Resumen de Recubrimientos anti-biofilm aplicados mediante plasma-polimerización destinados a la industria de manipulación de alimentos y al sector médico
- español
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.
- English
Bacterial biofilms formation in food processing industries and medical applications is a matter of concern due to its ability to adhere and reproduce in different environments, materials and surfaces. Pathogenic microorganisms can easily attach to a surface, develop biofilms, survive at refrigeration temperatures or desiccation conditions and resist to disinfectants; which makes them very hard to eradicate. All these problems related to biofilms formation cause cross contamination of products, waste and food spoilage, damages of industrial equipment, economic losses for producers and health risks for consumers.
Conventional methods for disinfection, in addition to employ high concentrations of toxics chemicals, are frequently inefficient because they do not achieve a complete eradication of biofilms, increasing the problems with the possible generation of bacterial resistance. Therefore, researches and companies are making great efforts to remove biofilms from production environments. Atmospheric pressure plasma technology with a Dielectric Barrier Discharge (DBD) was used in this thesis to generate anti‐biofilm coatings.
In the first group of two scientific publications, the objective was to reduce bacterial biofilms formation.
Plasma‐polymerized coatings based on acrylic acid (AcAc) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) were applied on 3D printed polylactic acid (PLA) samples. The high speed development of 3D printing technology for food contact (ergonomic cutely for disabled people) and medical applications (implants, prosthesis and protection devices), make interesting the use of 3D printed PLA as a substrate. However, the use of PLA and 3D printing technology are being limited due to the ease of bacterial proliferation due to its surface roughness and the impossibility of subjecting to sterilization process because of the low fusion temperature of PLA. The influence of the precursor liquid and number of passes were characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X‐Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements and biofilm quantification. The mechanism of adhesion and bacterial proliferation were identified. The biofilm formation is caused by a combined effect of the chemical and morphological surface properties. Generally, the more hydrophilic and roughness surfaces, the better the anti‐biofilm capacity of the coatings. It was concluded that AcAc coatings are more effective than TEOS coatings. However, no specific number of passes could be defined as the best, since it depends on the shape and size of the bacteria. AcAc plasma‐polymerized coatings reduced biofilm formation more than 50% against Pseudomonas aeruginosa, Listeria monocytogenes, Escherichia coli and Staphylococcus aureus, regarding the untreated 3D printed PLA samples.
In real industrial environments, multiple bacterial strains coexist, and the coated surfaces require periodical sanitization to prevent long‐term bacterial accumulation and cross‐contamination of food products. For that, in the third publication, with the purpose of taking one more step towards the industrial scaling, the aims were to analyze the anti‐biofilm character of a plasma‐polymerized coating based on (3‐Aminopropyl) triethoxysilane (APTES) and AcAc exposed to a multi‐strain cocktail of Listeria monocytogenes (one of the most difficult bacteria to control and eliminate); as well as its durability after repeated 5 cycles of sanitization with commonly used disinfectants, such as sodium hypochlorite and peracetic acid, was also assessed. The coatings were applied on stainless steel (SS) samples (material most commonly used in food industry). Coated samples achieved to reduce the biofilm production more than 85% and remained at levels of 72% after sanitization cycles with sodium hypochlorite. The anti‐biofilm effectiveness after sanitization with sodium hypochlorite was due to the high pH of this solution, which caused a deprotonation of the carboxylic acid groups of the functional coating. This fact conferred it a strong hydrophilicity and negatively charged its surface, which was favorable for preventing bacterial attachment and biofilm formation.
However, this anti‐biofilm capacity lost effectivity when peracetic acid was employed as disinfection solution.
It is considered that the proposed objectives have been successfully fulfilled. The coatings applied in this thesis not only reduce the biofilm generated by different bacteria present in food and clinical field, but they are also durable against disinfecting processes with alkaline sanitizers. Therefore, this demonstrates the promising applications of atmospheric pressure plasma technology in food processing and medical industries and it could be an innovative alternative to the current industrial solutions.
