Crescita microbica e adesione di Escherichia coli in schiume siliconiche elastomeriche con additivi comunemente usati

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8541 (2023) Citare questo articolo

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Il silicone viene spesso utilizzato in ambienti in cui l'idrorepellenza è un vantaggio. Il contatto con l'acqua favorisce l'adesione dei microrganismi e la formazione di biofilm. A seconda dell'applicazione, ciò può aumentare la possibilità di intossicazioni alimentari e infezioni, l'aspetto degradante del materiale e la probabilità di difetti di fabbricazione. La prevenzione dell’adesione microbica e della formazione di biofilm è essenziale anche per le schiume elastomeriche a base siliconica, che vengono utilizzate a diretto contatto con il corpo umano ma sono spesso difficili da pulire. In questo studio viene descritto l'attacco microbico e la ritenzione dai pori di schiume siliconiche di diverse composizioni e confrontato con quelli delle schiume poliuretaniche comunemente utilizzate. La crescita degli Escherichia coli gram-negativi nei pori e la loro lisciviazione durante i cicli di lavaggio è caratterizzata dalla crescita/inibizione batterica, dal test di adesione e dall'imaging SEM. Vengono confrontate le proprietà strutturali e superficiali dei materiali. Nonostante l’utilizzo dei comuni additivi antibatterici, abbiamo riscontrato che le particelle non solubili rimangono isolate nello strato di elastomero siliconico, influenzando così la microruvidità superficiale. L'acido tannico solubile in acqua si dissolve nel mezzo e sembra aiutare a inibire la crescita batterica planctonica, con una chiara indicazione della disponibilità di acido tannico sulle superfici dei SIF.

Il silicone è un materiale ben studiato con una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, le sue proprietà antibatteriche in applicazioni specifiche sollevano ancora interrogativi. Nelle applicazioni mediche, le schiume a base di silicone (SIF) vengono utilizzate principalmente come protesi1 e moderne medicazioni per ferite2,3, essendo costantemente a contatto con i tessuti e i fluidi corporei. Poiché l’umidità ambientale e l’acqua favoriscono la formazione di biofilm mediante l’adesione di microrganismi, tali condizioni aumentano senza dubbio la possibilità di infezioni. Un altro campo di applicazione dei SIF in rapida crescita è quello dell'imbottitura (sedili, materassi, guarnizioni), dove è altamente probabile il contatto occasionale con fluidi corporei, alimenti e liquidi. Le schiume ammortizzanti hanno spesso una struttura a cellule aperte, che consente la penetrazione di aria, fluidi e microrganismi. Poiché la formazione di biofilm degrada anche l'aspetto del materiale e aumenta la probabilità di difetti di fabbricazione4,5, la prevenzione dell'adesione microbica e della formazione di biofilm sui materiali siliconici è un argomento importante, indipendentemente dalla loro applicazione.

Il poli(dimetilsilossano), ad esempio i polimeri a base di PDMS, comunemente noti come siliconi, non sono intrinsecamente antibatterici. Additivi come catalizzatori, comprese nanoparticelle di platino6 e altre specie a basso peso molecolare incorporate tra catene polimeriche o innestate sulla struttura polimerica possono conferire attività antibatterica al silicone7,8,9. Si ritiene che la bassa tensione superficiale e, pertanto, l'elevata idrofobicità siano uno dei motivi principali per cui il PDMS è incline all'adsorbimento proteico e all'adesione batterica10,11. Ad esempio, Busscher et al. hanno confrontato Candida albicans e C. tropicalis e hanno scoperto che quanto più la superficie del microrganismo è idrofobica, tanto più è incline ad aderire ad una superficie siliconica4. Sebbene i batteri gram-negativi Escherichia coli abbiano regioni sia idrofobe che idrofile nello strato esterno della membrana, la sua superficie è generalmente considerata idrofila (l'angolo di contatto per la bagnatura è compreso tra 16,7° e 24,7°)12,13. È generalmente noto che l'adesione dei microrganismi dipende dalle interazioni idrofobiche tra la cellula batterica e la superficie del polimero13.

Cercando di sopprimere l'adesione dei batteri idrofili su una superficie idrofobica, l'aumento dell'idrofilicità superficiale10,14,15 viene spesso proposto come possibile soluzione. È stato dimostrato che l'adesione di E. coli sul catetere in silicone diminuisce del 32% innestando il peptide antimicrobico e il polivinilpirrolidone sul PDMS indurito, o addirittura fino a circa il 95% utilizzando la metilcellulosa vinil-modificata16 e, utilizzando carbossimetil chitosano e polidopamina, si è ottenuta una Riduzione ≥ 90% dell'adesione di E. coli15. Inoltre, l'innesto di acrilati7 su gomma siliconica (Pseudomonas, catetere) sopprime efficacemente l'adsorbimento proteico non specifico e l'adesione cellulare, sopprimendo il recupero idrofobico della superficie. Uno dei lavori più recenti di McVerry et al. mostra una riuscita modifica della superficie idrofila in un unico passaggio in condizioni ambientali e sotto la luce UV per creare una rete di polisulfobetaina e perfluorofenilazide polimerica zwitterionica sulla superficie del silicone17. L'attività antibatterica riportata era dovuta alla formazione dello strato di idratazione superficiale in presenza del rivestimento idrofilo.