Nanopartículas y polímeros: clave en la lucha contra la bioincrustación

El Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) desarrolla proyectos encaminados a resolver problemas de la vida cotidiana, que ayuden a mejorar nuestro medioambiente deteriorado y, en consecuencia, las condiciones de vida de las personas.

La mayoría de estos proyectos emplean nanopartículas y polímeros con los cuales se puede eliminar o inhibir la proliferación de diferentes microorganismos que causan enfermedades e incluso la muerte de los humanos, además de atacar las diversas problemáticas causadas por los microorganismos en la vida cotidiana de la sociedad.

Bioincrustación: problemas y soluciones

En la Fig. 1 se ilustran algunas aplicaciones desarrolladas en el CIQA. El fenómeno de bioincrustación o ensuciamiento es investigado recientemente por ser un tema actual de mucho interés en diversas áreas.

La búsqueda de superficies resistentes al ensuciamiento implica diferentes elementos empleados en la vida cotidiana, tales como sistemas de purificación de agua, equipos marinos, dispositivos biomédicos, empaque de alimentos, telas, materiales de patrimonios culturales, purificación de aire, prendas de vestir libres de patógenos, etc.

Figura 1. Aplicaciones de nanopartículas y polímeros

Estrictamente hablando, los fenómenos de bioincrustación se refieren a procesos de contaminación biológica (materia viva) adsorbida en la superficie de los materiales. Este proceso comienza con la formación de una película primaria sobre la superficie del material en presencia de por lo menos dos variables, microorganismos (microfouling) y humedad (1).

Entre los microorganismos predominantes se encuentran las bacterias y diatomáceas, que producen una gran cantidad de materia orgánica, por ejemplo, los ácidos polisacáridos que forman una película en la superficie con muchos nutrientes, que es aprovechada para la colonización de otros organismos de mayor tamaño.

La superficie acondicionada favorece el crecimiento y proliferación de microorganismos. En el caso del biofouling marino, la evolución de la biopelícula implica el asentamiento de macroincrustantes tales como invertebrados marinos y macroalgas (2).

Una alternativa desarrollada para minimizar o inhibir la bioincrustación es el uso de recubrimientos con propiedades antibioincrustantes. Estos recubrimientos pueden ser de varios tipos, como hidrogeles, biocidas, recubrimientos a base de silicona (nanotecnología) y basados en polímeros. Todos ellos tienen aplicación en procesos de desalinación, ambientes marinos y tratamiento de aguas, ya que muestran resistencia a la adhesión de bioincrustantes o actividad biológica dañina para el biofouling marino (3). En el último caso, los agentes biocidas incluyen nanopartículas (NP) de metal y óxido de metal (NP) (4).

Como una respuesta a esta gran problemática, recientemente se propuso el proyecto titulado DAMA —Descubrimiento acelerado de materiales antibioincrustantes—, dentro de la convocatoria 2019 Ciencia de Frontera del CONACYT (5). El proyecto contempla la participación de un grupo multidisciplinario formado por investigadores de diferentes instituciones de México, que tienen como objetivo descubrir nuevos materiales resistentes a procesos bioincrustantes.

Específicamente, en el CIQA se trabaja en recubrimientos a base de biocidas con nanopartículas metálicas solas o en mezcla, que no presentan restricciones ambientales y que en varios ambientes han demostrado ser de baja toxicidad, tales como Cu, ZnO, Se, ZrO₂, SiO₂, TiO₂, entre otras.

Las nanopartículas en la lucha contra la bioincrustación

Durante varios años, el crecimiento de microorganismos en forma de biopelícula solo tuvo importancia en el área ambiental, ya que su formación se había observado exclusivamente en las tuberías que transportan el agua, pero la biopelícula no solo afecta al medio marino. No obstante, los avances en el área médica reconocieron este fenómeno como un problema grave, pues se descubrió que el crecimiento de microorganismos en forma de película produce muchas infecciones crónicas difíciles de tratar con medicamentos antimicrobianos convencionales.

Además, se asoció con las infecciones relacionadas con el uso de dispositivos médicos como catéteres intravasculares, prótesis articulares y catéteres urinarios.

Recientemente, se han reportado muchos estudios relacionados con el combate de infecciones en áreas de uso común como hospitales, terminales y en todas las áreas con tránsito intenso de personas.

Afortunadamente, los microorganismos, presentes en diferentes medios, se pueden combatir con nanopartículas metálicas disponibles en muchas clases y cantidades gracias a los trabajos científicos realizados desde hace más de treinta años. De esta forma, las NP de Cu, ZnO, Se, ZrO₂, SiO₂, TiO₂, entre otras, pueden ser empleadas desde en los barcos hasta en lugares comunes de nuestra casa con mucha humedad.

Las características antimicrobianas de las nanopartículas de base metálica están relacionadas con sus propiedades intrínsecas como área superficial, tamaño, distribución, morfología y potencial zeta (6).

Por otro lado, las propiedades antes mencionadas dependen del procedimiento sintético con el que se preparan y la funcionalización que presenten en su superficie. Esta última característica desempeña un papel muy importante en la dispersión de las NP en diferentes medios, como solventes y polímeros.

Las nanopartículas se pueden generar a través de un gran número de rutas sintéticas basadas en fases gaseosa, líquida o sólida. Las nanopartículas sintetizadas deben ser modificadas superficialmente en la mayoría de los casos, con el fin de pasivarlas y estabilizarlas, ya que su tamaño a nanoescala las vuelve muy reactivas químicamente e incrementa su capacidad física de agregación. También estas son modificadas superficialmente para incrementar su eficiencia y satisfacer las necesidades de aplicación.

En este sentido, moléculas pequeñas y de gran tamaño como polímeros, que contengan en su estructura heteroátomos de nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, entre otros (7-9), favorecen diferentes interacciones químicas con la superficie oxihidroxilada de las partículas e incrementan su dispersión en diferentes medios (10-11).

Un material indispensable para que las NP metálicas sean de utilidad en nuestra vida cotidiana son los polímeros de cualquier tipo; la combinación de estos elementos evita que las NP se usen en grandes cantidades y contaminen el medioambiente sin ningún tipo de control.

Por ejemplo, los nanocompuestos de polietileno (HDPE) y NP Cu son efectivos para controlar el fouling en redes de pesca (12). En la Fig. 2 se exhiben fotografías donde se demuestra que las redes con cobre presentan menos ensuciamiento después de permanecer seis meses en agua de mar.

Aplicaciones prácticas de nanopartículas antimicrobianas

A continuación se presentan algunas aplicaciones de NP de baja toxicidad que han demostrado ser útiles en el combate de microorganismos.

Las nanopartículas de plata y cobre son materiales interesantes que se han empleado para combatir bioincrustaciones, ya que presentan propiedades antimicrobianas de amplio espectro y son efectivas contra múltiples bacterias, virus y hongos. Sin embargo, una posible desventaja de las NP Ag es su elevado costo en comparación con metales como el cobre.

Por otra parte, las nanopartículas de óxidos de fierro (Fe₂O₃) también presentan características antimicrobianas, pero su estudio ha sido menos extenso comparado con las NP Ag y Cu; la biocompatibilidad que presentan es una razón importante para implementar su uso en productos comerciales.

Las NP ZnO presentan ejemplos novedosos de aplicación en ambientes marinos. Una combinación de NP ZnO al 0.5 % en peso con polidimetilsiloxano forma superficies superhidrofóbicas, de fabricación económica, prolongada longevidad y completamente antiadherente a la bioincrustación marina. También se ha empleado como aditivo para la protección contra radiación UV en recubrimientos marinos epoxi y poliuretanos.

Algunos recubrimientos del tipo hidrogel formulados con nanomateriales, con propiedades antibacterianas inherentes, presentan excelentes propiedades mecánicas y antifouling contra bacterias y algas marinas. L

a fabricación de los nanohidrogeles se considera simple, eficiente y barata. Además, el uso de nanomateriales como NP de CuO, Ag, SiO₂, micropartículas de CuO, se consideran una excelente estrategia para la comercialización futura de este tipo de recubrimientos, aunque existen algunas limitaciones por resolver.

Agradecimientos. Los autores agradecen el apoyo obtenido de los proyectos CONACyT-SENER-Sustentabilidad Energética, Centro Mexicano de Innovación en Energía del Océano n.° 0249795 y FORDECYT-PRONACES/845101/2020, n.° 845101, así como la beca otorgada a Marissa Pérez Álvarez proyecto número 0294.

REFERENCIAS

1.  R. Kolter, E.P. Greenberg. Microbial sciences: the superficial life of microbes. Nature. 2006, 441, 300–302. DOI:10.1038/441300a
2. I. Amara, W. Miled, R.B. Slama, N. Ladhari. Antifouling processes and toxicity effects of antifouling paints on marine environment. A review. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2018, 57, 115–130; DOI: 10.1016/j.etap.2017.12.001  
3. T. Wei, Q. Yu, H. Chen. Responsive and Synergistic Antibacterial Coatings: Fighting against Bacteria in a Smart and Effective Way. Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801381. https://doi.org/10.1002/adhm.201801381
4. A. Santini, M.L. Garcia, E.B. Souto. Metal-Based Nanoparticles as Antimicrobial Agents: An Overview. Nanomaterials. 2020, 10, 292. https://doi.org/10.3390/nano10020292
5. Proyecto DAMA-2019. https://conacyt.mx/alternativas-de-prevencion-ante-el-problema-de-la-bioincrustacion/
6. E. Karimi, Antimicrobial Activities of Nanoparticles in: Nanotechnology for Agriculture: Crop Production & Protection, Springer Singapore, Singapore, 2019, 171–206. https://doi.org/10.1007/978-981-32-9374-8_10
7. Martinez L, Martinez R, Cadenas G, Contreras R, Flores A. N-BH3 adducts of trialkyl-1,3,5-triazacyclohexanes with stable stereogenic nitrogen atoms, stereochemical study. Tetrahedron Asymmetry. 1995, 6(7), 1585-1592. DOI: 10.1016/0957-4166(95)00202-z
8. Cadenas G, Martinez L, Mara A, Rosales M, Contreras R, Daran JC, Halut S, Flores A. 1993. New Perhydrodithiazines, nmr and x-ray Diffraction Studies. Phosphorous, Sulfur, and Silicon and the Related Elements. 1993, 81: 1-4, 111-123. https://doi.org/10.1080/10426509308034380
9. Jardón N, Pérez M, Sierra R, Ávila A, Jiménez E, Mara A, Gonzales P, Cadenas G. Oxidation of Copper Nanoparticles Protected with Different Coatings and Stored Under Ambient Conditions. Journal of Nanomaterials. 2018, 1, 1-8. https://doi.org/10.1155/2018/9512768
10. Jardón N, Cadenas G, Ávila A, Comparán E, Lugo E, Pérez M, Tavizón F, Santillán S. Antimicrobial Property of Polypropylene Composites and Functionalized Copper Nanoparticles. Polymers. 2021, 13(11), 1694. DOI:10.3390/polym13111694
11. Saleh A. Shetti P, Shanbhag M, Raghava K, Aminabhavi M. Recent Trends in Functionalized Nanoparticles Loaded Polymeric Composites: An Energy Application. Materials Science for Energy Technologies. 2020, 3(9), 515-525. https://doi.org/10.1016/j.mset.2020.05.005
12. Wenwen Yu, Yongli Liu, Lei Wang, Jiangao Shi. Cu Nanoparticle-Modified High-Density Polyethylene Monofilament and Its Antifouling Performance on Fishing Netting. International Journal of Polymer Science. 2019, Article ID 7250348, 1-10. https://doi.org/10.1155/2019/7250348