Superficie antimicrobiana

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Una superficie antimicrobiana contiene un agente antimicrobiano que inhibe la capacidad de los microorganismos para crecer en la superficie de un material. Estas superficies se están investigando más ampliamente para su posible uso en diversos entornos, incluidos clínicas, industria e incluso el hogar. El uso más común y más importante de los recubrimientos antimicrobianos ha sido en el ámbito de la atención médica para la esterilización de dispositivos médicos para prevenir infecciones asociadas a hospitales, que han causado casi 100,000 muertes en los Estados Unidos. Además de los dispositivos médicos, la ropa de cama y la ropa pueden proporcionar un entorno adecuado para que crezcan muchas bacterias, hongos y virus cuando están en contacto con el cuerpo humano, lo que permite la transmisión de enfermedades infecciosas.

Las superficies antimicrobianas se funcionalizan en una variedad de procesos diferentes. Se puede aplicar un recubrimiento a una superficie que tenga un compuesto químico que sea tóxico para los microorganismos. Como alternativa, es posible funcionalizar una superficie adsorbiendo un polímero o polipéptido y / o cambiando su micro y nanoestructura.

Una innovación en las superficies antimicrobianas es el descubrimiento de que el cobre y sus aleaciones ( latones, bronces, cuproníquel, cobre-níquel-zinc y otros) son materiales antimicrobianos naturales que tienen propiedades intrínsecas para destruir una amplia gama de microorganismos. Una gran cantidad de estudios de eficacia antimicrobianos revisados por pares han sido publicados respecto a la eficacia del cobre para destruir E. coli O157: H7, meticilina resistente a Staphylococcus aureus ( MRSA ), Staphylococcus, Clostridium difficile, Virus de la gripe A, adenovirus, y hongos.

Aparte de la industria de la salud, las superficies antimicrobianas se han utilizado por su capacidad para mantener limpias las superficies. Se puede manipular la naturaleza física de la superficie o la composición química para crear un entorno que no pueda ser habitado por microorganismos por una variedad de razones diferentes. Los materiales fotocatalíticos se han usado por su capacidad para matar muchos microorganismos y, por lo tanto, pueden usarse para superficies autolimpiantes, así como para limpieza de aire, purificación de agua y actividad antitumoral.

Contenido

1 Actividad antimicrobiana
- 1.1 Mecanismos
  - 1.1.1 Plata
  - 1.1.2 Cobre
- 1.2 Organosilanos
  - 1.2.1 Absorción de nutrientes
  - 1.2.2 Amonio cuaternario
2 selectividad
- 2.1 Bactericidas
- 2.2 Inhibidores virales
- 2.3 Inhibidores de hongos
3 Modificación de superficie
- 3.1 Modificación física
  - 3.1.1 Rugosidad de la superficie
4 Modificación química
- 4.1 Injerto de polímeros sobre y / o desde superficies
  - 4.1.1 Injerto en
  - 4.1.2 Injerto de
- 4.2 Superficies superhidrofóbicas
  - 4.2.1 Fluorocarbonos
- 4.3 Nanomateriales
- 4.4 Recubrimientos
  - 4.4.1 Recubrimientos autolimpiantes
  - 4.4.2 Aditivos antimicrobianos
5 péptidos antimicrobianos
6 superficies táctiles
7 Caracterización
8 Aplicación
- 8.1 Tratamiento de agua
  - 8.1.1 Péptidos antimicrobianos y quitosano
  - 8.1.2 Nanopartículas de plata
9 Aplicaciones médicas y comerciales
- 9.1 Dispositivos quirúrgicos
- 9.2 Recubrimientos fotocatalíticos
- 9.3 Superficies táctiles de cobre
10 revestimientos antiincrustantes
11 Véase también
12 referencias

Actividad antimicrobiana

Mecanismos

Plata

Se ha demostrado que los iones de plata reaccionan con el grupo tiol en las enzimas y los inactivan, lo que conduce a la muerte celular. Estos iones pueden inhibir enzimas oxidativas como la alcohol deshidrogenasa de levadura. También se ha demostrado que los iones de plata interactúan con el ADN para mejorar la dimerización de pirimidina mediante la reacción fotodinámica y posiblemente prevenir la replicación del ADN.

El uso de plata como antimicrobiano está bien documentado.

Cobre

Los mecanismos antimicrobianos del cobre se han estudiado durante décadas y todavía están bajo investigación. Un resumen de los posibles mecanismos está disponible aquí: Propiedades antimicrobianas del cobre # Mecanismos de acción antibacteriana del cobre. Los investigadores de hoy creen que los mecanismos más importantes incluyen los siguientes:

Los niveles elevados de cobre dentro de una célula provocan estrés oxidativo y la generación de peróxido de hidrógeno. En estas condiciones, el cobre participa en la llamada reacción de tipo Fenton, una reacción química que causa daño oxidativo a las células.
El exceso de cobre provoca una disminución en la integridad de la membrana de los microbios, lo que conduce a la fuga de nutrientes celulares esenciales específicos, como el potasio y el glutamato. Esto conduce a la desecación y posterior muerte celular.
Si bien el cobre es necesario para muchas funciones de las proteínas, en una situación de exceso (como en la superficie de una aleación de cobre), el cobre se une a proteínas que no requieren cobre para su función. Esta unión "inapropiada" conduce a la pérdida de función de la proteína y / o la descomposición de la proteína en porciones no funcionales.

Organosilanos

Los recubrimientos de organosilano no producen ACCs medios más bajos que los observados en los controles.

Absorción de nutrientes

Se encontró que la tasa de crecimiento de E. coli y S. aureus es independiente de las concentraciones de nutrientes en superficies no antimicrobianas. También se observó que los agentes antimicrobianos como Novaron AG 300 (fosfato de plata, sodio, hidrógeno, circonio) no inhiben la tasa de crecimiento de E. coli o S. aureus cuando las concentraciones de nutrientes son altas, pero sí disminuyen. Este resultado conduce al posible mecanismo antimicrobiano de limitar la absorción celular o la eficiencia de uso de los nutrientes.

Amonio cuaternario

Se ha descubierto que el compuesto de amonio cuaternario cloruro de dimetiloctadecil (3-trimetoxisililpropil) amonio (Si-QAC) tiene actividad antimicrobiana cuando se une covalentemente a una superficie. Se sabe que muchos otros compuestos de amonio cuaternario tienen propiedades antimicrobianas (por ejemplo, cloruro de alquildimetilbencilamonio y cloruro de didecildimetilamonio). Estos dos últimos son compuestos activos de membrana; contra S. aureus, el primero forma una sola capa monocapa de las células de S. aureus en la membrana externa, mientras que el segundo forma una doble monocapa. Esto conduce a la fuga celular y la liberación total del potasio intracelular y los grupos absorbentes de 260 nm en este orden.

Selectividad

Por definición, "antimicrobiano" se refiere a algo que es perjudicial para un microbio. Debido a que la definición de microbio (o microorganismo ) es muy general, algo que sea "antimicrobiano" podría tener un efecto perjudicial contra una variedad de organismos que van desde los beneficiosos a los dañinos, y podría incluir células de mamíferos y tipos de células típicamente asociados con enfermedades tales como como bacterias, virus, protozoos y hongos.

La selectividad se refiere a la capacidad de combatir cierto tipo o clase de organismo. Dependiendo de la aplicación, la capacidad de combatir selectivamente ciertos microorganismos mientras tiene poco efecto perjudicial contra otros dicta la utilidad de una superficie antimicrobiana particular en un contexto dado.

Bactericidas

Una forma principal de combatir el crecimiento de células bacterianas en una superficie es evitar la adhesión inicial de las células a esa superficie. Algunos recubrimientos que logran esto incluyen recubrimientos de hidroxiapatita con clorhexidina incorporada, recubrimientos de polilactida que contienen clorhexidina sobre una superficie anodizada y recubrimientos de polímero y fosfato de calcio con clorhexidina.

Los recubrimientos antibióticos proporcionan otra forma de prevenir el crecimiento de bacterias. La gentamicina es un antibiótico que tiene un espectro antibacteriano relativamente amplio. Además, la gentamincina es uno de los raros tipos de antibióticos termoestables, por lo que es uno de los antibióticos más utilizados para recubrir implantes de titanio. Otros antibióticos con amplio espectro antibacteriano son cefalotina, carbenicilina, amoxicilina, cefamandol, tobramicina y vancomicina.

Las superficies de cobre y aleaciones de cobre son un medio eficaz para prevenir el crecimiento de bacterias. Extensas pruebas de eficacia antimicrobiana supervisadas por la EPA de EE. UU. En Staphylococcus aureus, Enterobacter aerogenes, Staphylococcus aureus resistente a la meticilina ( MRSA ), Escherichia coli 0157: H7 y Pseudomonas aeruginosa han determinado que, cuando se limpian con regularidad, unas 355 superficies diferentes de aleaciones de cobre registradas por la EPA :

Reducir continuamente la contaminación bacteriana, logrando una reducción del 99,9% dentro de las dos horas posteriores a la exposición;
Mata más del 99,9% de las bacterias Gram negativas y Gram positivas dentro de las dos horas posteriores a la exposición;
Ofrece una acción antibacteriana continua y continua, siendo eficaz para matar más del 99,9% de las bacterias en dos horas;
Elimine más del 99,9% de las bacterias en dos horas y continúe eliminando el 99% de las bacterias incluso después de una contaminación repetida;
Ayude a inhibir la acumulación y el crecimiento de bacterias dentro de las dos horas posteriores a la exposición entre los pasos de limpieza y desinfección de la ruta.

Ver: Superficies táctiles de cobre antimicrobiano para el artículo principal.

Inhibidores virales

Los virus de la influenza se transmiten principalmente de persona a persona a través de las gotitas en el aire que se producen al toser o estornudar. Sin embargo, los virus también pueden transmitirse cuando una persona toca las gotitas respiratorias que se depositan en un objeto o superficie. Es durante esta etapa cuando una superficie antiviral podría desempeñar el papel más importante para reducir la propagación de un virus. Los portaobjetos de vidrio pintado con los hidrófobo policatión de cadena larga N, N dodecilo, metil- polietilenimina (N, N-dodecilo, metil-PEI) son altamente letal para los virus a base de agua de la gripe A, incluyendo no sólo cepas aviares humana de tipo salvaje y, sino también sus mutantes de neuraminidasa resistentes a los fármacos anti-influenza.

Se han investigado las superficies de aleación de cobre para determinar su eficacia antiviral. Después de la incubación durante una hora en cobre, las partículas del virus de la influenza A activo se redujeron en un 75%. Después de seis horas, las partículas se redujeron en cobre en un 99,999%. Además, el 75% de las partículas de adenovirus se inactivaron en cobre (C11000) en 1 hora. En seis horas, se inactivó el 99,999% de las partículas de adenovirus.

Inhibidores de hongos

Se ha demostrado que un péptido antifúngico derivado de la cromogranina A (CGA 47-66, cromofungina) cuando se incrusta en una superficie tiene actividad antifúngica al interactuar con la membrana fúngica y de ese modo penetrar en la célula. Además, los estudios in vitro han demostrado que dicho recubrimiento antifúngico puede inhibir el crecimiento de la levadura Candida albicans en un 65% y detener por completo la proliferación del hongo filamentoso Neurospora crassa.

Las superficies de cobre y aleaciones de cobre han demostrado una muerte de esporas de hongos Aspergillus spp., Fusarium spp., Penicillium chrysogenum, Aspergillus niger y Candida albicans. Por lo tanto, el potencial para ayudar a prevenir la propagación de hongos que causan infecciones humanas mediante el uso de aleaciones de cobre (en lugar de metales no antifúngicos) en los sistemas de aire acondicionado merece una mayor investigación.

Modificacion superficial

Modificación física

Rugosidad de la superficie

La topología física de una superficie determinará el entorno viable para las bacterias. Puede afectar la capacidad de un microbio de adherirse a su superficie. Las superficies textiles tienden a ser muy fáciles de adherir a los microbios debido a la abundancia de espacios intersticiales entre las fibras.

Figura 1: Modelo Wenzel

El modelo Wenzel fue desarrollado para calcular la dependencia que tiene la rugosidad de la superficie del ángulo de contacto observado. Las superficies que no son atómicamente lisas exhibirán un ángulo de contacto observado que varía del ángulo de contacto real de la superficie. La ecuación se expresa como:

$cos\Theta _{obs}=R*cos\Theta$

C o s Θ o B s = R ∗ C o s Θ

{\ Displaystyle cos \ Theta _ {obs} = R * cos \ Theta}

cos \ Theta _ {{obs}} = R * cos \ Theta

donde R es la relación entre el área real de la superficie y el área observada de una superficie y θ es el ángulo de contacto de Young definido para una superficie ideal. Ver humectación. Sobre la base de la modificación física de la superficie, la superficie antiviral se puede diseñar decorando micropilares en la superficie.

Modificación química

Injerto de polímeros sobre y / o desde superficies

La actividad antimicrobiana se puede impartir sobre una superficie mediante el injerto de polímeros funcionalizados, por ejemplo aquellos terminados con grupos funcionales amina cuaternaria, a través de uno de dos métodos principales. Con estos métodos, "injerto a" e "injerto de", los polímeros se pueden unir químicamente a una superficie sólida y, por lo tanto, se pueden controlar las propiedades de la superficie (es decir, la actividad antimicrobiana). Se ha demostrado que los polímeros que contienen iones de amonio cuaternario (PQA) matan eficazmente células y esporas a través de sus interacciones con las membranas celulares. Se puede cuaternizar una gran cantidad de monómeros nitrogenados para que sean biológicamente activos. Estos monómeros, por ejemplo metacrilato de 2-dimetilaminoetilo (DMAEMA) o 4-vinilpiridina (4-VP) se pueden polimerizar posteriormente con ATRP. Por tanto, las superficies antimicrobianas se pueden preparar mediante mecanismos de "injerto a" o "injerto de".

Injerto en

El injerto implica la fuerte adsorción o unión química de una molécula de polímero a una superficie de la solución. Este proceso se logra típicamente a través de un agente de acoplamiento que une un mango en la superficie a un grupo reactivo en cualquiera de los extremos de la cadena. Aunque simple, este enfoque adolece de la desventaja de una densidad de injerto relativamente baja como resultado del impedimento estérico de las bobinas de polímero ya unidas. Después del acoplamiento, como en todos los casos, los polímeros intentan maximizar su entropía típicamente asumiendo una conformación de cepillo o de hongo. Por lo tanto, los sitios de unión potenciales se vuelven inaccesibles debajo de este "dominio en forma de hongo".

Figura 2: Esquema de la densidad de injerto.

Los polímeros presintetizados, como el copolímero de bloques PDMEAMA / PTMSPMA, se pueden inmovilizar sobre una superficie (es decir, vidrio) simplemente sumergiendo la superficie en una solución acuosa que contiene el polímero. Para un proceso como este, la densidad del injerto depende de la concentración y el peso molecular del polímero, así como de la cantidad de tiempo que la superficie estuvo sumergida en la solución. Como era de esperar, existe una relación inversa entre la densidad de injerto y el peso molecular. Como la actividad antimicrobiana depende de la concentración de amonio cuaternario unido a la superficie, la densidad de injerto y el peso molecular representan factores opuestos que pueden manipularse para lograr una alta eficacia.

Injerto de

Esta limitación se puede superar polimerizando directamente sobre la superficie. Este proceso se denomina injerto o polimerización iniciada en la superficie (SIP). Como sugiere el nombre, las moléculas iniciadoras deben inmovilizarse en la superficie sólida. Al igual que otros métodos de polimerización, SIP se puede adaptar para seguir mecanismos radicales, aniónicos o catiónicos y se puede controlar utilizando polimerización por transferencia de adición reversible (RAFT), polimerización por radicales por transferencia de átomo (ATRP) o técnicas mediadas por nitróxido.

Una polimerización controlada permite la formación de estructuras poliméricas de conformación estiradas que maximizan la densidad de injerto y, por lo tanto, la eficiencia biocida. Este proceso también permite el injerto de alta densidad de polímero de alto peso molecular, lo que mejora aún más la eficacia.

Superficies superhidrofóbicas

Una superficie superhidrofóbica es una superficie de baja energía, generalmente rugosa, en la que el agua tiene un ángulo de contacto degt; 150 °. Los materiales no polares, como los hidrocarburos, tienen tradicionalmente energías superficiales relativamente bajas; sin embargo, esta propiedad por sí sola no es suficiente para lograr la superhidrofobicidad. Las superficies superhidrofóbicas se pueden crear de varias formas, sin embargo, la mayoría de las estrategias de síntesis se inspiran en diseños naturales. El modelo de Cassie-Baxter proporciona una explicación de la superhidropbicidad: el aire atrapado en microsurcos de una superficie rugosa crea una superficie "compuesta" que consta de aire y la parte superior de microprotuberancias. Esta estructura se mantiene a medida que disminuye la escala de las características, por lo que muchos enfoques para la síntesis de superficies superhidrófobas se han centrado en la contribución fractal. La solidificación de cera, la litografía, la deposición de vapor, los métodos de molde, la reconfirmación de polímeros, la sublimación, el plasma, el electrohilado, el procesamiento de sol-gel, los métodos electroquímicos, la síntesis hidrotermal, la deposición capa por capa y las reacciones en un recipiente son enfoques para la creación de reacciones superhidrofóbicas. superficies que se han sugerido.

Hacer una superficie superhidrófoba representa un medio eficaz de impartir actividad antimicrobiana. Un efecto antibacteriano pasivo resulta de la escasa capacidad de los microbios para adherirse a la superficie. El área de los textiles superhidropboicos se aprovecha de esto y podría tener aplicaciones potenciales como recubrimientos antimicrobianos.

Fluorocarbonos

Los fluorocarbonos y especialmente los perfluorocarbonos son excelentes materiales de sustrato para la creación de superficies superhidropbobias debido a su energía superficial extremadamente baja. Este tipo de materiales se sintetizan mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de flúor de un hidrocarburo.

Nanomateriales

Las nanopartículas se utilizan para una variedad de diferentes aplicaciones antimicrobianas debido a su extraordinario comportamiento. Se están llevando a cabo más estudios sobre la capacidad de los nanomateriales para ser utilizados para recubrimientos antimicrobianos debido a su naturaleza altamente reactiva.

Nanomaterial	Característica	Solicitud
Dióxido de titanio	fotoactividad catalítica, de bajo costo	Protección UV, antibacteriano, purificación del medio ambiente, autolimpieza, eficiencia de la célula solar
Organosilano	previene la adhesión por superficie abrasiva, bajo costo	recubrimiento antimicrobiano con eficacia a largo plazo
Plata	Conductividad eléctrica, baja toxicidad	actividad antimicrobiana: se une y destruye la membrana celular
Óxido de zinc	actividad fotocatalítica	actividad antimicrobiana, utilizada en la industria textil
Cobre	conductividad eléctrica	Propiedades de protección UV, aditivo antimicrobiano
Magnetita	superparamagnético	actividad antimicrobiana, genera radicales que causan daño a las proteínas
Óxido de magnesio	alta superficie específica	actividad antimicrobiana, genera radicales de oxígeno que causan daño a las proteínas
Oro	conductividad eléctrica	antibacteriano, agente de curado del acné
Galio	similar al Fe ³⁺ (nutriente metabólico esencial para las bacterias)	antibacteriano contra Clostridium difficile
Nanotubos de carbon	antiestático, conductividad eléctrica, absorción	Nanocompuestos de CNT / TiO2; Superficies antimicrobianas, ignífugas, antiestáticas.

Hay bastantes características físicas que promueven la actividad antimicrobiana. Sin embargo, la mayoría de los iones metálicos tienen la capacidad de crear radicales de oxígeno, formando así oxígeno molecular que es altamente tóxico para las bacterias.

2\ \mathrm {H_{2}O} +{\tfrac {1}{2}}\mathrm {O_{2}} \ \xrightarrow {\text{Metal ion}} \ 2\ \mathrm {H_{2}O_{2}} \rightarrow \mathrm {H_{2}O} +(\mathrm {O})

2 H 2 O+

1 2

O 2 → Ion de metal 2 H 2 O 2 → H 2 O + ( O ) {\ Displaystyle 2 \ \ mathrm {H_ {2} O} + {\ tfrac {1} {2}} \ mathrm {O_ {2}} \ \ xrightarrow {\ text {Ión metálico}} \ 2 \ \ mathrm { H_ {2} O_ {2}} \ flecha derecha \ mathrm {H_ {2} O} + (\ mathrm {O})}

{\ Displaystyle 2 \ \ mathrm {H_ {2} O} + {\ tfrac {1} {2}} \ mathrm {O_ {2}} \ \ xrightarrow {\ text {Ión metálico}} \ 2 \ \ mathrm { H_ {2} O_ {2}} \ flecha derecha \ mathrm {H_ {2} O} + (\ mathrm {O})}

Revestimientos

Recubrimientos autolimpiantes

Los recubrimientos fotocatalíticos son aquellos que incluyen componentes (aditivos) que catalizan reacciones, generalmente a través de un mecanismo de radicales libres, cuando son excitados por la luz. La actividad fotocatalítica (PCA) de un material proporciona una medida de su potencial reactivo, basada en la capacidad del material para crear un par de huecos de electrones cuando se expone a la luz ultravioleta. Los radicales libres que se forman pueden oxidar y, por lo tanto, degradar los materiales orgánicos, como los aglutinantes de látex que se encuentran en los recubrimientos a base de agua. Los sistemas de recubrimientos antimicrobianos aprovechan esto al incluir compuestos fotocatalíticamente activos en sus formulaciones (es decir, dióxido de titanio) que hacen que el recubrimiento se "descame" con el tiempo. Estos copos transportan los microbios con ellos, dejando una capa "limpia" detrás. Los sistemas como este a menudo se describen como autolimpiables.

Aditivos antimicrobianos

En lugar de dopar una superficie directamente, se puede impartir actividad antimicrobiana a una superficie aplicando un recubrimiento que contenga agentes antimicrobianos como biocidas o nanopartículas de plata. En el caso de este último, las nanopartículas pueden tener efectos beneficiosos sobre las propiedades estructurales del recubrimiento junto con su efecto antibacteriano.

Péptidos antimicrobianos

Los péptidos antimicrobianos (AMP) han ganado mucha atención porque son mucho menos susceptibles al desarrollo de resistencia microbiana. Otros antibióticos pueden ser susceptibles a la resistencia bacteriana, como el Staphylococcus aureus multirresistente (MRSA), que se conoce como una reliquia común en la industria de la salud, mientras que otras cepas bacterianas se han vuelto más preocupantes para el tratamiento de aguas residuales en ríos o bahías locales. Los AMP se pueden funcionalizar en una superficie mediante una unión química o física. Los AMP se pueden unir físicamente utilizando capas poliméricas cargadas de manera opuesta y intercalando el polipéptido entre ellas. Esto puede repetirse para lograr múltiples capas de AMP para la actividad antibacteriana recurrente. Sin embargo, existen algunos inconvenientes en este mecanismo. El espesor del ensamblaje y las interacciones polímero-péptido pueden afectar la difusión del péptido al contacto bacteriano. Se deben realizar más investigaciones para determinar la efectividad de la técnica de adsorción. Sin embargo, la unión química de los AMP también se estudia ampliamente.

Los AMP se pueden unir covalentemente a una superficie, lo que minimiza el "efecto de lixiviación" de los péptidos. El péptido se une típicamente mediante una reacción química muy exergónica, formando así una superficie antimicrobiana muy estable. La superficie se puede funcionalizar primero con una resina polimérica como polietilenglicol (PEG). La investigación reciente se ha centrado en la producción de polímeros sintéticos y nanomateriales con mecanismos de acción similares a los péptidos antimicrobianos endógenos.

Superficies táctiles

Artículos principales: superficies táctiles antimicrobianas de aleación de cobre y propiedades antimicrobianas del cobre

Las superficies táctiles antimicrobianas incluyen todos los tipos de superficies (como pomos de puertas, barandillas, bandejas, etc.) que a menudo son tocadas por personas en el trabajo o en la vida cotidiana, especialmente (por ejemplo) en hospitales y clínicas.

Las superficies táctiles de aleación de cobre antimicrobiano son superficies que están hechas de cobre metálico o aleaciones de cobre, como latón y bronce. El cobre y las aleaciones de cobre tienen una capacidad natural para matar microbios dañinos con relativa rapidez, a menudo en dos horas o menos (es decir, las superficies de las aleaciones de cobre son antimicrobianas ). Gran parte del trabajo de eficacia antimicrobiana relacionado con el cobre se ha realizado o se está realizando actualmente en la Universidad de Southampton y la Universidad de Northumbria (Reino Unido), la Universidad de Stellenbosch (Sudáfrica), la Universidad de Panjab (India), la Universidad de Chile (Chile), Universidad de Kitasato (Japón), Universidad de Coimbra (Portugal) y Universidad de Nebraska y Universidad Estatal de Arizona (EE. UU.). Se están llevando a cabo ensayos clínicos que evalúan la eficacia de las aleaciones de cobre para reducir la incidencia de infecciones nosocomiales en hospitales del Reino Unido, Chile, Japón, Sudáfrica y EE. UU.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) aprobó los registros de 355 diferentes aleaciones de cobre como “ materiales antimicrobianos ” con beneficios para la salud pública.

Caracterización

El diseño de superficies antimicrobianas efectivas requiere una comprensión profunda de los mecanismos iniciales de adhesión de la superficie del microbio. La microscopía electrónica de barrido (SEM) se utiliza para muestras no vivas. El recuento de unidades formadoras de colonias bacterianas (UFC) requiere incubación durante la noche y detecta bacterias que crecen fácilmente en medios sólidos. La simulación de dinámica molecular (MD) se puede utilizar para minimizar el número de experimentos con sustratos diseñados, con la cuantificación de imágenes de microscopía de fluorescencia de lapso de tiempo que se pueden procesar en una hora. Las mediciones del ángulo de contacto se pueden utilizar para caracterizar el uso de micro / nanopilares para romper paredes celulares.

Solicitud

Tratamiento de aguas

Péptidos antimicrobianos y quitosano

La quitina de origen natural y ciertos péptidos han sido reconocidos en el pasado por sus propiedades antimicrobianas. Hoy en día, estos materiales se diseñan en nanopartículas para producir aplicaciones de desinfección de bajo costo. Los péptidos naturales forman canales a nanoescala en las membranas de las células bacterianas, lo que provoca el colapso osmótico. Estos péptidos ahora se sintetizan para adaptar las nanoestructuras antimicrobianas con respecto al tamaño, morfología, recubrimientos, derivatización y otras propiedades, lo que les permite ser utilizados para propiedades antimicrobianas específicas según se desee. El quitosano es un polímero que se obtiene a partir de la quitina en las conchas de los artrópodos y se ha utilizado por sus propiedades antibacterianas durante un tiempo, pero aún más desde que el polímero se ha convertido en nanopartículas. El quitosano demuestra ser efectivo contra bacterias, virus y hongos, sin embargo, es más efectivo contra hongos y virus que contra bacterias. Las nanopartículas de quitosano cargadas positivamente interactúan con la membrana celular cargada negativamente, lo que provoca un aumento en la permeabilidad de la membrana y, finalmente, los componentes intracelulares se filtran y se rompen.

Nanopartículas de plata

También se sabe que los compuestos de plata y los iones de plata muestran propiedades antimicrobianas y se han utilizado en una amplia gama de aplicaciones, incluido el tratamiento de agua. Está demostrado que los iones de plata evitan la replicación del ADN y afectan la estructura y permeabilidad de la membrana celular. La plata también conduce a la inactivación UV de bacterias y virus porque los iones de plata son fotoactivos en presencia de irradiación UV-A y UV-C. Los iones de cisteína y plata forman un complejo que conduce a la inactivación del fago de Haemophilus influenzae y del bacteriófago MS2.

Aplicaciones médicas y comerciales

Aparatos quirurgicos

Incluso con todas las precauciones tomadas por los profesionales médicos, se informa que la infección ocurre en hasta el 13,9% de los pacientes después de la estabilización de una fractura abierta, y en aproximadamente el 0,5-2% de los pacientes que reciben prótesis articulares. Para reducir estos números, las superficies de los dispositivos utilizados en estos procedimientos se han alterado con la esperanza de prevenir el crecimiento de las bacterias que provocan estas infecciones. Esto se ha logrado recubriendo dispositivos de titanio con una combinación antiséptica de clorhexidina y cloroxilenol. Esta combinación antiséptica previene con éxito el crecimiento de los cinco organismos principales que causan infecciones relacionadas con la medicina, que incluyen Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli y Candida albicans.

Recubrimientos fotocatalíticos

Se han utilizado pigmentos fotoactivos como TiO 2 y ZnO en sustratos de vidrio, cerámica y acero con fines de autolimpieza y antimicrobianos. Para la actividad bactericida fotocatalítica en aplicaciones de tratamiento de agua, se han utilizado materiales de sustrato granular en forma de arenas que soportan revestimientos mixtos de anatasa / rutilo TiO 2. Los fotocatalizadores de semiconductores de óxido como el TiO 2 reaccionan con la irradiación incidente que excede la banda prohibida electrónica del material, lo que da como resultado la formación de pares de electrones y huecos (excitones) y la generación secundaria de especies de radicales a través de la reacción con adsorbatos en la superficie del fotocatalizador produciendo un oxidativo o reductor. efecto que degrada los organismos vivos. Titania se ha utilizado con éxito como revestimiento antimicrobiano en azulejos de baño, losas de pavimento, desodorantes, ventanas autolimpiables y muchos más.

Superficies táctiles de cobre

Artículos principales: superficies táctiles de cobre antimicrobianas y propiedades antimicrobianas del cobre

Las superficies de aleación de cobre tienen propiedades intrínsecas para destruir una amplia gama de microorganismos.

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA), que supervisa la regulación de agentes y materiales antimicrobianos en ese país, descubrió que las aleaciones de cobre matan más del 99,9% de las bacterias que causan enfermedades en solo dos horas cuando se limpian con regularidad. El cobre y las aleaciones de cobre son clases únicas de materiales sólidos, ya que ninguna otra superficie de contacto sólida tiene permiso en los EE. UU. Para hacer declaraciones de salud humana (los registros de salud pública de la EPA antes estaban restringidos solo a productos líquidos y gaseosos). La EPA ha otorgado el estado de registro de antimicrobianos a 355 composiciones diferentes de aleaciones de cobre. En las aplicaciones de atención médica, los productos de cobre antimicrobiano aprobados por la EPA incluyen barandas, pasamanos, mesas para colocar encima de la cama, lavabos, grifos, perillas de las puertas, accesorios para inodoros, postes intravenosos, teclados de computadora, etc. En aplicaciones de instalaciones públicas, los productos de cobre antimicrobianos aprobados por la EPA incluyen club de salud equipos, ascensor equipos, carrito de la compra mangos, etc. En la construcción de aplicaciones residenciales, EPA-aprobado productos de cobre antimicrobiano incluyen cocina superficies, barandillas, estribos, placas de empuje de la puerta, toalleros, hardware aseo, azulejos, etc. En el transporte público instalaciones, los productos de cobre antimicrobianos aprobados por la EPA incluyen pasamanos, barandas para escaleras, barras de apoyo, sillas, bancos, etc. Aquí se puede encontrar una lista completa de productos de aleación de cobre para superficies a los que se les ha otorgado el estado de registro antimicrobiano con declaraciones de salud pública: Antimicrobiano Superficies táctiles de aleación de cobre # Productos aprobados.

Actualmente se están llevando a cabo ensayos clínicos con cepas microbianas exclusivas de las instalaciones sanitarias individuales de todo el mundo para evaluar hasta qué punto las aleaciones de cobre pueden reducir la incidencia de infecciones en entornos hospitalarios. Los primeros resultados revelados en 2011 a partir de estudios clínicos financiados por el Departamento de Defensa de EE. UU. Que se están llevando a cabo en unidades de cuidados intensivos (UCI) en el Centro Oncológico Memorial Sloan-Kettering en la ciudad de Nueva York, la Universidad Médica de Carolina del Sur y el Ralph H. Johnson VA Medical Center en Charleston, Carolina del Sur indica que las habitaciones donde las superficies de contacto comunes fueron reemplazadas por cobre demostraron una reducción del 97% en patógenos de la superficie en comparación con las habitaciones sin cobre y que los pacientes en las habitaciones de la UCI de cobre tenían un 40,4% menos de riesgo de contraer una infección adquirida en el hospital versus pacientes en habitaciones de UCI sin cobre.

Recubrimientos antiincrustantes

La bioincrustación marina se describe como la acumulación indeseable de microorganismos, plantas y animales en superficies artificiales sumergidas en agua. La acumulación significativa de bioincrustaciones en embarcaciones marinas puede ser problemática. Tradicionalmente, los biocidas, una sustancia química o un microorganismo que puede controlar el crecimiento de organismos nocivos por medios químicos o biológicos, se utilizan para prevenir la bioincrustación marina. Los biocidas pueden ser sintéticos, como tributilestaño (TBT), o naturales, que se derivan de bacterias o plantas. Históricamente, el TBT fue el principal biocida utilizado para los recubrimientos antiincrustantes, pero más recientemente los compuestos de TBT se han considerado sustancias químicas tóxicas que tienen efectos negativos en los seres humanos y el medio ambiente y han sido prohibidos por la Organización Marítima Internacional. El diseño inicial de los recubrimientos antiincrustantes consistía en los ingredientes activos (por ejemplo, TBT) dispersos en el recubrimiento en el que se "lixiviaban" en el agua del mar, matando cualquier microbio u otra vida marina que se hubiera adherido al barco. Sin embargo, la velocidad de liberación del biocida tendía a ser descontrolada y, a menudo, rápida, dejando el recubrimiento solo efectivo durante 18 a 24 meses antes de que todo el biocida se lixiviara del recubrimiento.

Figura 3: Liberación de biocidas a lo largo del tiempo

Sin embargo, este problema se resolvió con el uso de las denominadas pinturas autopulimentantes, en las que el biocida se liberaba a un ritmo más lento a medida que el agua de mar reaccionaba con la capa superficial de la pintura. Más recientemente, se han utilizado pinturas antiincrustantes a base de cobre porque son menos tóxicas que los TBT en el medio acuático, pero solo son eficaces contra la vida animal marina y no tanto contra el crecimiento de malezas. Los recubrimientos antiadherentes no contienen biocidas, pero tienen superficies extremadamente resbaladizas que previenen la mayoría de las incrustaciones y facilitan la limpieza de las pequeñas incrustaciones que se producen. Los biocidas naturales se encuentran en organismos marinos como los corales y las esponjas y también previenen el ensuciamiento si se aplican a un recipiente. Crear una diferencia en la carga eléctrica entre el casco y el agua de mar es una práctica común en la prevención de incrustaciones. Esta tecnología ha demostrado ser eficaz, pero se daña fácilmente y puede resultar cara. Finalmente, se pueden agregar espinas microscópicas a un recubrimiento y, dependiendo de la longitud y la distribución, se ha demostrado la capacidad de prevenir la adhesión de la mayoría de las bioincrustaciones.