido.
Para a remoção dos compostos orgânicos e formação das fases desejadas foi utilizado um forno tipo mufla. As nanofibras obtidas a partir de soluções foram queimadas à 700°C/2 horas com taxa de aquecimento de 5°C/min. As nanofibras obtidas foram submetidas à análise de difração de raios X. A análise foi realizada em difratômetro de raios X modelo XRD-6000 da Shimadzu com radiação kα do cobre e modo de operação de tempo fixo; com tempo de permanência de 0,60 segundos e passo de 0,02°. Para analisar a morfologia das fibras, foi utilizado um microscópio eletrônico de varreduras (MEV) de modelo FEI, Quanta FEG 250. As amostras foram metalizadas com ouro (Quorum, Q150R), durante 30s a 20mA. Os diâmetros das fibras foram medidos através de um software analisador de imagens (Image J, National Institutes of Health, USA). Para cada amostra, o diâmetro médio e sua distribuição
M2-A8 do Manual Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI)/NCCLS de 2003. Foram utilizados os microrganismos gram-positivos Streptococcus mutans (UA159),
Staphylococcus aureus (ATCC 25923) e Enterococcus faecalis (ATCC 14506) e o
Gram-negativo Escherichia coli (ATCC 25922). Após o período de incubação, a placa foi inspecionada e a inibição do crescimento bacteriano foi determinada pela medida, em mm, dos halos de inibição formados ao redor dos espécimes. O teste foi realizado em triplicata. O halo foi medido utilizando-se o programa Image J e expresso como a média de 12 determinações (4 por corpo de prova) ± os desvios-padrões dos valores obtidos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 apresenta o difratograma das nanofibras pura de sílica tratada termicamente em 700 °C por duas horas. O difratograma mostra apenas uma banda larga, com 2θ variando entre 15 e 35° (com base na ficha cristalográfica JCPDS 52-1379), característica da sílica amorfa proveniente de sua obtenção em temperatura relativamente baixa (700 °C).
0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 2 700 °C
Figura 1. Difratograma de raios X das nanofibras de sílica pura.
A Figura 2 apresenta a imagem micrográfia das nanofibras de sílica pura, comprovando a eficácia da técnica para obtenção de tais fibras.
Figura 2. Imagem micrográfica das nanofibras de sílica pura.
A Figura 3 exibe o difratograma de raios X das nanofibras de sílica dopadas com 4% de prata (Fibra 1). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Fibra 1 In te n si d a d e (u .a .) 2
Figura 3. Difratograma de raios X da Fibra 1.
De acordo com os padrões de difração de raios X apresentados na Figura 3, referente as nanofibras produzidas, nos quais a presença de sílica foi indexada com base na ficha cristalográfica JCPDS 52-1379 e a prata com base na fixa JCPDS 89-3722, pode-se constatar picos característicos da prata e uma banda característica da sílica entre 15 e 35°, confirmando
Provavelmente isto ocorre pela presença do ácido clorídrico, já que a sílica é composta por uma estrutura tridimensional compacta, dificultando assim o ataque do ácido.
A Figura 4(a) apresenta a imagem micrográfica da Fibra 1 e a Figura 4(b) apresenta o gráfico de distribuição dos diâmetros para a respectiva nanofibra.
100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 F re q u ê n ci a R e la tiva (% ) Diâmetro (nm)
Figura 4: Imagem micrográfica da Fibra 1 (a) e distribuição de diâmetros para Fibra 1 (b).
De acordo com as Figuras 4(a) e 4(b), observa-se que a amostra Fibra 1 apresentou fibras finas com poucos aglomerados, possuindo diâmetro médio de 221,6 nm, em uma larga faixa de distribuição, com aproximadamente 70% das fibras com diâmetro abaixo de 350nm, e as demais fibras com diâmetros entre 350 e 603 nm.
No estudo em questão, foi realizada uma análise inicial da atividade antimicrobiana das nanofibras de sílica contendo prata. A utilização da prata é justificada pelo fato de ser um material conhecidamente capaz de exibir uma toxicidade forte contra um amplo espectro de microorganismos, com o mínimo de perturbação de células humanas normais. Os resultados dos halos formados estão sumarizados na Tabela I e ilustrados na Figura 6.
Tabela I - Valores médios (mm) do halo de inibição frente aos microorganismos testados.
Síntese
Halo inibição (mm)
S. mutans S. aureus E. faecalis E. coli Nanofibra de com Prata 3,438 ±0,39 0,861±0,11 0,753±0,12 - Dm= 221,6nm Dmáx= 603nm Dmín= 36nm a) b)
Figura 6: Aspecto da placa de Petri.
Após 24h de incubação, as placas foram observadas para verificação da formação ou não dos halos de inibição. No presente estudo observou-se atividade antimicrobiana, com formação de halos de inibição frente aos microorganismos S. mutans, S. aureus e E. faecalis, mas não houve formação de halo para E. coli.
CONCLUSÕES
A técnica de produção de fibras por fiação por sopro em solução apresenta potencial para a síntese de nanofibras de sílica pura e dopadas com prata a partir de sistemas precursores/PVP/álcool etílico, fazendo uso do forno tubular para aquecimento do ar nas condições de processamento estabelecidas. As fibras de sílica dopadas com prata apresentaram uma morfologia fina com poucos aglomerados, possuindo diâmetro médio de 221,6 nm. No teste biológico a manta em análise apresentou atividade antimicrobiana, com formação de halo de inibição para todos os microorganismos Gram positivos testados, porém não apresentou atividade antimicrobiana frente ao microorganismo Gram negativo E. coli.
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