Síntese de nanopartículas de prata em matriz de polissilazano e sua aplicação como revestimento antibacteriano em substratos metálicos

Abstract

O acúmulo e crescimento de bactérias em superfícies úmidas, por vezes denominados de biofouling, gera grande preocupação em inúmeras aplicações. Em dispositivos médicos, por exemplo, o crescimento de micro-organismos traz sérios riscos de infecções, bem como, em sistemas de refrigeração ou ainda em tanques de tratamento de águas, nos quais acúmulo de micro-organismos causa diminuição na eficiência dos sistemas e elevados custos ao processo. Nesse contexto, oligossilazano comercialmente disponível (ML33) foi funcionalizado com nanopartículas de prata (nAg) com o objetivo de desenvolver revestimentos para aplicação em substratos metálicos com propriedades antibacterianas. Enquanto as nAg são conhecidas devido a suas propriedades biocida, o grupo Si-H do ML33 promove uma excelente adesão do revestimento em substratos metálicos. Na primeira parte, a síntese foi realizada usando Dimetilformamida(DMF), Dibutil Éter(DBE) e Tolueno a fim de se estudar a influência das propriedades dos solventes na formação das nAg. Os resultados obtidos evidenciaram que ambos, DMF e o ML33, agiram como agentes redutor do AgNO3, o que permitiu uma potencialização da concentração de nanopartículas formadas. Além disso, o solvente DMF, por apresentar a maior polaridade entre os solventes testados, promoveu melhor estabilidade ao meio, sendo por isso definido para as sínteses subsequentes. Em seguida, um planejamento central composto em relação as quantidades de AgNO3 (agente precursor de prata) e ML33 foi proposto com o intuito de encontrar a melhor razão de reagentes a ser utilizada na síntese. Na segunda parte, foram testadas quatros temperaturas de síntese (30, 50, 70, 100ºC) e as amostras resultantes foram caracterizadas por Espectrofotômetro UV-Vis e Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM). Entre as temperaturas testadas, a temperatura de síntese de 70 ° C permitiu a formação da maior concentração de nAg com partículas dimensionadas na faixa de 8 a 12nm. Portanto, esta amostra foi selecionada para ser aplicada pela técnica de dip-coating em um substrato metálico constituído de aço inoxidável 304 e o revestimento foi caracterizado. O resultado obtido com o teste de adesão e o teste do ângulo de contato evidenciaram que o ML33 após a síntese manteve suas propriedades de boa adesão e hidrofobicidade. Além disso, os substratos metálicos foram testados em relação a atividade biocida pelo método da contagem de colônias. As cepas bacterianas foram inoculadas e separadas em duas frações para avaliar a amostra revestida e a referência (o substrato metálico revestido com ML33 puro). As amostras foram deixadas em contato com as bactérias durante 4 e 6 horas e a atividade biocida foi avaliada pela contagem das colônias após 24 horas. O resultado revelou que apenas no revestimento contendo nAg o crescimento das colônias para bactérias Gram-positivas e Gram- negativas foi inibido, revelando o uso potencial desse material funcionalizado como revestimento antibacteriano para substratos metálicos.

Abstract : The accumulation and growth of bacteria on wet surfaces, also known as biofouling, causes great concern in many applications. In medical devices, for example, the growth of microorganisms brings serious risks of infections, as well as in cooling systems or in water treatment tanks, where the accumulation of microorganisms causes a decrease in the efficiency and high costs to the process. In this context, commercially available oligosilazane (ML33) was functionalized with silver (nAg) nanoparticles in order to develop coatings for application on metal substrates with antibacterial properties. While nag s are known due to their biocidal properties, the Si-H group of ML33 promotes excellent adhesion of the coating to metal substrates. In the first part, the synthesis was performed using Dimethylformamide(DMF), Dibutyl ether (DBE) and Toluene in order to study the influence of the solvent on the nAg properties. The obtained results evidenced that both DMF and ML33 acted as reducing agents of AgNO3, which allowed to potentialize the nanoparticle concentration. In addition, the DMF promoted better stability in the medium due to its polarity, presenting the highest value among the tested solvents; therefore, DMF was defined as the solvent for the subsequent syntheses. Then, a Central Composite Design was proposed to determine the quantities of AgNO3 (silver precursor agent) and ML33 in order to find the best reagents ratio to be used in the synthesis. In the second part, four synthesis temperatures (30, 50, 70, 100ºC) were tested and the resulting samples were characterized by UV- Vis Spectrophotometer and Transmission Electron Microscope (TEM). Among the temperatures, the synthesis temperature of 70 ° C allowed the highest nAg concentration with particles sized in the range of 8 to 12 nm. Therefore, this sample was selected to be applied by the dip-coating technique on a metal substrate made of stainless steel 304. The coating was characterized by the adhesion test and the contact angle test, which showed that ML33 after the synthesis maintained its properties of good adhesion and hydrophobicity. Moreover, the metal substrates were tested for biocidal activity by the colony counting method. The bacterial strains were inoculated and separated into two fractions to evaluate the coated sample and reference (the metal substrate coated with pure ML33). The samples were left in contact with the bacteria for 4 and 6 hours and the biocidal activity was evaluated by counting the colonies after 24 hours. The results showed that only in the coating with nAg the colony growth for Gram-positive and Gram-negative bacteria was inhibited, revealing the potential use of this functionalized material as antibacterial coating on metal substrates.