Réduction de la cytotoxicité des revêtements nanoparticules d'argent par oxyde de graphène : performance antibactérienne et biocompatibilité améliorées du nanocomposite Ag-GO

Résumé

Les surfaces revêtues de nanoparticules d'argent (AgNP) sont largement considérées comme une alternative prometteuse aux antibiotiques conventionnels. Pourtant, leur haute réactivité de surface soulève des préoccupations de sécurité en contextes biomédicaux. Ici, nous rapportons qu'intégrer de l'oxyde de graphène (GO) dans les revêtements AgNP réduit substantiellement la cytotoxicité向 les fibroblastes humains, cellules endothéliales, et la membrane chorioallantoïdienne d'embryon de poulet, tout en améliorant simultanément l'activité antibactérienne contre Salmonella enteritidis. Le composite Ag-GO a démontré une inhibition bactérienne supérieure et une libération marquée de cytokines inflammatoires réduite, indiquant une nanoplatforme plus sûre adaptée aux applications médicales.

Introduction

Les surfaces antimicrobiennes incorporant des nanomatériaux — surtout nanoparticules d'argent — émergent comme alternatives efficaces aux antibiotiques traditionnels et désinfectants chimiques. Cependant, les propriétés même qui confèrent la puissance antibactérienne contribuent aussi à la cytotoxicité et immunogénicité potentielles, limitant la translation clinique. Une stratégie clé pour atténuer la toxicité est d'immobiliser fermement les nanoparticules sur le substrat, restreignant ainsi leur libération tout en préservant la fonction antimicrobienne. Les techniques de dépôt ultrasonique se sont avérées efficaces pour le revêtement et la formation de nanocomposites stables, tels que AgNPs sur oxyde de graphène (GO). Les groupes fonctionnels oxygénés abondants du GO favorisent des liaisons électrostatiques ou covalentes fortes avec les ions métalliques, améliorant l'adhésion et réduisant le lessivage des particules. Dans cette étude, nous avons émis l'hypothèse que des feuilles polyuréthane revêtues d'un composite Ag-GO exhiberaient une toxicité inférieure comparée aux revêtements AgNP seuls, sans compromettre l'efficacité antibactérienne.

Résultats

AgNPs et GO forment un nanocomposite stable

La microscopie électronique en transmission (MET) a révélé des AgNPs sphériques (~55 nm) fermement adhérés aux feuilles GO (Fig. 1a-e). Les mesures de potentiel zêta ont montré que l'hydrocolloïde Ag-GO se stabilisait après 24 h (−15,68 mV à −27,7 mV), alors que les AgNPs seuls restaient instables (−31,11 mV). La diffusion dynamique de la lumière (DDL) indiquait une taille Z-moyenne de 1157 nm pour le composite, intermédiaire entre AgNPs (93 nm) et GO (1485 nm), confirmant l'hybridation réussie (Fig. 1b,d,f). La spectroscopie Raman a confirmé les bandes D (1347 cm⁻¹) et G (1578 cm⁻¹) caractéristiques du GO, avec un rapport ID/IG de 1,34, indiquant une structure hautement désordonnée mais fonctionnalisée (Fig. 2a). Les spectres FT-IR ont vérifié la présence de groupes hydroxyle, carboxyle, et époxy (Fig. 2b).

Efficacité antibactérienne contre Salmonella enteritidis

Après 24 h incubation à 37 °C, toutes les nanoplatformes — AgNP, GO, et Ag-GO — ont réduit la croissance bactérienne relative aux feuilles non revêtues. Le composite Ag-GO a atteint l'inhibition la plus prononcée, avec une réduction >90 % des unités formant colonies quantifiée par essai PrestoBlue (Fig. 3c). La microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé des colonies bactériennes clairsemées et des disruptions membranaires sur surfaces Ag-GO, confirmant une tuerie médiatisée par contact physique (Fig. 3b).

Cytotoxicité réduite dans cellules humaines

Des fibroblastes humains et HUVECs ont été cultivés directement sur chaque nanoplatforme pendant 24 h. Les essais de viabilité ont montré une diminution 40–50 % sur feuilles AgNP seules, tandis que surfaces GO et Ag-GO maintenaient une viabilité comparable aux contrôles non revêtus (Fig. 4e,f). L'évaluation morphologique a révélé que les revêtements AgNP induisaient une agrégation cellulaire prononcée, tandis que GO et Ag-GO promouvaient une étalement et morphologie normaux (Fig. 4a-d). Ces résultats soulignent l'effet protecteur du GO dans le composite.

Compatibilité membrane chorioallantoïdienne

Le contact direct des nanoplatformes avec la membrane chorioallantoïdienne d'embryon de poulet pendant 48 h a révélé que les revêtements AgNP seuls causaient perte capillaire et rugosité de surface, tandis que GO et Ag-GO maintenaient une morphologie lisse et vascularisée similaire aux contrôles (Fig. 5b). Ce modèle in-vivo-like corrobore la toxicité endothéliale réduite observée in vitro.

Modulation de la libération de cytokines inflammatoires

Le profilage par réseau d'anticorps des surnageants de fibroblastes a révélé que les revêtements AgNP et Ag-GO supprimaient marquantement la sécrétion d'IL-8, tandis que GO seul n'avait pas d'effet (Fig. 6a). Toutes les nanoplatformes réduisaient la libération d'IL-6, et GO/Ag-GO augmentaient la production de TNF-β, suggérant une réponse inflammatoire équilibrée. D'autres cytokines restaient inchangées, indiquant une faible immunogénicité du composite.

Discussion

Nos données confirment qu'intégrer le GO dans les revêtements AgNP non seulement améliore l'éradication bactérienne mais atténue aussi les réponses cytotoxiques et inflammatoires dans les cellules humaines et un modèle vertébré. La stabilité améliorée des AgNPs dans la matrice GO limite probablement la libération ionique et le détachement des particules, réduisant ainsi l'absorption cellulaire et le stress oxydatif. De plus, la taille plus grande du composite (≈1150 nm) diminue les taux d'endocytose, comme observé pour d'autres nanostructures, abaissant davantage la toxicité. Important, le composite ne provoque pas de tempêtes cytokiniques significatives, maintenant un profil immunologique neutre essentiel pour la translation clinique.

Ces résultats s'alignent avec des rapports antérieurs de la capacité du GO à stabiliser les nanoparticules métalliques et réduire leur lessivage, tout en préservant — voire améliorant — la puissance antimicrobienne. Le présent travail étend ce concept à un substrat polymère réaliste (feuilles polyuréthane) et valide la biocompatibilité à travers multiples types cellulaires et un modèle in-vivo-like.

Conclusions

Le nanocomposite Ag-GO surpasse les revêtements AgNP-seuls et GO-seuls en efficacité antibactérienne contre Salmonella enteritidis et en réduction de cytotoxicité向 fibroblastes, HUVECs, et membrane chorioallantoïdienne. Le profil cytokinique équilibré du composite soutient davantage sa pertinence pour dispositifs biomédicaux, tels que pansements et revêtements d'implants. Les travaux futurs exploreront la stabilité long terme, la cinétique de libération, et modèles d'infection in vivo pour avancer le déploiement clinique.

Matériaux et méthodes

Préparation et caractérisation des nanoplatformes

Des feuilles polyuréthane (15 × 15 mm, 0,05 mm) ont été trempées dans des suspensions aqueuses d'AgNPs (100 mg L⁻¹), GO (200 mg L⁻¹), ou Ag-GO (200 mg L⁻¹) préparées via ultrasonication (20 kHz, 60 % efficacité, 30 °C). Les échantillons revêtus ont été rincés à l'eau déionisée et séchés sous conditions stériles. MET, Raman, FT-IR, potentiel zêta, et mesures DDL ont confirmé la morphologie et stabilité de chaque formulation (détails en Matériel Supplémentaire).

Culture bactérienne et essai viabilité

Salmonella enteritidis (ATCC 13076) a été cultivée sur gélose soja trypsique, récoltée, et quantifiée par DO₆₀₀ pour atteindre 5 × 10³ CFU mL⁻¹ en bouillon MH. Les feuilles ont été incubées avec bactéries 24 h à 37 °C. Post-incubation, la viabilité bactérienne a été mesurée par PrestoBlue, et comptages CFU obtenus par dilution série et ensemencement.

Microscopie électronique à balayage

Les échantillons bactériens et cellulaires ont été fixés dans 2,5 % glutaraldéhyde, contrastés au tétroxyde d'osmium, déshydratés, séchés au point critique, et métallisés or avant imagerie MEB à 15 kV.

Culture cellulaire humaine

HUVECs et fibroblastes ont été cultivés en milieux faible sérum avec suppléments (détails ci-dessus). Les cellules ont été ensemencées directement sur feuilles (1 × 10⁴ cellules mL⁻¹) et incubées 24 h. La viabilité a été évaluée par fluorescence PrestoBlue (λ_ex = 560 nm, λ_em = 590 nm). La morphologie a été examinée par microscopie à contraste de phase.

Essai membrane chorioallantoïdienne

Embryons (Jour 8) ont été exposés à feuilles placées sur la membrane chorioallantoïdienne pendant 48 h. Les membranes ont été récoltées, imagerie stéréoscopique, et évaluées pour intégrité vasculaire.

Analyse réseau d'anticorps

Les surnageants de fibroblastes (80 µl par échantillon) ont été mis en commun, dilués, et sondés sur un réseau d'anticorps (Abcam, catalogue ab134003) pour quantifier 40 cytokines inflammatoires. Les signaux ont été détectés avec streptavidine-HRP conjuguée et imagés sur système ChemiDoc.

Analyse statistique

Les données ont été analysées avec ANOVA unilatéral et test post-hoc Tukey HSD (GraphPad Prism 8). Significativité fixée à p < 0,05.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données générés pendant cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

Ag-GO

Composite nanoparticules d'argent et oxyde de graphène

AgNPs

Nanoparticules d'argent

CFU

Unités formant colonies

DDL

Diffusion dynamique de la lumière

FT-IR

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

GM-CSF

Facteur stimulant colonies granulocytes-macrophages

GO

Oxyde de graphène

HUVECs

Cellules endothéliales veineuses ombilicales humaines

IL-6

Interleukine 6

IL-8

Interleukine 8

MEB

Microscope électronique à balayage

MET

Microscope électronique en transmission

TNF-α

Facteur de nécrose tumorale alpha

TNF-β

Facteur de nécrose tumorale beta