La nanostrutturazione crea spuntoni che uccidono i batteri sulle superfici in acciaio inossidabile
Un procedimento elettrochimico potrebbe render più sicuri i materiali utilizzati per l’industria alimentare, ma anche aprire la strada a sensori sottocutanei.
Utilizzando un processo di incisione elettrochimica su una comune lega di acciaio inossidabile, i ricercatori hanno creato una superficie nanostrutturata che uccide i batteri senza danneggiare le cellule dei mammiferi. Se ulteriori ricerche supportano i risultati di test preliminari, il processo potrebbe essere utilizzato per attaccare la contaminazione microbica sui dispositivi medici impiantabili e sulle apparecchiature per la trasformazione dei prodotti alimentari realizzate con il metallo.
Mentre il meccanismo specifico con cui il materiale nanostrutturato uccide i batteri richiede ulteriori studi, i ricercatori credono che minuscoli spuntoni e altre nanoprotrusioni creati sulla superficie perforino le membrane batteriche per uccidere i microrganismi. Le strutture superficiali non sembrano avere un effetto simile sulle cellule dei mammiferi, che sono di un ordine di grandezza superiore ai batteri.
Oltre agli effetti antibatterici, la nano-testurizzazione sembra anche migliorare la resistenza alla corrosione. La ricerca è stata riportata il 12 dicembre nella rivista ACS Biomaterials Science & Engineering da ricercatori del Georgia Institute of Technology.
“Questo trattamento superficiale ha implicazioni potenzialmente di ampia portata, perché l’utilizzo dell’acciaio inossidabile è molto diffuso e molte delle applicazioni ne potrebbero beneficiare,” ha dichiarato Julie Champion, professore associato presso la Georgia Tech’s School of Chemical and Biomolecular Engineering. “Molti degli approcci antimicrobici attualmente in uso aggiungono una sorta di pellicola superficiale, che può usurarsi. Poiché stiamo effettivamente modificando l’acciaio stesso, questo dovrebbe essere un cambiamento permanente del materiale.”
Champion e i suoi collaboratori della Georgia Tech hanno scoperto che la modifica della superficie ha ucciso sia batteri Gram negativi che Gram positivi, testandoli su Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Ma la modifica non sembrava essere tossica per le cellule di topo — un fatto importante perché le cellule devono aderire agli impianti medici come parte della loro inclusione nel corpo.
La ricerca è iniziata con l’obiettivo di creare una superficie super-idrofobica sull’acciaio inossidabile nel tentativo di respingere i liquidi — e con essi i batteri. Ma è diventato presto chiaro che la creazione di una tale superficie avrebbe richiesto l’uso di un rivestimento chimico, cosa che i ricercatori non volevano fare. I postdoc Yeongseon Jang e Won Tae Choi hanno poi proposto l’idea alternativa di utilizzare una superficie nanostrutturata su acciaio inossidabile per controllare l’adesione batterica, e hanno avviato una collaborazione per dimostrare questo effetto.
Il team di ricerca ha sperimentato diversi livelli di tensione e corrente in un processo elettrochimico standard. In genere, i processi elettrochimici sono utilizzati per lucidare l’acciaio inossidabile, ma Champion e il collaboratore Dennis Hess — un professore e Thomas C. DeLoach, professore Junior presso la Scuola di Ingegneria Chimica e Biomolecolare — hanno usato la tecnica per irruvidire la superficie alla scala nanometrica.
“Nelle giuste condizioni, è possibile creare una nanotexture sulla struttura superficiale,” ha spiegato Hess. “Questo processo di testurizzazione aumenta la separazione superficiale di cromo e molibdeno e quindi aumenta la resistenza alla corrosione, che è ciò che differenzia l’acciaio inossidabile da quello convenzionale.”
L’esame microscopico ha rilevato protuberanze da 20 a 25 nanometri sopra la superficie.
“È come una catena montuosa con vette aguzze e valli profonde,” ha dichiarato Champion. “Riteniamo che l’effetto di abbattimento dei batteri sia correlato alla scala dimensionale di queste strutture, cosa che permette loro di interagire con le membrane delle cellule batteriche.”
I ricercatori sono rimasti sorpresi che la superficie trattata abbia ucciso i batteri. E poiché il processo sembra basarsi su un processo biofisico piuttosto che chimico, i microbi non dovrebbero essere in grado di sviluppare resistenza ad esso, ha aggiunto.
Una seconda importante applicazione potenziale per la tecnica di modifica della superficie è l’attrezzatura per la lavorazione degli alimenti. Lì, il trattamento di superficie dovrebbe evitare che i batteri aderiscano, migliorando le tecniche di sterilizzazione esistenti.
I ricercatori hanno utilizzato campioni di una comune lega inossidabile nota come 316L, trattando la superficie con un processo elettrochimico in cui la corrente è stata applicata alle superfici metalliche mentre erano sommerse in una soluzione di incisione con acido nitrico.
L’applicazione della corrente sposta gli elettroni dalla superficie metallica all’elettrolita, alterandone la struttura superficiale e concentrando il contenuto di cromo e molibdeno. Le tensioni specifiche e le densità di corrente controllano il tipo di caratteristiche superficiali prodotte e la loro scala dimensionale, ha detto Hess, che ha lavorato con Choi — allora studente di dottorato — e il Professore associato Victor Breedveld nella Scuola di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, e il Professore Preet Singh nella Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali, per progettare il processo di nanotesturizzazione.
Per valutare meglio gli effetti antibatterici, Jang si è avvalso dell’esperienza di Andrés García, rettore presso la Scuola di Ingegneria Meccanica di Woodruff della Georgia Tech, e dello studente laureato Christopher Johnson. Nei loro esperimenti, hanno permesso la crescita di campioni batterici su campioni trattati e non trattati in acciaio inossidabile per periodi fino a 48 ore.
Alla fine di quel periodo, il metallo trattato aveva significativamente meno batteri su di esso. Tale osservazione è stata confermata rimuovendo i batteri in una soluzione, quindi posizionando la soluzione su piastre di agar. Le piastre che ricevevano la soluzione dall’acciaio inossidabile non trattato mostravano una crescita batterica molto più estesa. Ulteriori test hanno confermato che molti batteri sulle superfici trattate erano morti.
Le cellule fibroblastiche dei topi, tuttavia, non sembravano essere infastidite dalla superficie. “Le cellule dei mammiferi sembravano essere abbastanza sane,” ha detto Champion. “La loro capacità di proliferare e di coprire l’intera superficie del campione ha suggerito che erano compatibili con la modifica della superficie.”
Per il futuro, i ricercatori prevedono di condurre studi a lungo termine per assicurarsi che le cellule dei mammiferi rimangano sane. I ricercatori vogliono anche determinare quanto bene la loro nanotesturizzazione si regge quando sottoposti a usura.
“In linea di principio, questo è molto scalabile,” ha detto Hess. “L’elettrochimica è normalmente applicata commercialmente ai materiali di processo su larga scala.”
Per saperne di più: https://phys.org/news/2017-12-nanotexturing-bacteria-killing-spikes-stainless-steel.html#jCp
Tradotto in Italiano. Articolo originale: Phys.org
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