Utilizzando un processo di incisione elettrochimica su una comune lega di acciaio inossidabile, i ricercatori hanno creato una superficie nanostrutturata che uccide i batteri senza danneggiare le cellule dei mammiferi. Se ulteriori ricerche supportano i primi risultati dei test, il processo potrebbe essere utilizzato per attaccare la contaminazione microbica sui dispositivi medici impiantabili e sulle apparecchiature per la lavorazione degli alimenti realizzate con il metallo.

Mentre il meccanismo specifico con cui il materiale nanostrutturato uccide i batteri richiede ulteriori studi, i ricercatori ritengono che minuscoli spuntoni e altre nano-protrusioni create sulla superficie forino le membrane batteriche per uccidere gli insetti. Le strutture superficiali non sembrano avere un effetto simile sulle cellule dei mammiferi, che sono un ordine di grandezza più grandi dei batteri.

Oltre agli effetti antibatterici, la nano testurizzazione sembra anche migliorare la resistenza alla corrosione. La ricerca è stata riportata il 12 dicembre sulla rivista Scienza e ingegneria dei biomateriali ACS dai ricercatori del Georgia Institute of Technology.

"Questo trattamento superficiale ha implicazioni potenzialmente di vasta portata perché l'acciaio inossidabile è così ampiamente utilizzato e molte delle applicazioni potrebbero trarne vantaggio, " ha detto Julie Champion, professore associato presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech. "Molti degli approcci antimicrobici attualmente in uso aggiungono una sorta di pellicola superficiale, che può svanire. Poiché in realtà stiamo modificando l'acciaio stesso, questo dovrebbe essere un cambiamento permanente del materiale."

Champion e i suoi collaboratori della Georgia Tech hanno scoperto che la modifica della superficie ha ucciso sia i batteri Gram negativi che quelli Gram positivi, testandolo su Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Ma la modifica non sembrava essere tossica per le cellule di topo, un problema importante perché le cellule devono aderire agli impianti medici come parte della loro incorporazione nel corpo.

La ricerca è iniziata con l'obiettivo di creare una superficie super idrofoba sull'acciaio inossidabile nel tentativo di respingere i liquidi - e con loro, batteri. Ma presto divenne chiaro che la creazione di una superficie del genere avrebbe richiesto l'uso di un rivestimento chimico, cosa che i ricercatori non volevano fare. I borsisti post-dottorato Yeongseon Jang e Won Tae Choi hanno quindi proposto un'idea alternativa di utilizzare una superficie nanostrutturata su acciaio inossidabile per controllare l'adesione batterica, e hanno avviato una collaborazione per dimostrare questo effetto.

Il team di ricerca ha sperimentato vari livelli di tensione e flusso di corrente in un processo elettrochimico standard. Tipicamente, processi elettrochimici sono utilizzati per lucidare l'acciaio inossidabile, ma Champion e collaboratore Dennis Hess – un professore e Thomas C. DeLoach, Jr. Chair nella School of Chemical and Biomolecular Engineering – ha utilizzato la tecnica per irruvidire la superficie su scala nanometrica.

"Nelle giuste condizioni, puoi creare una nanotexture sulla struttura superficiale del grano, " ha spiegato Hess. "Questo processo di testurizzazione aumenta la segregazione superficiale di cromo e molibdeno e quindi migliora la resistenza alla corrosione, che è ciò che differenzia l'acciaio inossidabile dall'acciaio convenzionale."

L'esame microscopico ha mostrato sporgenze da 20 a 25 nanometri sopra la superficie. "È come una catena montuosa con picchi e valli aguzzi, " ha detto Champion. "Pensiamo che l'effetto di uccisione dei batteri sia correlato alla scala dimensionale di queste caratteristiche, permettendo loro di interagire con le membrane delle cellule batteriche".

I ricercatori sono rimasti sorpresi dal fatto che la superficie trattata uccidesse i batteri. E poiché il processo sembra basarsi su un processo biofisico piuttosto che chimico, gli insetti non dovrebbero essere in grado di sviluppare resistenza ad esso, lei ha aggiunto.

Una seconda importante applicazione potenziale per la tecnica di modifica della superficie è l'attrezzatura per la lavorazione degli alimenti. Là, il trattamento superficiale dovrebbe impedire ai batteri di aderire, migliorare le tecniche di sterilizzazione esistenti.

I ricercatori hanno utilizzato campioni di una comune lega inossidabile nota come 316L, trattando la superficie con un processo elettrochimico in cui è stata applicata corrente alle superfici metalliche mentre erano immerse in una soluzione di attacco con acido nitrico.

L'applicazione della corrente sposta gli elettroni dalla superficie metallica nell'elettrolita, alterando la tessitura superficiale e concentrando il contenuto di cromo e molibdeno. Le specifiche tensioni e densità di corrente controllano il tipo di caratteristiche superficiali prodotte e la loro scala dimensionale, disse Hess, che ha lavorato con Choi – poi un dottorato di ricerca. studente – e Professore Associato Victor Breedveld nella Scuola di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, e il Professor Preet Singh nella Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali, progettare il processo di nanotesturizzazione.

Per valutare più a fondo gli effetti antibatterici, Jang ha coinvolto l'esperienza di Andrés García, un Regents' Professor presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech, e lo studente laureato Christopher Johnson. Nei loro esperimenti, hanno permesso a campioni batterici di crescere su campioni di acciaio inossidabile trattati e non trattati per periodi fino a 48 ore.

Alla fine di quel tempo, il metallo trattato aveva un numero significativamente inferiore di batteri. Tale osservazione è stata confermata rimuovendo i batteri in una soluzione, quindi posizionare la soluzione su piastre di agar. Le piastre che ricevevano la soluzione dall'acciaio inossidabile non trattato hanno mostrato una crescita batterica molto maggiore. Ulteriori test hanno confermato che molti dei batteri sulle superfici trattate erano morti.

Cellule di fibroblasti di topo, però, non sembrava essere infastidito dalla superficie. "Le cellule dei mammiferi sembravano abbastanza sane, " ha detto Champion. "La loro capacità di proliferare e coprire l'intera superficie del campione ha suggerito che stavano bene con la modifica della superficie".

Per il futuro, i ricercatori hanno in programma di condurre studi a lungo termine per assicurarsi che le cellule dei mammiferi rimangano sane. I ricercatori vogliono anche determinare quanto regge la loro nanostruttura quando è soggetta a usura.

"In linea di principio, questo è molto scalabile, " ha detto Hess. "L'elettrochimica è normalmente applicata commercialmente per elaborare materiali su larga scala".