Al utilizar un proceso de grabado electroquímico en una aleación de acero inoxidable común, los investigadores han creado una superficie nanotexturizada que mata las bacterias sin dañar las células de los mamíferos. Si la investigación adicional respalda los resultados de las pruebas tempranas, el proceso podría usarse para atacar la contaminación microbiana en médicos implantablesdispositivos y equipos de procesamiento de alimentos hechos con el metal.
Si bien el mecanismo específico por el cual el material nanotexturizado mata las bacterias requiere más estudio, los investigadores creen que los pequeños picos y otras nano protuberancias creadas en la superficie perforan las membranas bacterianas para matar a los insectos. Las estructuras superficiales no parecen tener un aspecto similarefecto sobre las células de mamíferos, que son un orden de magnitud mayor que las bacterias.
Más allá de los efectos antibacterianos, la nano-textura también parece mejorar la resistencia a la corrosión. La investigación se informó el 12 de diciembre en la revista Ciencia e ingeniería de biomateriales de ACS por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.
"Este tratamiento de superficie tiene implicaciones potencialmente muy amplias porque el acero inoxidable es muy utilizado y muchas de las aplicaciones podrían beneficiarse", dijo Julie Champion, profesora asociada de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Muchaslos enfoques antimicrobianos que se utilizan actualmente agregan algún tipo de película superficial, que puede desgastarse. Debido a que en realidad estamos modificando el acero, eso debería ser un cambio permanente en el material ".
Champion y sus colaboradores de Georgia Tech descubrieron que la modificación de la superficie eliminó las bacterias Gram negativas y Gram positivas, probándola en Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Pero la modificación no parecía ser tóxica para las células de ratón, un problema importante porque las célulasdebe adherirse a los implantes médicos como parte de su incorporación al cuerpo.
La investigación comenzó con el objetivo de crear una superficie súper hidrofóbica en el acero inoxidable en un esfuerzo por repeler líquidos, y con ellos, bacterias. Pero pronto quedó claro que crear una superficie de este tipo requeriría el uso de un químicorecubrimiento, lo que los investigadores no querían hacer. Los becarios posdoctorales Yeongseon Jang y Won Tae Choi propusieron una idea alternativa de usar una superficie nanotexturada en acero inoxidable para controlar la adhesión bacteriana, e iniciaron una colaboración para demostrar este efecto.
El equipo de investigación experimentó con diferentes niveles de voltaje y flujo de corriente en un proceso electroquímico estándar. Por lo general, los procesos electroquímicos se utilizan para pulir el acero inoxidable, pero el campeón y colaborador Dennis Hess, profesor y Thomas C. DeLoach, Jr. Presidenteen la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular: utilicé la técnica para rugosizar la superficie a escala nanométrica.
"En las condiciones adecuadas, puede crear una nanotextura en la estructura de la superficie del grano", explicó Hess. "Este proceso de texturización aumenta la segregación de la superficie del cromo y el molibdeno y, por lo tanto, mejora la resistencia a la corrosión, que es lo que diferencia el acero inoxidable del acero convencional"
El examen microscópico mostró protuberancias de 20 a 25 nanómetros sobre la superficie. "Es como una cordillera con picos y valles agudos", dijo Champion. "Creemos que el efecto de matar bacterias está relacionado con la escala de tamaño de estas características, lo que permiteque interactúen con las membranas de las células bacterianas "
Los investigadores se sorprendieron de que la superficie tratada matara las bacterias. Y debido a que el proceso parece depender de un proceso biofísico en lugar de químico, los insectos no deberían ser capaces de desarrollar resistencia a ella, agregó.
Una segunda aplicación potencial importante para la técnica de modificación de superficie es el equipo de procesamiento de alimentos. Allí, el tratamiento de superficie debe evitar que las bacterias se adhieran, mejorando las técnicas de esterilización existentes.
Los investigadores usaron muestras de una aleación de acero inoxidable común conocida como 316L, tratando la superficie con un proceso electroquímico en el que se aplicó corriente a las superficies metálicas mientras estaban sumergidas en una solución de grabado de ácido nítrico.
La aplicación de la corriente mueve electrones de la superficie del metal al electrolito, alterando la textura de la superficie y concentrando el contenido de cromo y molibdeno. Los voltajes específicos y las densidades de corriente controlan el tipo de características de superficie producidas y su escala de tamaño, dijo Hess, quientrabajó con Choi, entonces estudiante de doctorado, y el profesor asociado Victor Breedveld en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular, y el Profesor Preet Singh en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, para diseñar el proceso de nanotexturación.
Para evaluar más completamente los efectos antibacterianos, Jang contrató la experiencia de Andrés García, profesor de regentes en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech, y el estudiante graduado Christopher Johnson. En sus experimentos, permitieron que crecieran muestras bacterianas en tratamientos ymuestras de acero inoxidable sin tratar por períodos de hasta 48 horas.
Al final de ese tiempo, el metal tratado tenía significativamente menos bacterias en él. Esa observación se confirmó al eliminar la bacteria en una solución y luego colocar la solución en placas de agar. Las placas que recibieron la solución del acero inoxidable no tratado mostraron muchomayor crecimiento bacteriano. Pruebas adicionales confirmaron que muchas de las bacterias en las superficies tratadas estaban muertas.
Las células de fibroblastos de ratón, sin embargo, no parecían estar molestas por la superficie. "Las células de mamíferos parecían estar bastante sanas", dijo Champion. "Su capacidad para proliferar y cubrir toda la superficie de la muestra sugirió que estaban bien conla modificación de la superficie "
Para el futuro, los investigadores planean realizar estudios a largo plazo para asegurarse de que las células de los mamíferos se mantengan saludables. Los investigadores también quieren determinar qué tan bien se mantiene su nanotextura cuando se someten a desgaste.
"En principio, esto es muy escalable", dijo Hess. "La electroquímica se aplica habitualmente comercialmente para procesar materiales a gran escala".
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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