Preparación, caracterización y estudios de estabilidad de redes metal orgánicas de plata y su acción bactericida vs Escherichia coli y Staphylococcus aureus

Abstract

Actualmente la preocupación por el control de epidemias ha incrementado debido a la resistencia que las bacterias han desarrollado a los antibióticos, por lo que desarrollar alternativas que ayuden con esta problemática se ha convertido en una prioridad. Una opción podría ser utilizar materiales que actúen como bactericidas como las redes metal orgánicas (MOF). Las MOF son materiales porosos que pueden ser diseñados mediante la variación de los metales y ligandos, dando como resultado estructuras con diferentes propiedades fisicoquímicas que funcionen en aplicaciones específicas. De acuerdo con lo anterior podrían considerarse candidatas para actuar como agentes bactericidas, debido a i) la liberación de iones o fragmentos de la red de forma lenta o a ii) que el mismo material cuente con dichas propiedades bactericidas per se. La plata (Ag+) se conoce por tener propiedades antibacterianas que mejoran cuando ésta se encuentra ionizada y estructurada a nivel micro o nanométrico. Por lo tanto, en el presente proyecto, se sintetizaron redes metal orgánicas de Ag+ a partir de los ligandos: ácido bencen-1,4-dicarboxílico (BDC), ácido 2,6-naftalendicarboxílico (NDC) y ácido 2,6-piridindicarboxílico (PDC) en rendimientos de moderados a bajos, 43, 48 y 21 %, respectivamente, y se evaluó el efecto bactericida en las bacterias de las especies Staphylococcus aureus y Escherichia coli. Todos los materiales fueron caracterizados por microscopia electrónica de barrido (MEB), difracción de rayos X (DRX), Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), análisis termogravimétrico (ATG) y adsorción de N2. Todas las MOF presentaron estructura cristalina y tamaños de cristal en el orden de nanómetros, con diferentes propiedades fisicoquímicas, en función del ligando. Adicionalmente, la estabilidad de las MOF: AgBDC y AgNDC no se ve afectada ya que mantuvieron la estructura cristalina en medio acuoso, mientras que AgPDC presentó menor estabilidad en agua perdiendo 20 % de cristalinidad. En contraste, los tres materiales son inestables en soluciones fisiológicas amortiguadoras y en medios de cultivo celular que contienen cloruros (PBS (Phosphate- buffered physiological saline), DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium), DMEM + suero fetal bovino y nutrient broth (NB)) y estables en el medio de cultivo NB sin cloro. Finalmente, con la concentración de 20 mg·L-1 de AgBDC en suspensión se presentó una mayor actividad bactericida sobre Escherichia coli comparada con la de Staphylococcus aureus. Sin embargo, la actividad de AgBDC aumentó y se mantuvo sobre E. coli cuando el material está en forma de película o recubrimiento presentando efecto inmediato y prolongado. Dicha película se consideró como un sistema híbrido de tipo AgBDC/AgNPs, debido a las reacciones redox que propician la formación de AgNPs a partir de la MOF AgBDC en presencia del medio de cultivo. Debido a todo lo anterior, la MOF AgBDC se considera un sistema con alto potencial para aplicaciones biológicas, debido a su comportamiento como agente bactericida al instante y persistente.

In recent years the concern for the control of epidemics has increased due to the resistance that bacteria have developed to antibiotics. So, developing alternatives that help with this problem has become a priority. One option could be to use materials that act as bactericides such as metal organic frameworks (MOF). MOFs are porous materials that can be designed by varying the metals and ligands, resulting in structures with different physicochemical properties that work in specific applications. According to the above, they could be considered candidates to act as bactericidal agents, due to i) the slow release of ions or fragments of the network or ii) the own properties of the material to be bactericidal per se. Silver is known to have antibacterial properties that improve when it is ionized and structured at the micro or nanometric level. Therefore, in the present project, MOFs of Ag+ were synthesized from the ligands: benzene-1,4-dicarboxylic acid (BDC), 2,6-naphthalenedicarboxylic acid (NDC) and 2,6-pyridinedicarboxylic acid (PDC) in moderate to low yields ranging, 43, 48 & 21 %, respectively, and the bactericidal effect towards Staphylococcus aureus and Escherichia coli was evaluated. All the materials were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (ATG) and N2 adsorption. All prepared MOFs have crystalline structures and crystal sizes in nanometric scale, with varying physicochemical properties as a function of ligand. Additionally, the stability of the MOFs: AgBDC and AgNDC was not affected since they maintained the crystalline structure in aqueous medium, whereas AgPDC presented lower stability in water, losing 20% of crystallinity. In contrast, the three materials are unstable in biological and culture media containing chlorines (PBS (Phosphate buffered physiological saline), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), DMEM + bovine serum and nutrient broth (NB)) and stable in the NB culture medium without chlorine. Finally, with the concentration of 20 mg·L-1 of AgBDC in suspension there was a higher bactericidal activity on Escherichia coli compared with that of Staphylococcus aureus. However, the activity of AgBDC increased and remained on E. coli when the material is in the form of a film or coating. This film is considered as a hybrid system of AgBDC/AgNPs type, due to the redox reactions that form AgNPs starting from AgBDC in culture media. Because of all the latter, the AgBDC MOF could be considered as a high potential system for biological appliances, due to its behavior as instantaneous and persistent bactericidal agent.