Recubrimientos anti-biofilm aplicados mediante plasma-polimerización destinados a la industria de manipulación de alimentos y al sector médico

Resumen

La formación de biofilm en las industrias de manipulación de alimentos y en aplicaciones médicas es un motivo de preocupación debido a la capacidad de las bacterias para adherirse y reproducirse en diferentes entornos, materiales y superficies. Los microorganismos patógenos son muy difíciles de erradicar, puesto que pueden adherirse fácilmente a una superficie, desarrollar biofilm, sobrevivir a temperaturas extremas de refrigeración o condiciones de desecación y resistir a los desinfectantes. Todos estos problemas relacionados con la formación de biofilms provocan contaminación cruzada de productos, desechos y deterioro de alimentos, riesgos para la salud de los consumidores, daños en los equipos industriales y grandes pérdidas económicas para los productores. El inconveniente de los métodos convencionales de desinfección es que, además de emplear altas concentraciones de productos químicos tóxicos, son frecuentemente ineficientes ya que no logran la erradicación completa de los biofilms, aumentando así los problemas asociados con la posible generación de resistencia bacteriana. Por lo tanto, los investigadores y las empresas están realizando grandes esfuerzos para tratar de eliminar los biofilms de los entornos de producción. En esta tesis se ha empleado la tecnología de plasma a presión atmosférica con Descarga de Barrera Dieléctrica (Dielectric Barrier Discharge, DBD) para generar recubrimientos anti‐biofilm. En las dos primeras publicaciones científicas, el principal objetivo era la reducción del biofilm generado. Para ello, se aplicaron recubrimientos plasma‐polimerizados a base de ácido acrílico (Acrylic acid, AcAc) y tetraetilo ortosilicato (Tetraethyl orthosilicate, TEOS) sobre muestras de ácido poli láctico (Poly‐lactic acid, PLA) impresas en 3D. El rápido desarrollo de la tecnología de impresión 3D, y específicamente de los filamentos de PLA, para aplicaciones médicas (implantes, prótesis y dispositivos de protección) y en contacto con alimentos (utensilios de cocina con un diseño ergonómico para personas con problemas de movilidad), hace muy interesante el uso del PLA impreso en 3D como sustrato en esta tesis. Sin embargo, el empleo del PLA y de la tecnología de impresión 3D se están viendo limitados debido a la facilidad de proliferación bacteriana y la imposibilidad de someter las piezas impresas a un proceso de esterilización; provocados por la característica rugosidad superficial de las piezas impresas en 3D y la baja temperatura de fusión del PLA, respectivamente. La influencia del líquido precursor y el número de pasadas se caracterizaron mediante ensayos de microscopía de fuerza atómica (Atomic Force Microscopy, AFM), microscopía electrónica de barrido (Scanning Electron Microscopy, SEM), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (X‐ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) y ensayos microbiológicos de cuantificación de biofilm. Se identificaron los mecanismos de adhesión y proliferación bacteriana. La formación de biofilm se debe a un efecto combinado de las propiedades químicas y morfológicas de la superficie del sustrato. En general, conforme mayor es la rugosidad y la hidrofilicidad de la superficie, mayor será la capacidad anti‐biofilm de los recubrimientos generados. Se puede concluir que los recubrimientos basados en AcAc resultaron más efectivos que los de TEOS. Sin embargo, no se puede establecer un número de pasadas específico como el mejor, puesto que la capacidad anti‐biofilm de los recubrimientos se ve influenciada por la forma y el tamaño de las bacterias que conforman el biofilm. Los recubrimientos de AcAc plasma‐polimerizados más exitosos, redujeron la formación de biofilm de Pseudomonas aeruginosa, Listeria monocytogenes, Escherichia coli y Staphylococcus aureus en más de un 50%, con respecto a las muestras de PLA sin tratar con plasma. En los entornos industriales, coexisten múltiples cepas bacterianas y las superficies recubiertas requieren una higienización periódica para evitar la acumulación de bacterias a largo plazo y la contaminación cruzada de los productos alimenticios. Por ello, con el fin de dar un paso más hacia el escalado industrial, los objetivos fijados en la tercera publicación se basaron en analizar la magnitud y durabilidad de las propiedades anti‐biofilm de un recubrimiento plasma‐polimerizado expuesto a un cóctel de múltiples cepas de Listeria monocytogenes (una de las bacterias más difíciles de controlar y eliminar).La durabilidad del recubrimiento bicapa, a base de aminopropiltrietoxisilano (Aminopropyltriethoxysilane, APTES) y AcAc, se evaluó sometiendo las muestras recubiertas a 5 ciclos de limpieza con desinfectantes de uso común, como el hipoclorito de sodio y el ácido peracético. Los recubrimientos se aplicaron sobre muestras de acero inoxidable (material predominante en las líneas de producción alimentaria). Las muestras recubiertas lograron reducir la producción de biofilm en más del 85% y se mantuvieron en niveles del 72% después de aplicar los ciclos de limpieza con hipoclorito de sodio. La efectividad anti‐biofilm después de la higienización con hipoclorito de sodio se debió al alto pH de dicha solución, que provocó una desprotonación de los grupos ácido carboxílico del recubrimiento funcional. Ello dotó a la superficie de una fuerte hidrofilia con carga negativa, favorable para prevenir la adhesión bacteriana y la formación de biofilm. Sin embargo, la capacidad anti‐biofilm perdió efectividad cuando se empleó ácido peracético como solución desinfectante. Se considera que se ha cumplido con los objetivos propuestos. Los recubrimientos aplicados en esta tesis no solo reducen el biofilm generado por diferentes bacterias presentes en instalaciones de manipulación de alimentos y en el ámbito clínico, sino que además son duraderos frente a procesos de limpieza con desinfectantes alcalinos. De modo que la tecnología de plasma a presión atmosférica se puede convertir en una alternativa innovadora a las soluciones actuales para aplicaciones de desinfección en la industria médica y alimentaria.