Mediante el uso de 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 primeros resultados de las pruebas, el proceso podría usarse para atacar la contaminación microbiana en dispositivos médicos implantables y en 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 estudios, los investigadores creen que pequeños picos y otras nano-protuberancias creadas en la superficie perforan las membranas bacterianas para matar a los insectos. Las estructuras de la superficie no parecen tener un efecto similar en las células de los mamíferos, que son un orden de magnitud más grandes que las bacterias.

Más allá de los efectos antibacterianos, la nano-texturización también parece mejorar la resistencia a la corrosión. La investigación fue publicada el 12 de diciembre en la revista Ciencia e ingeniería de biomateriales ACS por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.

"Este tratamiento de superficie tiene implicaciones potencialmente de amplio alcance porque el acero inoxidable se usa ampliamente y muchas de las aplicaciones podrían beneficiarse, "dijo Julie Champion, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Muchos de los enfoques antimicrobianos que se utilizan actualmente añaden algún tipo de película superficial, que puede desaparecer. Debido a que en realidad estamos modificando el acero en sí, eso debería ser un cambio permanente en el material ".

Champion y sus colaboradores de Georgia Tech descubrieron que la modificación de la superficie mató tanto a las bacterias Gram negativas como a las Gram positivas, probándolo en Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Pero la modificación no pareció ser tóxica para las células de ratón, un tema importante porque las células deben adherirse a los implantes médicos como parte de su incorporación al cuerpo.

La investigación comenzó con el objetivo de crear una superficie súper hidrófoba en el acero inoxidable en un esfuerzo por repeler los líquidos y, con ellos, bacterias. Pero pronto quedó claro que crear tal superficie requeriría el uso de un recubrimiento químico, lo que los investigadores no querían hacer. Los becarios posdoctorales Yeongseon Jang y Won Tae Choi propusieron una idea alternativa de usar una superficie nanotexturizada 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. Típicamente, Los procesos electroquímicos se utilizan para pulir el acero inoxidable. pero el campeón y colaborador Dennis Hess, profesor y Thomas C. DeLoach, Cátedra Jr. en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular - utilizó la técnica para dar rugosidad a la superficie a escala nanométrica.

"En las condiciones adecuadas, puede crear una nanotextura en la estructura de la superficie del grano, "Hess explicó." Este proceso de texturizado aumenta la segregación superficial de cromo y molibdeno y, por lo tanto, mejora la resistencia a la corrosión, que es lo que diferencia al acero inoxidable del acero convencional ".

El examen microscópico mostró protuberancias de 20 a 25 nanómetros por encima de la superficie. "Es como una cadena montañosa con picos y valles afilados, ", dijo Champion." Creemos que el efecto de matar las bacterias está relacionado con la escala de tamaño de estas características, permitiéndoles interactuar 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 más que químico, los insectos no deberían poder desarrollar resistencia a él, ella añadió.

Una segunda aplicación potencial importante para la técnica de modificación de superficies es el equipo de procesamiento de alimentos. Allí, el tratamiento de la superficie debe evitar que las bacterias se adhieran, mejorar las técnicas de esterilización existentes.

Los investigadores utilizaron muestras de una aleación de acero inoxidable común conocida como 316L, tratar la superficie con un proceso electroquímico en el que se aplicó corriente a las superficies metálicas mientras se sumergían en una solución de grabado de ácido nítrico.

La aplicación de la corriente mueve electrones desde 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 superficiales producidas y su escala de tamaño. dijo Hess, que trabajó con Choi - luego un Ph.D. estudiante y 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 nanotexturizado.

Para evaluar más completamente los efectos antibacterianos, Jang contó con la experiencia de Andrés García, un profesor de Regents en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech, y el estudiante de posgrado Christopher Johnson. En sus experimentos, permitieron que las muestras bacterianas crecieran en muestras de acero inoxidable tratadas y sin tratar durante períodos de hasta 48 horas.

Al final de ese tiempo, el metal tratado tenía significativamente menos bacterias. Esa observación se confirmó al eliminar las bacterias en una solución, luego colocando la solución en placas de agar. Las placas que recibieron la solución del acero inoxidable sin tratar mostraron un crecimiento bacteriano mucho mayor. Pruebas adicionales confirmaron que muchas de las bacterias de las superficies tratadas estaban muertas.

Células de fibroblastos de ratón, sin embargo, no parecía molestarse por la superficie. "Las células de los mamíferos parecían estar bastante sanas, "dijo Champion." Su capacidad para proliferar y cubrir toda la superficie de la muestra sugirió que estaban bien con la modificación de la superficie ".

Para el futuro, los investigadores planean realizar estudios a largo plazo para asegurarse de que las células de los mamíferos permanezcan sanas. Los investigadores también quieren determinar qué tan bien se sostiene su nanotexturizado cuando se somete a desgaste.

"En principio, esto es muy escalable, ", dijo Hess." La electroquímica se aplica comercialmente de forma rutinaria para procesar materiales a gran escala ".