Electrospun fibers containing metal-releasing particles for microbial growth control
- Autores: Jennifer Quirós Jiménez
- Directores de la Tesis: Roberto Rosal García (dir. tes.), Ana Karina Boltes Espínola (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eloy García Calvo (presid.), Pedro Letón García (secret.), Montserrat Tobajas Vizcaíno (voc.), Ismael Rodea Palomares (voc.), Carlos González Sánchez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
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
- English
Electrospinning is the only general technique available for the production of nanofibers. It proved suitable to provide nonwovens with high surface to volume ratio, tunable porosity, plasticity to adapt to a variety of sizes and shapes and almost unlimited possibilities of chemical functionalization. The materials used to prepare electrospun fibers range from synthetic to natural polymers, also allowing the possibility of preparing ceramic nanofibers. There is also the possibility of creating hierarchical structures such as core/sheath and surface decorated fibers, which offer the possibility of electrospinning non-spinnable substances and surface complex functionalization. Electrospun fibers may contain a variety of organic or inorganic fillers offering physical reinforcement or the controlled delivery of chemicals included within fibers. The most common filler materials are inorganic nanoparticles that included in nanofibers of decorating their surface, benefit from a support to which they may impart different capacities.
Many applications have been developed to take advantage of the unique features of nanofibers, among which the possibility of preparing composite mats with antimicrobial action stands out.
The incorporation of antimicrobial compounds in electrospun fibers offers the possibility of developing new antibiotic surfaces that can be used as antibacterial scaffolds for biomedicine, biofouling resistant membranes for environmental uses and materials for active food packaging among many other uses. The aim of this work was to produce biocidal electrospun nanocomposite fibers by incorporating metal carriers to environmentally friendly polymers. For this purpose, the biopolymers polylactic acid and cellulose acetate and the water soluble polyvinylpyrrolidone were used to incorporate metal nanoparticles either free or in supported form. The carriers for metals were a modified sepiolite, mesoporous silica and hybrid organicinorganic materials belonging to the class of metal-organic frameworks.
Electrospun fibers were physically characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-Ray diffraction and energy dispersive X-Ray spectroscopy, among others. Special attention was paid to the release of metals, which was assessed by inductively coupled plasma mass-spectroscopy measurements. The organisms used for testing the biocidal behaviour of mats were the bacteria Pseudomonas putida, Staphylococcus aureus and Escherichia coli, the yeast Saccharomyces cerevisiae and the fungus Aspergillus niger.
Confocal microscopy and microplate readings with fluorochromes measuring cell viability or integrity allowed determining the biocidal effect of composite fibres. For it, the cell-permeant esterase substrate fluorescein diacetate, the nucleic acid stains SYTO 9 and propidium iodide, a luciferin-based ATP determination system and the viability probe for yeasts and fungi FUN 1 were used. These methods were complemented by colony counting and the measurement of cell biomass.
The results showed that nanometals, with or without carrier particles can be successfully included in all the polymeric matrixes tested using blended electrospinning. Fibres were produced in all cases as smooth nonwovens without beading and flaws and a fibre diameter of a few hundreds of nanometres. The rate of metal discharge showed an initial peak followed by a period or slower and relatively constant rate of release. Supported metals or structured frameworks resulted in slower metal release and more prolonged biocidal effect with respect to free nanometals. Silver-loaded fibres were particularly effective preventing bacterial colonization and biofilm formation, but copper and cobalt loaded membranes also displayed significant antibiocidal behaviour. The results generally showed a decrease in the number of microorganisms attached to the fibres, an increase in non-viable cells and a parallel decrease in viable microorganisms with the occasional finding of viable but non-culturable microorganisms
- español
