Electrospun fibers containing metal-releasing particles for microbial growth control

Resumen

El electrohilado es la única técnica general de que se dispone para la producción de nanofibras de materiales poliméricos. Se trata de fibras habitualmente no tejidas de diámetro del orden de cientos de nanómetros y que y que resultan particularmente adecuadas para la creación de membranas de elevada relación de superficie a volumen, porosidad variable y plasticidad para adaptarse a una gran variedad de tamaños y formas. Además, la postfuncionalización química de las fibras ofrece una versatilidad casi ilimitada. Los materiales electrohilables van desde polímeros sintéticos o naturales a materiales cerámicos. También existe la posibilidad de crear estructuras jerárquicas tales como las producidas por el hilado coaxial separado de núcleo y vaina, que permite decorar una fibra con sustancias no hilables, entre otras posibilidades de funcionalización. Las fibras electrhohiladas pueden contener gran variedad de rellenos capaces de ofrecer refuerzo físico o la posibilidad de un suministro controlado de ciertos productos químicos incluidos en la mezcla de hilado. Los materiales de relleno más comunes son nanopartículas inorgánicas que, incluidas en las nanofibras o decorando la superficie de las fibras, les pueden conferir diversas capacidades. Existen gran variedad de aplicaciones que aprovechan las características únicas de las nanofibras y entre ellas destaca la posibilidad de preparar hilados con acción antimicrobiana. La incorporación de compuestos antimicrobianos en fibras electrohiladas ofrece la posibilidad de desarrollar nuevas superficies antibióticas para ser utilizadas como soporte antibacteriano en biomedicina, para la preparación de membranas resistentes al bioensuciamiento en aplicaciones ambientales o para la fabricación de materiales de envasado activo de alimentos entre otros muchos usos. El objetivo de este trabajo fue producir fibras compuesta electrohiladas con capacidad biocida mediante la incorporación de nanopartículas metálicas a polímeros ambientalmente aceptables. Para este propósito se utilizaron los biopolímeros ácido poliláctico y acetato de celulosa y el polímero soluble en agua polivinilpirrolidona a los que se incorporaron nanopartículas de metal tanto en forma libre como soportada. Los soportes para los metales fueron una sepiolita modificada, sílice mesoporosa y materiales híbridos orgánico-inorgánicos pertenecientes a la clase de las redes metal-orgánicas. Las fibras electrohiladas se caracterizaron físicamente mediante microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y espectroscopía de energía dispersiva de rayos X, entre otros. Se prestó especial atención a la liberación de los metales, que se evaluó mediante espectroscopía de masas con plasma de acoplamiento inductivo. Los organismos utilizados para ensayar el comportamiento biocida de las fibras fueron las bacterias Pseudomonas putida, Staphylococcus aureus y Escherichia coli, la levadura Saccharomyces cerevisiae y el hongo Aspergillus niger. Se utilizó microscopía confocal y lecturas en microplaca con fluorocromos de viabilidad e integridad celular con el fin de determinar el efecto biocida de los materiales compuestos. Se empleó para ello, el sustrato de esterasa diacetato de fluoresceína, los colorantes de ácido nucleico SYTO 9 y ioduro de propidio, un sistema de determinación de ATP a base de luciferina y la sonda de viabilidad para levaduras y hongos FUN 1. Estos métodos se complementaron con el recuento de colonias y la medición de la biomasa celular. Los resultados mostraron que los metales o sus partículas portadoras podían incluirse con éxito en las matrices poliméricas ensayadas utilizando electrohilado conjunto. Los hilados se produjeron como fibras no tejidas, lisas y sin gotas ni defectos con un diámetro de fibra en todos los casos de unos pocos cientos de nanómetros. La velocidad de liberación de metal mostró un pico inicial seguido de un período de liberación más lenta y a tasa relativamente constante. Los metales soportados o los sistemas estructurados dieron lugar a una liberación más lenta de metal y a un efecto biocida más prolongado respecto a los nanometales libres. Las fibras preparadas con plata fueron particularmente eficaces contra la colonización y la formación de biopelículas, pero las membranas aditivadas con cobre y cobalto también mostraron un comportamiento biocida significativo. Los resultados mostraron una disminución en el número de microorganismos adheridos a las fibras, un aumento en las células no viables y una disminución paralela del número de microorganismos viables con el hallazgo ocasional de microorganismos viables pero no cultivables