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Avaliação da atividade antimicrobiana e adsortividade de nanopartículas de sílica dopadas com CuO

Evaluation of antimicrobial activity and adsorption of silica nanoparticles doped with CuO

RESUMO

Nanomateriais exibem propriedades que se aplicam nas mais variadas áreas, entre estas, na área da saúde e agrícola, nas quais as pesquisas vêm aumentando progressivamente. Neste trabalho sintetizamos nanopartículas de sílica não porosas dopadas com óxido de cobre (CuO) usando método de Stöber com pequenas modificações. Em adição, a atividade antimicrobiana destes compostos contra Staphylococcus aureus, Escherichia coli e Candida albicans foi avaliada. Primeiramente, o nanomaterial foi caracterizado por difração de raios-X para identificação da fase CuO na matriz de sílica, e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier identificando as principais bandas do SiO2 e a funcionalização do CuO. Por fim, a morfologia das partículas foi observada por microscopia eletrônica de varredura a qual mostrou formação de nanopartículas esféricas com tamanho aproximado de 70 nm. As nanopartículas de sílica dopadas com CuO mostraram eficiência na inibição dos três tipos de microrganismos testados neste trabalho, formando halos de inibição entre 19,0 e 25,0 mm. Nos ensaios de adsorção usando azul de metileno, foi possível observar que a presença de CuO na superfície das nanopartículas de sílica modificou as características de adsorção, aumentando a capacidade e a cinética de adsorção e desta forma mostrando ser um nanomaterial com características interessantes para aplicações na agricultura e em diferentes áreas da saúde.

Palavras-chaves
nanomateriais; nanopartículas de sílica dopadas; óxido de cobre; atividade antimicrobiana; adsorção

ABSTRACT

Nanomaterials exhibit properties that apply in a wide range of area, including health and agriculture, where research is progressively increasing. In this work we synthesize non-porous silica nanoparticles doped with copper oxide (CuO) using Stöber's method with small modifications. In addition, the antimicrobial activity of these compounds against Staphylococcus aureus. Escherichia coli and Candida albicans was evaluated. First, the nanomaterial was characterized by X-ray diffraction to identify the CuO phase in the silica matrix, and Fourier transform infrared spectroscopy identifying the main SiO2 vibration bands and the CuO functionalization. Finally, the particle morphology was observed by scanning electron microscopy which showed formation of spherical nanoparticles size ~70 nm. CuO-doped silica nanoparticles showed efficiency in the inhibition of the three types of microorganisms tested in this work, forming inhibition halos between 19.0 and 25.0 mm. In the adsorption tests using methylene blue, it was possible to observe that the presence of CuO on the surface of the silica nanoparticles modified the adsorption characteristics, increasing the adsorption capacity and kinetics and thus showing to be a nanomaterial with interesting characteristics for applications in the agriculture and in different areas of health.

Keyword
Nanomaterials; doped silica nanoparticles; copper oxide; antimicrobial activity; adsorption

1. INTRODUÇÃO

Nanomateriais vêm despertando interesse devido às propriedades que adquirem em decorrência da grande área superficial na escala em que se encontram. As nanopartículas metálicas são avaliadas em diversas áreas de aplicação, atuando como catalisadores [11 LI, S., WANG, L., CHU, J., et al., “Investigation of Au@Co-B nanoparticles as anode catalyst for direct borohydride fuel cells”, International Journal of Hydrogen Energy, v. 41, n. 20, pp. 8583–8588, Jun. 2016.44 YAN, S., ZHANG, S., LIN, Y., et al., “Electrocatalytic performance of gold nanoparticles supported on activated carbon for methanol oxidation in alkaline solution,” Journal of Physical Chemistry C, v. 115, n.14, pp. 6986–6993, 2011.], carreadores de fármacos [55 PENG, H., HU, J., HU, C., et al., “Fe3O4@mZnO nanoparticles as magnetic and microwave responsive drug carriers”, Microporous Mesoporous Materials, v. 226, pp. 140–145, May 2016.77 NADEEM, S., IJAZ, S., “Impulsion of nanoparticles as a drug carrier for the theoretical investigation of stenosed arteries with induced magnetic effects”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 410, pp. 230–241, Mar. 2016.], anti-inflamatórios [88 DOHNERT, M. B., FERREIRA, G. K., SILVEIRA, P. C. L., et al., “Inflammatory Cytokines Content in Achilles Tendinopathy after Phonophoresis Treatment Combined with Gold Nanoparticles and Diclophenac Diethylammonium in Rats”, Inflammation, v. 38, n. 3, pp. 1044–1049, 2014.] propriedades ópticas [99 EUSTIS, S., EL-SAYED, M. A, “Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes”, Chemical Society Reviews, v. 35, n. 3, pp. 209–217, 2006.] e com potencial antimicrobiano [1010 ICONARU, S. L., CHIFIRIUC, M. C., GROZA, A., “Structural and Antimicrobial Evaluation of Silver Doped Hydroxyapatite-Polydimethylsiloxane Thin Layers”, Journal of Nanomaterials, v. 2017, pp. 1–9, 2017., 1111 KRUK, T., SZCZEPANOWICZ, K., STEFAŃSKA, J., et al., “Synthesis and antimicrobial activity of monodisperse copper nanoparticles”, Colloids Surfaces B Biointerfaces, v. 128, pp. 17–22, Apr. 2015.]. Já é de conhecimento científico que prata e cobre apresentam atividade contra microrganismos, atuando como agentes antimicrobianos [1212 DEALBA-MONTERO, I., GUAJARDO-PACHECO, J., MORALES-SÁNCHEZ, E., et al., “Antimicrobial Properties of Copper Nanoparticles and Amino Acid Chelated Copper Nanoparticles Produced by Using a Soya Extract”, Bioinorganic Chemistry and Applications, v. 2017, pp. 1–6, 2017.1818 KIM, J. S., KUK, E., YU, K. N., et al., “Antimicrobial effects of silver nanoparticles”, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, v. 3, n. 1, pp. 95–101, Mar. 2007.], porém esses nanomateriais metálicos são instáveis tendendo com o tempo a formarem óxidos para adquirirem estabilidade termodinâmica, o que torna importante o estudo da atividade antimicrobiana paraos seus estados oxidados, com finalidade de averiguar a permanência das propriedades originais. Óxidos metálicos nanoparticulados com atividade catalítica e antimicrobiana, como é o caso de ZnO, TiO2 e CuO, apresentam maior estabilidade quando comparados com materiais orgânicos e nanometálicos, sendo estes óxidos térmicos e quimicamente inertes.

Óxido de cobre é um conhecido semicondutor do tipo p possuindo aplicações foto-elétrica [1919 HUANG, H., CHEN, R., WANG, P., et al., “Synthesis of CuO nanowalnuts and nanoribbons from aqueous solution and their catalytic and electrochemical properties”, Nanoscale, v. 4, n. 3, pp. 2613, 2012.], fotocatalítica [2020 AKHAVAN, O., GHADERI, E., “Cu and CuO nanoparticles immobilized by silica thin films as antibacterial materials and photocatalysts”, Surface and Coatings Technology, v. 205, n. 1, pp. 219–223, Sep. 2010.] e também atividade antimicrobiana [2121 KHASHAN, K. S., SULAIMAN, G. M., ABDULAMEER, F. A., “Synthesis and Antibacterial Activity of CuO Nanoparticles Suspension Induced by Laser Ablation in Liquid”, Arabian Journal for Science and Engineering, v. 41, n. 1, pp. 301–310, Jan. 2016., 2222 AHAMED, M., ALHADLAQ, H. A., KHAN, M. A. M., et al., “Synthesis, Characterization, and Antimicrobial Activity of Copper Oxide Nanoparticles”, Journal of Nanomaterials, v. 2014, pp. 1–4, 2014.] podendo agir como fungicida em aplicações na agricultura [2323 ESLAMI CHALANDAR, H., REZA GHORBANI, H., et al., “Antifungal Effect of Copper and Copper Oxide Nanoparticles Against Penicillium on Orange Fruit”, Biosciences, Biotechnology Research Asia, vol. 14, no. 1, pp. 279–284, Mar. 2017.] de forma isolada ou juntamente com zeólitas [2424 ALSWAT, A. A., BIN AHMAD, M., HUSSEIN, M. Z., et al., “Copper oxide nanoparticles-loaded zeolite and its characteristics and antibacterial activities”, Journal of Materials Science & Technology, vol. 33, no. 8, pp. 889–896, Aug. 2017.], além de ser um material mais barato que a prata. Nanopartículas de CuO podem também atuar como biosensores na detecção de fungos, como no caso do Aspergillus niger [2525 ETEFAGH, R., AZHIR, E., SHAHTAHMASEBI, N., “Synthesis of CuO nanoparticles and fabrication of nanostructural layer biosensors for detecting Aspergillus niger fungi”, Scientia Iranica, v. 20, n. 3, pp. 1055–1058, 2013.].

Quando se pensa em aplicações de nanomateriais a ação esperada não depende somente das partículas que realizam esta função, mas também do tipo de suporte empregado com finalidade de potencializar suas propriedades [33 ISAIFAN, R. J., NTAIS, S., BARANOVA, E. A., “Particle size effect on catalytic activity of carbonsupported Pt nanoparticles for complete ethylene oxidation”, Applied Catalysis A: General, v. 464–465, pp. 87–94, 2013., 44 YAN, S., ZHANG, S., LIN, Y., et al., “Electrocatalytic performance of gold nanoparticles supported on activated carbon for methanol oxidation in alkaline solution,” Journal of Physical Chemistry C, v. 115, n.14, pp. 6986–6993, 2011., 2626 EL-NAHHAL, I. M., SALEM, J. K., SELMANE, M., et al., “Synthesis and structural characterization of ZnO and CuO nanoparticles supported mesoporous silica SBA-15”, Chemical Physics Letters, v. 667, pp. 165–171, Jan. 2017.]. Foi demonstrado que suportes de carbono Vulcan e de nanotubos de carbono tiveram papel significativo na atividade catalítica aplicadas em células a combustível devido à grande área superficial aliada aos elétrons dispostos na superfície desses suportes [2727 ANTOLINI, E., “Carbon supports for low-temperature fuel cell catalysts”, Applied Catalysis B: Environmental journal, v. 88, pp. 1–24, 2009.].

Além dos nanomateriais a base de carbono, nanopartículas de sílica têm atraído a atenção para aplicação como suporte. São consideradas nano reservatórios podendo adquirir morfologias variadas aplicadas na área médica como nanocarreadores de biomoléculas [66 PRASAD, P. V., SHRIVASTAV, T. G., “Nanotechnological Contribution to Drug Delivery System: A Reappraisal”, Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology Reappraisal, v. 5, n. 5, pp. 194–199, 2014., 2828 CHENG, Y.-J., ZENG, X., CHENG, D.-B., et al., “Functional mesoporous silica nanoparticles (MSNs) for highly controllable drug release and synergistic therapy”, Colloids Surfaces B Biointerfaces, vol. 145, pp. 217–225, 2016., 2929 WANG, Y., ZHAO, Q., HAN, N., et al., “Mesoporous silica nanoparticles in drug delivery and biomedical applications”, Nanomedicine Nanotechnology, Biology and Medicine, v. 11, n. 2, pp. 313– 327, 2015.] e na agricultura atuando como nanopesticidas, nanoherbicidas e nanofertilizantes quando funcionalizadas [3030 SONG, M.-R., CUI, S.-M., GAO, F., et al., “Dispersible silica nanoparticles as carrier for enhanced bioactivity of chlorfenapyr”, Journal of Pesticide Science, v. 37, n. 3, pp. 258–260, 2012.3232 ALI, M. A., REHMAN, I., IQBAL, A., et al., “Nanotechnology: A new frontier in Agriculture”, Advancements in Life Science, v. 1, n. 3, pp. 129–138, 2014.]. Por serem inertes, robustas, de fácil obtenção e possuindo alta área superficial, nanopartículas de sílica são ótimos substratos para serem usados como suportes e para reduzir a porção química dos princípios ativos. Em adição, podem atuar como adsorventes com potencial aplicação na remoção de corantes e determinação do azul de metileno [3333 FAN, J. , XIE, Z.-H., TENG, X.-X., et al., “Determination of methylene blue by resonance light scattering method using silica nanoparticles as probe”, Chinese Chemical Letters, v. 28, n.5, pp.1104-1110, Nov. 2016.] ou na remoção de contaminantes de solos. Além das funções relevantes de adsorção podem ainda serem imobilizadas em tecidos resultando em hidrofobicidade [3434 NISCHALA, K. RAO, T. N., HEBALKAR, N., “Silica–silver core–shell particles for antibacterial textile application”, Colloids Surfaces B Biointerfaces, v. 82, n. 1, pp. 203–208, 2011.3636 GURAV, A. B., XU, Q., LATTHE, S. S., et al., “Superhydrophobic coatings prepared from methylmodified silica particles using simple dip-coating method”, Ceramics International, v. 41, n. 2, pp. 3017– 3023, 2015.]. Nesse trabalho as nanopartículas de sílica dopadas com óxido de cobre foram devidamente sintetizadas e caracterizadas para a avaliação da sua atividade antimicrobiana e do efeito na adsortividade com o objetivo de obter multifuncionalidade deste composto nas aplicações em diferentes áreas da saúde e agrícola, tanto na atuação contra microrganismos quanto na capacidade de retenção e liberação lenta de compostos químicos.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para o estudo deste trabalho foram utilizados os seguintes reagentes: Ortossilicato de tetraetilo (TEOS) adquirido da Sigma Aldrich (St. Louis, Estados Unidos), etanol absoluto fornecida pela Synth (São Paulo, Brasil), hidróxido de amônia fornecido pela Química Moderna (São Paulo, Brasil), cloreto de cobre dihidratado fornecido pela Vetec (Rio de Janeiro, Brasil), azul de metileno (AM) fornecido pela Lafan Química Fina (São Paulo, Brasil). Para os ensaios microbiológicos, os meios de cultura necessários foram: Plate Count Agar (PCA), Saboraud Dextrose Agar (SDA), caldo Luria-Bertani (LB) e caldo Brain Heart Infusion (BHI) da Himedia Laboratories (Mumbai, India). Os microrganismos Staphylococcus aureus (ATCC 27853), Escherichia coli (ATCC 25922) e Candida albicans (ATCC 10231) foram adquiridos da Newprov (Paraná, Brasil).

2.1 Síntese de nanopartículas de sílica

Para a síntese de nanopartículas de sílica foi usado o método adaptado de Stöber [3737 STÖBER, W., FINK, A., BOHN, E., “Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range”, Journal of Colloid and Interface Science, v. 26, n. 1, pp. 62–69, 1968., 3838 BAE, G. Y., MIN, B. G., JEONG, Y. G., et al., “Superhydrophobicity of cotton fabrics treated with silica nanoparticles and water-repellent agent”, Journal of Colloid and Interface Science, v. 337, n. 1, pp. 170–175, Sep. 2009]. Foram preparadas duas soluções nomeadas A e B. Para A, foram misturados 8,1 ml de TEOS com 13,7 ml de etanol. Na solução B, foram misturados 13,7 ml de etanol, 53,0 ml de água destilada e 0,2 ml de hidróxido de amônia. Em um erlenmeyer colocou-se a solução A e posteriormente adicionou-se rapidamente a solução B. A mistura permaneceu sob agitação rigorosa em temperatura ambiente por 24 h. O material foi então centrifugado e lavado com água e etanol por três vezes e posteriormente foi secado em estufa a 80°C.

2.2 Síntese de nanopartículas de sílica dopadas com CuO

Na síntese das nanopartículas de sílica dopadas seguiu-se a mesma metodologia descrita na seção anterior salvo a adição de 0,620g (proporção 1:10 molar em relação ao TEOS) de cloreto de cobre dihidratado na solução B e o pH foi corrigido com hidróxido de amônia permanecendo entre 11 e 12. Em seguida, a mistura foi adicionada no erlenmeyer permanecendo sob agitação vigorosa a temperatura ambiente por 24h. O material de coloração azulada foi centrifugado, lavado com água e etanol e posteriormente foi secado em estufa a 80°C.

2.3 Caracterização

Para identificação da fase cristalina do óxido de cobre e a fase amorfa da sílica, o pó sintetizado foi analisado por difração de raios-X em um equipamento Shimadzu, modelo XRD-6000 (radiação Cu Kα λ= 0,15405 nm) equipado com filtro de Ni e uma taxa de varredura de 2º por minuto. Na espectroscopia no Infravermelho (FT-IR) o material foi analisado usando pastilhas de KBr (proporção 1:100 massa/massa do material em relação ao KBr) com auxílio de um equipamento Shimadzu, modelo IRPrestige. As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram realizadas em equipamento Leica modelo Leo-440i para observar a morfologia e tamanho das partículas.

2.4 Atividade antimicrobiana

Para avaliação da atividade antimicrobiana das nanopartículas de sílica dopadas com CuO, foi realizado o teste de difusão em ágar com três microrganismos: Staphylococcus aureus Escherichia coli e Candida albicans. Os meios de cultura utilizados para o cultivo microbiano foram LB e PCA para as bactérias Escherichia coli e Staphylococcus aureus e o meio BHI e SDA para a levedura Candida albicans. Todos os materiais utilizados no teste foram esterilizados em autoclave a 121°C por 15 min. Após crescimento microbiano nos meios líquidos LB e BHI foram realizadas as suspensões em escala de MacFarland 0,5, a fim de se obter uma densidade microbiana de aproximadamente 108 UFC/mL. Em seguida, as suspensões foram espalhadas em meio de cultura PCA e SDA com auxílio de swab estéril e após, perfurado dois poços (0,9 e 1,0 cm de diâmetro interno e externo, respectivamente) em cada meio. Uma porção de 0,050 g (± 0,001 g) das nanopartículas de sílica dopadas com CuO foram adicionados nos poços e umidificado com 50µL de água destilada. As placas foram incubadas a 37 ºC por 24 h e após este período foi verificado o halo inibitório.

2.5 Adsorção

O comportamento de adsorção das nanopartículas de sílica dopadas foi realizado em temperatura ambiente (22°C) usando o corante AM e comparado com as nanopartículas de sílica não dopadas. Previamente foi dissolvida em água destilada uma quantidade de AM adquirindo uma solução de concentração igual a 40 mg/L. A concentração de AM foi mantida fixa variando a massa do nanomaterial (50 e 75 mg). O adsorvente foi disperso em 50 ml da solução de AM sob agitação vigorosa no escuro por 420 minutos. Num intervalo de tempo de 5 min foi retirado 3 ml da mistura. Em seguida, uma alíquota desta mistura foi centrifugada por 5 min a 10000 RPM para retirar o adsorvente. A concentração das alíquotas foi determinada por espectroscopia no UV-Vis (Shimadzu, UV-1800). A capacidade e o percentual de eficiência de adsorção dos nanomateriais foram determinados usando respectivamente as equações (1) e (2) [3939 FAKHRI, H., MAHJOUB, A. R., AGHAYAN, H., “Effective removal of methylene blue and cerium by a novel pair set of heteropoly acids based functionalized graphene oxide: Adsorption and photocatalytic study”, Chemical Engineering Research and Design, v. 120, pp. 303–315, Apr. 2017.]:

C a p a c i d a d e d e a d s o r ç ã o = C 0 - C t * V / m (1)
% d e e f i c i ê n c i a = C 0 - C t / C 0 * 100 (2)

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Análise da formação e composição das nanopartículas

Os resultados de caracterização com FTIR, DRX e MEV foram comparados com nanopartículas de sílica não dopadas, sintetizadas pelo método Stöber. A formação de nanopartículas de sílica ocorreu pela hidrolização do TEOS em presença de etanol catalisada por uma base, que neste caso foi o hidróxido de amônia. Os estágios de reação de formação de CuO suportadas nas nanopartículas de sílica podem ser ilustradas no esquema da Figura 1 e representada pelas reações a seguir [3838 BAE, G. Y., MIN, B. G., JEONG, Y. G., et al., “Superhydrophobicity of cotton fabrics treated with silica nanoparticles and water-repellent agent”, Journal of Colloid and Interface Science, v. 337, n. 1, pp. 170–175, Sep. 2009]:

  1. (1) Hidrólise

    • Si - OC 2 H 5 4 + 4 H 2 O Si - OH 4 + 4 C 2 H 5 OH

  2. (2) Condensação de álcool

    • Si - OH 4 + Si - [ OC 2 H 5 ] 4 Si - O - Si + 4 C 2 H 5 OH

  3. (3) Condensação de água

    • Si ( OH ) 4 + Si ( OH ) 4 Si - O - Si + 4 H 2 O

Figura 1
Diagrama esquemático da formação de nanopartículas de sílica dopadas com CuO.

Após a hidrolização do TEOS há formação de grupos silanóis iniciando a formação de sílica. Durante esse processo ocorre a formação sol-gel que deixa a mistura com aspecto esbranquiçado. Nesta etapa há formação das partículas de sílica e quando adicionado o sal de cobre a mistura torna-se imediatamente azul. Com presença dos íons de Cu2+ os grupos silanóis localizados na superfície da partícula participam da formação do óxido de cobre, observados no FTIR em 1110 cm-1 mostrado na Figura 2, da qual se distingue do espectro da sílica não dopada, que também apresenta a mesma banda de vibração, porém com menor intensidade. Isso dá indícios de que partículas de CuO modificaram a superfície das partículas de sílica interagindo com ligações terminais de grupos silanóis aumentando a intensidade da vibração assimétrica Si-O-Si em 1110 cm-1.

Figura 2
Espectroscopia no infravermelho de nanopartículas de sílica sem e com presença de CuO.

Em 3448 cm-1 caracteriza vibração associada a grupos -OH de água ou silanóis Si-OH [4040 MOURHLY, A., KHACHANI, M., EL HAMIDI, A., et al., “The Synthesis and Characterization of Low-cost Mesoporous Silica SiO2 from Local Pumice Rock”, Nanomaterials and Nanotechnology, v. 5, p.1, 2015.], em 1640 cm-1 vibração associada à bandas de -OH de moléculas de água adsorvida na superfície da partícula e em 1110 cm-1 banda de vibração de estiramento assimétrico de ligações Si-O-Si [4141 ZULFIQAR, U., SUBHANI, T., WILAYAT HUSAIN, S., “Synthesis of silica nanoparticles from sodium silicate under alkaline conditions”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, v. 77, n. 3, pp. 753–758, 2016.]. A presença de CuO pode ser confirmada com as vibrações de estiramentos de CuO ao longo da direção [101] observadas em alta frequência abaixo de 455 cm-1 [4242 ETHIRAJ, A. S., KANG, D. J., “Synthesis and characterization of CuO nanowires by a simple wet chemical method”, Nanoscale Research Letters, v. 7, n. 1, pp. 70, 2012.].

No difratograma de raios X, foi identificado a presença do óxido de cobre nos ângulos 2θ= 32,2° e 39,8°, destacados na Figura 3, correspondentes com o cartão JCPDS n° 45-0937, junto à estrutura amorfa de sílica que aparece em 23,8°. Nanopartículas de sílica amorfas apresentam-se em geral preferíveis devido a maior área de superfície e por serem menos nocivas a saúde humana [4343 TARN, D., ASHLEY, C. E., XUE, M., et al., “Mesoporous silica nanoparticle nanocarriers: Biofunctionality and biocompatibility”, Accounts of Chemical Research, v. 46, n. 3, pp. 792–801, 2013., 4444 HUDSON, S. P., 10373PADERA, R. F., LANGER, R., et al., “The biocompatibility of mesoporous silicates”, Biomaterials, v. 29, n. 30, pp. 4045–4055, Oct. 2008.].

Figura 3
Difratograma de raios-X de nanopartículas de sílica dopadas e não dopadas com CuO.

As partículas de sílica sem cobre apresentaram formato esférico com tamanho médio de 70 nm, como mostrado na figura 4A e 4C confirmando a formação de nanopartículas de sílica. Na mesma imagem, na figura 4B se apresentam de forma aglomerada nanopartículas de sílica dopadas com CuO.

Figura 4
Microscopia eletrônica de varredura com ampliações de 20,000X de (A) nanopartículas de sílica não dopadas com CuO, (B) nanopartículas de sílica dopadas com CuO e (C) ampliação de 60,000X para nanopartículas de sílica não dopadas.

3.2 Atividade antimicrobiana

As nanopartículas de sílica dopadas de CuO foram eficientes com os três microrganismos testados, observando zonas de inibição ao redor do material, como mostrado na Figura 5. Os valores dos diâmetros da zona de inibição das nanopartículas para os três microrganismos estão descritos na Tabela 1, sendo que a bactéria E. coli apresentou maior sensibilidade do que os outros microrganismos testados.

Tabela 1
Zona de inibição de nanopartículas de sílica dopadas com CuO nos três microrganismos.

O mecanismo da inibição antimicrobiana pode ocorrer devido a formação de peróxidos e radicais livres formados nas superfícies das nanopartículas de CuO que aderem na membrana celular do microrganismo [4545 SUBRAMANIAN, B., PRIYA, K. A., RAJAN, S. T., et al., “Antimicrobial activity of sputtered nanocrystalline CuO impregnated fabrics”, Materials Letters, v. 128, pp. 1–4, 2014.]. Por outro lado, outro mecanismo proposto é resultante da liberação de íons de Cu, que atravessa a membrana celular do microrganismo desorganizando e causando danos na sua estrutura celular [4646 AKHAVAN, O., GHADERi, E., “Cu and CuO nanoparticles immobilized by silica thin films as antibacterial materials and photocatalysts”, Surface & Coatings Technology, v. 205, pp. 219–223, 2010.].

Figura 5
Zona de inibição de nanopartículas de sílica dopadas com CuO para (A) .scherichia coli (B) Staphylococcus aureus e (C) Candida albicans.

3.3 Análise de adsorção

Os ensaios de adsorção demonstraram que a presença de CuO alterou de forma significativa o comportamento na adsortividade do AM. As nanopartículas de sílica dopadas com CuO tiveram maior capacidade de adsorção quando comparadas com a sílica não dopadas, podendo ser verificado na Figura 6A e 6C para as massas de 50 mg e 75 mg, nomeadas como SiO2/CuO-50mg e SiO2/CuO-75mg, respectivamente.

A cinética de adsorção também foi modificada, sendo que com presença de CuO a adsorção do AM foi mais rápida atingindo a saturação e após um período breve iniciando um processo de dessorção, liberando AM na solução e diminuindo qt até estabilizar por volta de 20 mg/g. Já para a sílica, o comportamento de adsortividade aumenta gradativamente oscilando até estabilizar por volta de 10 mg/g. Em relação a eficiência, as nanopartículas dopadas tiveram melhor desempenho chegando a 95% de remoção quando disperso 75 mg do nanomaterial em 50 ml do AM na concentração estabelecida no experimento (40 mg/L) e por efeito de dessorção, diminuindo com o tempo até estabilizar por volta de 65%.

Figura 6
Cinética e eficiência na adsorção de AM para nanopartículas de SiO2/CuO e SiO2 com 50 e 75 mg em concentração fixa (40 mg/L) de AM: (a -c) comparação da cinética de adsorção; (b -d) comparação de eficiência na adsorção do AM.

Com os espectros no infravermelho apresentado na Figura 7, as bandas de estiramento Si-O-Si reduziram conforme a capacidade de adsorção aumentou, para as amostras SiO2/CuO-50mg e SiO2/CuO75mg. Isso indica que grupos derivados de silanos têm participação no mecanismo de adsorção do AM. A presença do AM foi observada com o surgimento da banda em 2941 e 2890 cm-1 associadas ao estiramento de C-H aromático e em 1400 cm-1associado ao CH2. Em relação à presença do CuO, o espectro da Figura 8 indica que as bandas associadas ao CuO em 350 cm-1 desaparecem após a adsorção. Isso dá indícios de que as partículas do óxido de cobre presentes na superfície da nanopartícula de sílica também atuam na adsorção, explicando a mudança da cinética.

Figura 7
À esquerda os espectros no infravermelho sobrepostos de nanopartículas de sílica dopadas e não dopadas com CuO após a adsorção. Na direita uma região selecionada do espectro detalhando a interação entre ligação Si-O-Si e oAM.
Figura 8
Região no espectro do infravermelho sobrepostos das nanopartículas de sílica dopadas com CuO antes e após a adsorção do AM detalhando o desparecimento da banda associado a vibração de estiramento do CuO.

O azul de metileno é um corante catiônico que possui forma planar preferindo uma adsorção em monocamada [4747 TAN, K. B., VAKILI, M., HORRI, B. A., et al., “Adsorption of dyes by nanomaterials: Recent developments and adsorption mechanisms”, Separation And Purification Technology, v. 150, pp. 229– 242, 2015.]. A forte interação do adsorvato-adsorvente proveniente da presença de grupos catiônicos contribui para o comportamento adsortivo e pela nanopartícula de sílica ter característica hidrofóbica, tem uma interação menor com o solvente. Quando dopadas, a presença de pontos aglomerados de CuO e de íons Cu2+ perturba o equilíbrio fazendo com que haja maior atração iônica da superfície do nanomaterial com as moléculas do adsorvato. Por ter uma característica iônica, a hidrofobicidade diminui permitindo com que haja uma competição entre o adsorvato e o solvente na disputa de ocupar um sítio ativo, o que poderia explicar o processo de dessorção prolongada.

4. CONCLUSÃO

Foram sintetizadas nanopartículas de sílica dopadas com CuO pelo método Stöber de tamanho inferior a 100 nm. O nanomaterial apresentou eficiência contra os três microrganismos estudados neste trabalho, indicando possível potencial para aplicações em diferentes áreas da saúde agindo contra microrganismos patogênicos. A presença de CuO na superfície das nanopartículas de sílica modifica a capacidade de adsorção aumentando a cinética e chegando a saturação rapidamente. As nanopartículas de sílica executam após a adsorção, fenômeno de dessorção, liberando de forma lenta o azul de metileno para o meio. Isso demonstra potencial aplicação multifuncional na agricultura como substância adsorvente, que retém contaminante ou na adsorção de suplementos, seguido posteriormente de liberação lenta e controlada melhorando a qualidade de solos e plantios.

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    20 Maio 2019
  • Data do Fascículo
    2019

Histórico

  • Recebido
    13 Jul 2017
  • Aceito
    28 Set 2017
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