Potencial antimicrobiano de vidros de polifosfato para controle de microrganismos patogênicos em materiais de construção civil

Abstract

Resumo: O surgimento de cepas de microrganismos resistentes aos antimicrobianos tem incentivado a busca por alternativas, especialmente para inativar cepas resistentes e/ou infecções polimicrobianas. Vidros incorporados com íons metálicos são amplamente estudados devido ao seu potencial antimicrobiano. No entanto, a aplicação de vidros polifosfatos e borofosfatos solúveis, sem metais de transição, como agentes antimicrobianos é pouco relatado. O presente trabalho avalia o potencial antimicrobiano de diferentes vidros de fosfatos bioativos: vidro A (polifosfato de sódio, taxa de aquecimento de 20 °C/min, durante 10 min a 700 ºC), vidro L (fosfato com 10% (mol) de boro, obtido com taxa de aquecimento de 20 °C/min, durante 10 min a 700 ºC), vidro K (com sódio, obtido com taxa de aquecimento de 20 °C/min, durante 10 min a 800 ºC), e padrões P1 (polifosfato cristalino sódio (CAS 10361-03 2)), P2 (hexametafosfato de Sódio (CAS 68915-31-1)) e P3 (reagente precursor dos vidros fosfato de sódio anidro (CAS 7558-80-7)). A eficácia antimicrobiana de todos os vidros foi testada contra cepas de bactérias Gram-positiva (Staphylococcus aureus) e Gram-negativa (Escherichia coli), contra a cepa ATCC9028 da levedura Candida albicans e contra os fungos filamentosos Penicillium sp. e Stachybotrys chartarum. A técnica de poço-difusão foi utilizada para avaliar a ação antimicrobiana, enquanto as concentrações inibitórias foram determinadas por microdiluição em caldo (CIM) e bactericida/fungicida mínima (CBM/CFM). As alterações morfológicas dos microrganismos foram avaliadas através de microscopia de fluorescência e eletrônica de varredura (MEV). A caracterização química dos vidros foi realizada por FTIR e medição do pH. No poço-difusão, os vidros A, L e K exibiram efeito inibitório contra S. aureus, porém não apresentaram ação contra E. coli. Os padrões P1 e P2 inibiram o crescimento apenas de S. aureus e o padrão P3 não apresentou efeito inibitório sobre nenhuma das bactérias. Para os fungos, todos os vidros apresentaram ação inibitória. Os padrões P1 e P2 também apresentaram atividade antifúngica, comparado com o P3 que não teve ação em nenhum microrganismo. No teste de estabilidade, nos dias 15 e 30 o vidro L apresentou ação contra E. coli e um aumento da ação para os outros microrganismos. A concentração de 125 mg/mL dos vidros foi considerada a melhor concentração testada para a incorporação dos vidros na argamassa. Na microscopia de fluorescência foi possível observar que C. albicans foi totalmente inibida na presença da CIM do vidro L (1,95 mg/mL) e na sub-CIM (0,97 mg/mL), a levedura apresentou inibição do crescimento e alterações celulares e de agrupamento. Os fungos filamentosos também apresentaram alterações morfológicas na presença da sub-CIM do vidro L. Na MEV, é possível verificar alterações nas estruturas celulares dos fungos e bactérias testadas. Os espectros de FTIR revelaram que composição e temperatura afetam as ligações químicas e a estrutura dos vidros, e as amostras apresentaram pH mais ácido. Os resultados indicam que os vidros bioativos estudados demonstraram potencial antimicrobiano contra bactérias Gram positivas, fungos filamentosos e levedura

Abstract: The emergence of antimicrobial-resistant strains of microorganisms has encouraged the search for alternatives, particularly to inactivate resistant strains and/or polymicrobial infections. Glasses incorporated with metallic ions have been widely studied due to their antimicrobial potential. However, the application of soluble polyphosphate and borophosphate glasses, without transition metals, as antimicrobial agents has been scarcely reported. This study evaluates the antimicrobial potential of different bioactive phosphate glasses: glass A (sodium polyphosphate-based glass, obtained at a heating rate of 20 °C/min for 10 minutes at 700 °C), glass L (phosphate glass with 10% (mol) of boron, obtained at a heating rate of 20 °C/min for 10 minutes at 700 °C), glass K (sodium glass, obtained at a heating rate of 20 °C/min for 10 minutes at 800 °C), and standards P1 (crystalline sodium polyphosphate (CAS 10361 03-2)), P2 (sodium hexametaphosphate (CAS 68915-31-1)), and P3 (anhydrous sodium dihydrogen phosphate (CAS 7558-80-7)). The antimicrobial efficacy of all glasses was tested against Gram-positive bacteria (Staphylococcus aureus) and Gram-negative bacteria (Escherichia coli), the yeast Candida albicans (ATCC 9028 strain), and the filamentous fungi Penicillium sp. and Stachybotrys chartarum. The well diffusion technique was used to evaluate antimicrobial action, while inhibitory concentrations were determined through broth microdilution (MIC) and minimum bactericidal/fungicidal concentrations (MBC/MFC). Morphological changes in the microorganisms were analyzed using fluorescence and scanning electron microscopy (SEM). The chemical characterization of the glasses was performed using FTIR and pH measurements. In the well-diffusion assay, glasses A, L, and K exhibited inhibitory effects against S. aureus but showed no activity against E. coli. Standards P1 and P2 inhibited the growth of S. aureus only, while standard P3 had no inhibitory effect on any of the bacteria tested. For fungi, all glasses showed inhibitory activity. Standards P1 and P2 also displayed antifungal activity, whereas P3 showed no activity against any microorganisms. In the stability test, on days 15 and 30, the L glass demonstrated activity against E. coli and an increased activity against the other microorganisms. The concentration of 125 mg/mL of the glasses was considered the best concentration tested for incorporating the glasses into the mortar. Fluorescence microscopy revealed that C. albicans was completely inhibited in the presence of the MIC (1,95 mg/mL) of glass L. At sub-MIC (0,97 mg/mL) levels, yeast growth was inhibited, with observable cellular and aggregation changes. Filamentous fungi also exhibited morphological alterations in the presence of the sub-MIC of glass L. It was possible to verify, by SEM changes in the cellular structures of the tested microrganisms. FTIR analysis revealed that composition and temperature affect the chemical bonds and structure of the glasses, and the samples exhibited a more acidic pH. The results indicate that the bioactive glasses studied demonstrated antimicrobial potential against Gram-positive bacteria, filamentous fungi and yeast