El rápido auge de materiales antibacterianos y antimicrobianos: moldeando el futuro de la salud y seguridad

La aparición de nuevos agentes infecciosos se ha convertido en una preocupación significativa —ahora más que nunca, mientras el mundo enfrenta consecuencias sanitarias y económicas de una pandemia global. El desarrollo y uso de materiales antimicrobianos solo se espera que aumente a medida que empleamos medidas más estrictas en controlar nuestro entorno y prevenir futuros brotes.

Impulsado por la creciente conciencia sobre seguridad y mantenimiento de la salud, la industria global de recubrimientos antimicrobianos anticipa un fuerte aumento de demanda, según Global Market Insights.

El mercado de materiales y recubrimientos antibacterianos se valoró en más de 3.000 millones de dólares en 2017. Se espera registre una tasa de crecimiento anual compuesta de alrededor del 12,5 % entre 2018-2024, alcanzando 7.000 millones para finales de 2024.

Los agentes infecciosos suelen propagarse mediante gotículas aerotransportadas producidas al estornudar o toser. Estos fluidos corporales pueden depositarse en superficies, y la transmisión persona a persona es posible si alguien toca estas gotículas respiratorias.

En un estudio de Neely y Maley, patógenos como Staphylococcus aureus resistente a meticilina (SARM) y enterococo resistente a vancomicina se encontró que sobreviven un día en materiales usados en hospitales.

Algunos microbios incluso vivieron más de 90 días. Estos microorganismos son endémicos en unidades de cuidados intensivos (UCI) y se asocian a mayor probabilidad de enfermedad y muerte. Desinfectantes, como el peróxido de hidrógeno, no son ideales por su efecto residual limitado y problemas de toxicidad ambiental.

Esta estructura actual exige una necesidad de explorar materiales que puedan proporcionar actividad antimicrobiana, reduciendo así la ocurrencia de posibles brotes.

El material antibacteriano ideal

Los materiales antibacterianos contienen agentes antimicrobianos capaces de inhibir o matar microbios en su superficie o entorno. Pueden ser polímeros antimicrobianos, plásticos antibacterianos, nanomateriales antimicrobianos o cerámicas antimicrobianas.

Un material antimicrobiano ideal muestra las siguientes características:

• seguro de usar;
• barato y fácil de sintetizar;
• cubre amplio espectro de actividad antimicrobiana;
• altamente estable por periodos prolongados;
• insoluble en agua (si se usa en desinfección de agua);
• no susceptible a descomposición;
• no debe liberar productos tóxicos.

Tipos de materiales y recubrimientos antimicrobianos

1. Polímeros antimicrobianos

Las propiedades macromoleculares versátiles de un polímero lo hacen opción favorable contra contaminación microbiana, particularmente en el campo biomédico. También conocidos como biocidas poliméricos, los polímeros antimicrobianos pueden inhibir el crecimiento de microorganismos causantes de enfermedades.

Principios generales de superficies antimicrobianas [1].

Materiales que exhiben acción antimicrobiana sin refinamientos y tienen propiedades auto-sanitizantes intrínsecas se llaman materiales antimicrobianos intrínsecos. Polímeros naturales, polímeros con grupos guanidina, polímeros con átomos de nitrógeno cuaternario, polímeros con halógenos, y polímeros que imitan péptidos naturales son algunos de los muchos materiales poliméricos con actividad antimicrobiana intrínseca.

Algunos polímeros naturales incluyen quitosano, heparina y poli-lisina. Los materiales basados en quitosano se ven con potencial prometedor por su biodegradabilidad, no toxicidad, biocompatibilidad y actividad antimicrobiana.

También es posible conferir actividad antimicrobiana a polímeros mediante modificaciones químicas. Algunas incluyen incorporación covalente de antimicrobianos de menor peso molecular, acoplamiento de péptidos antimicrobianos, e injerto de polímeros naturales en sintéticos.

Los envases alimentarios poliméricos antimicrobianos ganan terreno mientras empresas cambian a embalaje antibacteriano para producto más seguro y mayor vida útil.

Otras aplicaciones de polímeros antimicrobianos están en remediación de moho, recubrimientos en polvo, e industria de la construcción.

2. Plásticos antibacterianos

a) Plásticos antimicrobianos

Un plástico antimicrobiano es un material polimérico sintético que contiene aditivos antimicrobianos, efectivo contra el crecimiento microbiano. Exhibe propiedades antibacterianas al interrumpir la comunicación célula-célula mediante formación de superficies anti-adhesivas, matando bacterias.

Los plásticos antimicrobianos en uso comercial, como tronas, filtros de agua y recipientes de almacenamiento de alimentos, son más duraderos que plásticos sin ingredientes antimicrobianos activos. Los aditivos mezclados en polímeros termoplásticos y termoestables trabajan para minimizar la presencia de microorganismos que causan degradación más rápida del plástico, alargando así la vida funcional del plástico. Algunos plásticos compatibles incluyen polipropileno (PP), policarbonato (PC), poliestireno (PS) y polietileno (PE/LDPE).

b) Bioplásticos antimicrobianos

Albúmina, soja y proteína de suero sirven como materias primas favorables para fabricar bioplásticos. Los plásticos basados en albúmina inhiben el crecimiento de E. coli y Bacillus subtilis en su superficie, mientras inmunoglobulinas y glicomacropéptidos en proteína de suero unen la toxina y previenen infección microbiana.

También hay métodos de prueba disponibles para determinar si plásticos de albúmina o suero pueden usarse en sistemas sanitarios, como en envases de productos médicos y pruebas de infección para aplicaciones médicas.

3. Cerámicas antimicrobianas

Una cerámica antimicrobiana es un material sólido no metálico incorporado con aditivo en su esmalte que la hace resistente al crecimiento bacteriano. En un estudio de Drelich et al., se mostró que una cerámica infusionada con cobre podría servir como producto antibacteriano prometedor para desinfección de agua.

(a) esquema de tres pasos en fabricación de piedras cerámicas antimicrobianas; (b) piedras cerámicas; (c) patrón de difracción de rayos X de la arcilla usada; (d) micrografía electrónica de barrido revelando porosidad [2].

El cobre y sus compuestos han demostrado matar variedad de microorganismos, incluyendo bacterias (gram positivas y negativas), hongos, virus (con y sin envoltura), levaduras y esporas.

Puede matar el 99,9 % de bacterias dañinas en dos horas y seguir matando más del 99 % independientemente de exposiciones repetidas a la superficie de cobre, según la Copper Development Association (CDA). Poblaciones de Klebsiella pneumoniae y Staphylococcus aureus en agua contaminada, expuestas a piedra cerámica porosa infusionada con cobre, se redujeron en >99,9 % en 3 horas.

Aplicaciones de cerámicas antibacterianas están en lavabos, bañeras, inodoros, duchas y electrodomésticos de cocina.

4. Nanomateriales antimicrobianos

a) Nanopartículas orgánicas e inorgánicas

Las nanopartículas orgánicas pueden eliminar microbios liberando agentes antimicrobianos o superficies catiónicas de mato por contacto. En experimento de Jones et al., poli-epsilon-caprolactona (PCL) se mezcló con poli(N-vinilpirrolidona)-yodo, confiriendo propiedades antibacterianas a biomateriales, sin cambio en propiedades mecánicas o reológicas. La degradación de PCL también promovió anti-adherencia de Escherichia coli.

Representación esquemática de tipos de nanopartículas (NP) divididas en orgánicas, híbridas e inorgánicas [3].

Las nanopartículas inorgánicas son más estables a temperaturas altas que sus contrapartes orgánicas, permitiéndoles soportar condiciones de procesamiento severas. Por ello, las nanopartículas inorgánicas se usan a menudo como materiales antimicrobianos.

b) Nanopartículas de óxido metálico

Las nanopartículas de óxido metálico causan daño a membrana celular por interacción electrostática. La fuga de protones induce generación de especies reactivas de oxígeno que dañan biomoléculas orgánicas como lípidos, carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas, causando muerte microbiana.

El óxido de aluminio mostró inhibición de crecimiento de Escherichia coli. El trióxido de antimonio también es tóxico para Staphylococcus aureus y Bacillus subtilis. Otras nanopartículas de óxido metálico como óxido de cobalto, óxido de hierro, óxido de magnesio, óxido de zinc, dióxido de titanio y nanopartículas de plata también mostraron resultados prometedores de actividad antimicrobiana.

Las nanopartículas de plata tienen excelentes propiedades antibacterianas comparadas con otros metales. El fuerte enlace de iones de plata con grupos tiolato de proteínas y enzimas celulares las hace aditivo ideal en tejidos sanitarios como mascarillas, cortinas privadas, vendajes, apósitos, sábanas y otros textiles relacionados con salud. En 2015, el uso de plata en recubrimientos en polvo antimicrobianos representó el 50 % de los ingresos totales de la industria. También se espera genere 2.000 millones para 2024.

¿Qué sigue?

Es solo cuestión de tiempo que materiales antibacterianos, particularmente en recubrimientos superficiales, ganen más tracción como materia prima primaria si gobiernos implementan normas más estrictas exigiendo medidas de auto-sanitización.

Además, su aplicación en muchas industrias como construcción, envases alimentarios, textiles, remediación de moho, muebles, utensilios de cocina y automoción fortalecerá aún más su posición en el mercado global.