Valutazione delle attività antibatteriche di maschere facciali rivestite con nanoparticelle di biossido di titanio

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18739 (2022) Citare questo articolo

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Per controllare le malattie infettive, sono state utilizzate varie applicazioni della nanotecnologia per migliorare le proprietà autopulenti e antibatteriche dei materiali. Questo studio mirava a valutare le proprietà antibatteriche delle maschere facciali rivestite con nanoparticelle di TiO2. L'efficacia antibatterica delle maschere facciali in tessuto rivestite con TiO2 è stata misurata inoculandole in sospensioni batteriche (105 CFU sia da E. coli che da S. aureus). I risultati hanno mostrato che le soluzioni di nanoparticelle di TiO2 (al 2%) hanno ridotto l’inoculo iniziale di 105 CFU (5 log cfu/cm2) di E. coli e S. aureus a 1,3 e 1,68 log, rispettivamente, con attività antibatteriche di 3,7 e 3,34 log , rispettivamente. Inoltre, ad una concentrazione dell'1%, le attività antibatteriche contro E. coli e S. aureus erano rispettivamente di 2,1 e 2,01 log, mentre a una concentrazione bassa (0,5%), le attività antibatteriche contro E. coli e S. aureus erano 1,8. e 1,72 log, rispettivamente. Le CFU in tutti i gruppi sperimentali erano significativamente inferiori a quelle del gruppo di controllo (soluzione salina). In conclusione, le soluzioni di nanoparticelle di TiO2 con un'elevata concentrazione (2%) hanno dimostrato un forte effetto antibatterico su E. coli e S. aureus e la differenza è stata statisticamente significativa, mentre un'attività antibatterica significativa è stata dimostrata con una concentrazione inferiore (0,5% e 1 %) soluzioni di nanoparticelle di TiO2 dopo 18 ore. È stata riscontrata una differenza statisticamente significativa per quanto riguarda la riduzione delle colonie tra E. coli e S. aureus anche dopo 3 ore. Le attività antibatteriche del TiO2 nelle maschere facciali potrebbero essere promettenti per ridurre il rischio di infezioni batteriche.

Lo sviluppo della nanotecnologia è una tendenza tecnologica promettente che può avere un grande impatto in molti campi, come la fisica e la biologia, la medicina, l'elettronica, l'alimentazione, la qualità dell'acqua, l'industria tessile, la qualità dell'aria e la biomeccanica 1. È definita come "una scienza e tecnologia che viene condotta a una miliardesima (10−9) parte di metro", cioè su scala nanometrica (1–100 nm).

Esistono molti tipi di nanoparticelle, come nanoparticelle metalliche, non metalliche, organiche e inorganiche 2. Le nanoparticelle di titanio, rame e argento sono esempi di nanoparticelle metalliche. Il biossido di titanio (TiO2) ha proprietà uniche, come basso costo, stabilità, bassa tossicità, alto indice di rifrazione, elevate proprietà ottiche, elevata assorbanza ultravioletta, forte capacità redox, elevato gap energetico (cioè 3,2–5,2 eV) e ha buone proprietà elettriche, ottiche e magnetiche 3,4. È necessario definire in modo completo le caratteristiche delle nanoparticelle, quali dimensione, forma, morfologia superficiale, cristallinità e assorbimento della luce, utilizzando opportune tecniche di caratterizzazione 5, come le tecniche di microscopia (microscopia elettronica o microscopia a scansione di sonda). Inoltre, le tecniche ottiche (spettroscopia) possono essere utilizzate per studiare le caratteristiche delle nanoparticelle, come riflettanza, trasmittanza, fotochimica e luminescenza 6. Brunauer–Emmett–Teller (BET), diffrattometria a raggi X (XRD) e spettroscopia a infrarossi (IR) sono le tecniche più ampiamente utilizzate per la caratterizzazione delle strutture NP e possono essere utilizzate per descrivere la fase, la dimensione delle particelle, il tipo e la natura cristallina delle nanoparticelle. La qualità della superficie delle nanoparticelle è fortemente influenzata dalle loro proprietà meccaniche, che includono stress, rivestimenti superficiali, durezza, deformazione, attrito e adesività. Le caratteristiche del TiO2 includono stabilità, basso costo, non tossicità, biocompatibilità, proprietà ottiche ed elettriche. Appare principalmente in tre forme distinte, tra cui brookite, anatasio e rutilo, con strutture diverse. Le simulazioni termodinamiche mostrano che durante il riscaldamento, sia l'anatasio che la brookite si trasformano in rutilo, che è più stabile a tutte le temperature e pressioni inferiori a 60 kbar 7. I nanomateriali, come i fotocatalizzatori TiO2, hanno dimostrato una notevole attività nella fotodegradazione di una varietà di sostanze organiche e inorganiche inquinanti. Poiché i contaminanti organici possono degradarsi completamente in materiali innocui in circostanze normali di temperatura e pressione, si prevede che la fotocatalisi diventerà presto uno dei metodi più efficienti per trattare diversi tipi di contaminanti. Gli inquinanti, inclusi erbicidi, acidi carbossilici e alcoli, possono essere completamente scomposti in anidride carbonica, acqua e minerali semplici 8. Il fotocatalizzatore deve avere qualità specifiche, come la giusta dimensione delle particelle, forma, cristallinità e anatasio in rutilo rapporto, per essere particolarmente efficace. I metodi più comunemente utilizzati per produrre nanoparticelle di TiO2 sono l'elettrodeposizione, le micelle inverse, il metodo sol-gel, la deposizione chimica in fase vapore di metalli organici, il metodo di combustione alla fiamma, la sintesi in fase gassosa (aerosol), i metodi idrotermali, la sintesi chimica umida mediante precipitazione di idrossidi da sali e metodi mediati da microemulsioni 9. Il processo sol-gel è una tecnica chimica umida utilizzata principalmente nei campi della scienza dei materiali e dell'ingegneria ceramica. Può essere definita come la conversione di una soluzione precursore in un solido inorganico attraverso reazioni di polimerizzazione indotte dall'acqua 10. L'idrolisi forma un sol che è sostanzialmente una dispersione di particelle colloidali in un liquido e la condensazione porta alla formazione di un gel. Rispetto ai metodi discussi sopra, il processo sol-gel è molto promettente per la sintesi e la preparazione di nanomateriali ibridi inorganici e organico-inorganici perché consente l'uso di basse temperature di lavorazione (< 100 ° C) e omogeneità della composizione a livello molecolare 10. La dimensione e la forma delle particelle sono facili da controllare utilizzando il metodo sol-gel. Il processo sol-gel produce polveri fini e sferiche di dimensione uniforme ed è stato ampiamente utilizzato per sintetizzare materiali di TiO2 e normalmente procede attraverso una fase acido-catalizzata di alcossidi di titanio (IV) 11. Una delle caratteristiche più interessanti del processo sol-gel processo è la possibilità di modellare il materiale risultante nelle forme desiderate, come fibra, film e polvere monodispersa. Numerosi passaggi e condizioni vengono applicati in un processo sol-gel per controllare la morfologia finale, come suggerito da Mehrotra e Singh 10. L'uso di TiO2 come fotocatalizzatore per uccidere i microrganismi è noto da molto tempo 12. Le proprietà e i meccanismi antibatterici delle nanotecnologie sono state ampiamente discusse, comprese quelle delle nanoparticelle di TiO2, che sono state ampiamente applicate grazie alle loro proprietà fotocatalitiche per degradare e rimuovere sporco, odori e uccidere i batteri. Il meccanismo di questa tecnica dipende dalla generazione di radicali superossido reattivi (O2− e ·OH) sulla superficie delle molecole di TiO2 durante il processo di fotocatalisi quando esposte alla luce di una lunghezza d'onda appropriata 13,14,15. Le radichette dell'ossigeno colpiscono le cellule batteriche con diversi meccanismi, portandole alla morte. Entrambi i tipi di batteri differiscono l’uno dall’altro nella loro risposta alle nanoparticelle antibatteriche. La disinfezione è definita come la procedura di trattamento utilizzata per eliminare i microrganismi patogeni, ma potrebbe non eliminare le spore batteriche 16. Negli ultimi decenni, è noto che il TiO2 sotto forma di nanoparticelle possiede attività antibatteriche ad ampio spettro 17,18. Le maschere facciali in tessuto sono materiali utilizzati per proteggere dagli agenti patogeni traspiranti (batterici o virali) 19. Sono classificate come maschere intere, semimaschere e quarti di maschera. L'efficienza filtrante delle maschere facciali varia da una all'altra a seconda della densità del materiale della maschera facciale 20. Con l'uso continuo delle maschere facciali senza scambio regolare, un lavaggio improprio può potenzialmente contaminare le superfici, poiché la temperatura e l'umidità inducono umidità e quindi la colonizzazione microbica ; inoltre un uso improprio può comportare il rischio di diffusione di agenti patogeni 21,22,23,24,25. Lo smaltimento delle mascherine ha portato a un enorme aumento dei rifiuti classificati come "pericolosi a rischio infettivo" e le mascherine vengono smaltite come pericolo biologico 26. È stato dimostrato che le nanoparticelle sono in grado di uccidere un'ampia gamma di organismi , compresi i batteri gram-negativi e gram-positivi, che differiscono per la parete e l'involucro cellulare e quindi per la resistenza ai disinfettanti 27. Inoltre, è stato dimostrato che molti altri organismi, inclusi virus, funghi, alghe e protozoi, sono ucciso dalle nanoparticelle di TiO2 12. È stato dimostrato che queste nanoparticelle sono utili per la disinfezione delle maschere facciali 16,17. Le maschere facciali rivestite con TiO2 sono ampiamente utilizzate per le loro proprietà autopulenti e antibatteriche migliorate per il controllo delle malattie infettive, come COVID-19 28. Questo documento mirava a valutare le proprietà antibatteriche delle maschere facciali rivestite con nanoparticelle di TiO2.