Influência da distribuição do peso molecular de polímeros catiónicos na sua atividade antimicrobiana

Abstract

The main objective of this work was to study the influence of the molecular weight distribution, known as dispersity (Đ = Mw/Mn), of poly(3-acrylamidopropyl) trimethylammonium chloride (PAMPTMA) on the antimicrobial activity of the polymer. To this end, this work was divided into two tasks: (i) development of polymerization strategies for the preparation of PAMPTMA with similar molecular weight and distinct dispersity and (ii) evaluation of the antimicrobial activity of the synthesized PAMPTMA polymers. In the first part of the work, PAMPTMA was synthesized by supplemental activator and reducing agent atom transfer radical polymerization (SARA ATRP) in ethanol/water = 50/50 (v/v), at 30 ºC, with Cu(0) wire as the SARA agent, CuBr2/Me6TREN (Me6TREN: tris(2-(dimethylamino)ethyl)amine)) as the catalytic complex (metal/ligand) and ethyl 2-chloropropionate (ECP) as the initiator. Four different strategies were investigated to vary the dispersity of the polymers, namely variation of the catalytic complex concentration, feeding of initiator, use of a cocktail of initiators and use of a cocktail of ligands. The results showed that the only strategy that allowed the preparation of PAMPTMA with a wide range of dispersity (Đ = [1.13 – 1.68]), while maintaining a monomodal molecular weight distribution, under the conditions investigated, was the use of a cocktail of ligands, namely when Me6TREN, TREN (TREN: tris (2-aminoethyl) amine) or a mixture of these two ligands was used during polymerization. Several PAMPTMA samples having similar molecular weight and different dispersity were prepared using the developed strategy, to allow the study of the influence of dispersity on the antimicrobial activity of the polymers.In the second part of the work, both minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) of the synthesized polymers were determined, bacterial growth tests were performed and bacteria were observed by scanning electron microscopy (SEM) after incubation with polymers, to access the antimicrobial activity of the PAMPTMA samples prepared. These tests were conducted using four different representative bacterial strains: E. coli and P. aeruginosa as Gram negative and S. aureus and B. subtilis as Gram positive. From the analysis of both MIC and MBC values, it was observed that dispersity had a greater influence on the antimicrobial activity of PAMPTMA against both P. aeruginosa and B. subtilis bacteria, with polymers with higher dispersity showing lower MIC and MBC values. The bacterial growth assays agreed with MIC and MBC analyses. Moreover, results showed that the dispersity of PAMPTMA influenced the growth inhibition of both E. coli and S. aureus bacteria in different ways. While the increase of polymer dispersity favored the inhibition of E. coli bacteria, the decrease of polymer dispersity enhanced the antimicrobial activity of the material. Finally, SEM analysis showed changes in the morphology of bacteria, for all investigated bacteria after incubation with polymer, except for S. aureus bacteria, confirming the antimicrobial activity of PAMPTMA.

O principal objetivo deste trabalho foi o estudo da influência da distribuição do peso molecular, ou seja, da polidispersividade (Đ = Mw/Mn), do policloreto de (3-acrilamidopropril) trimetil amónio (PAMPTMA) na sua atividade antimicrobiana. Para tal, este trabalho dividiu-se em duas etapas principais: (i) desenvolvimento de estratégias de polimerização para a preparação de PAMPTMA com peso molecular semelhante e diferentes polidispersividades e (ii) avaliação da atividade antimicrobiana dos polímeros PAMPTMA sintetizados.Na primeira parte do trabalho, realizou-se a síntese de polímeros de PAMPTMA, usando como sistema base a técnica de ativador suplementar e agente redutor (SARA) polimerização radicalar por transferência de átomo (ATRP) em etanol/água = 50/50 (v/v), a uma temperatura de 30 ºC, com fio de Cu(0) como agente SARA, CuBr2/Me6TREN (Me6TREN: tris[2-(dimetilamino) etil] amina) como complexo catalítico (metal/ligante) e 2-cloropropionato de etilo (ECP) como iniciador. Para a variação da polidispersividade dos polímeros foram investigadas quatro estratégias diferentes, sendo elas a variação da concentração do complexo catalítico, o feeding de iniciador, o uso de um cocktail de iniciadores e o uso de um cocktail de ligantes. Os resultados mostraram que, nas condições investigadas, a única estratégia que permitiu obter PAMPTMA com uma gama alargada de polidispersividade (Đ = [1.13 - 1.68]), mantendo a distribuição de pesos moleculares monomodal, foi a do uso do cocktail de ligantes, nomeadamente, quando se utilizou Me6TREN, TREN (TREN: tris(2-aminoetil) amina) ou uma mistura destes dois ligantes durante a polimerização. Usando a estratégia desenvolvida, foram preparadas várias amostras de PAMPTMA com peso molecular semelhante e diferentes polidispersividades, para que fosse possível verificar apenas a influência da polidispersividade na atividade antimicrobiana dos polímeros. Na segunda parte do trabalho, procedeu-se à determinação da concentração mínima inibitória (MIC) e da concentração mínima bactericida (MBC) dos polímeros sintetizados, à realização de ensaios de crescimento bacteriano e à observação das bactérias por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) após incubação com polímeros, como medidas da atividade antimicrobiana das amostras de PAMPTMA preparadas. Estes testes foram realizados para quatro diferentes estirpes de bactérias representativas: Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa, como Gram negativas e Staphylococcus aureus e Bacillus Subtilis, como Gram positivas. Da análise dos valores de MIC e MBC, percebeu-se que a polidispersividade teve maior influência na ação antimicrobiana do PAMTPMA contra as bactérias P. aeruginosa e B. subtilis, sendo que quanto maior a polidispersividade, menor os valores de MIC e MBC. Os ensaios de crescimento bacteriano corroboraram as análises de MIC e MBC e mostraram também que a polidispersividade do PAMPTMA influenciou a inibição do crescimento das bactérias E. coli e S. aureus de forma diferente. Para a E. coli, o aumento da polidispersividade do polímero favoreceu a inibição da bactéria, enquanto que para a S. aureus, a diminuição da polidispersividade do polímero favoreceu a ação antimicrobiana do mesmo. Por fim, a análise de SEM permitiu verificar alterações na morfologia das bactérias, em todas as bactérias estudadas, excepto na bactéria S. aureus, após incubação com polímero, confirmando a ação antimicrobiana do PAMPTMA.