Funcionalización superficial de la alúmina y su uso en materiales antibacterianos

Introducción

Laalúmina (Al₂O₃), uno de los materiales cerámicos más populares, posee la estabilidad térmica, la tenacidad mecánica y la inercia química deseadas. La alúmina natural es biológicamente inactiva, es decir, antibacterianamente inactiva. En la última década se ha descubierto que la funcionalización de superficies es un método adecuado para extender el uso de la alúmina a aplicaciones biomédicas y de materiales higiénicos, especialmente a aplicaciones antibacterianas.

1. Visión general de los métodos de funcionalización de superficies

La funcionalización desuperficies es un método de adaptación de la capa superficial de un material para conferirle nuevas propiedades químicas, físicas o biológicas sin afectar a sus propiedades generales. En el caso de la alúmina, la funcionalización suele ser necesaria para mejorar la reactividad superficial, controlar la humectabilidad, añadir biocompatibilidad o incorporar funciones antibacterianas activas.

1.1 Silanización

La silanizaciónes la inmovilización de moléculas de organosilano en la superficie hidroxilada de la alúmina. Los silanos pueden funcionalizarse con grupos epoxi, tioles o aminas que sirven de anclaje para posteriores modificaciones químicas o para la inmovilización de biomoléculas. El 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) es un ejemplo para introducir los grupos amina, que permiten la posterior unión de nanopartículas de plata o compuestos de amonio cuaternario.

1.2 Tratamiento con plasma

El tratamiento con plasma cambia la energía de las superficies e introduce grupos funcionales (por ejemplo, -OH, -COOH) mediante el bombardeo de iones de alta energía. La activación de la superficie con plasma se consigue sin disolventes, siendo útil en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, el plasma de oxígeno mejora la hidrofilicidad de la alúmina y la adherencia de los recubrimientos antibacterianos.

1.3 Deposición de capas atómicas (ALD)

El ALD se emplea para depositar películas antibacterianas ultrafinas (por ejemplo, ZnO, TiO₂) con precisión a escala atómica sobre superficies de alúmina porosas o densas. El proceso garantiza un recubrimiento uniforme, incluso para geometrías intrincadas como los andamios de alúmina porosa para implantes médicos.

1.4 Ensamblaje capa a capa (LbL)

El proceso LbL utiliza la deposición secuencial de polielectrolitos o nanopartículas de carga opuesta para crear películas multicapa. Esto resulta especialmente conveniente para inmovilizar moléculas bioactivas como la lisozima o los péptidos antimicrobianos en superficies de alúmina.

2. Mecanismos antibacterianos basados en la modificación de la superficie

La alúmina modificada superficialmente exhibe actividad antibacteriana por los siguientes mecanismos principalmente:

- Liberación de especies antibacterianas (por ejemplo, Ag⁺, Zn²⁺) que se difunden en las membranas celulares bacterianas e inhiben la actividad enzimática.

- Superficies que matan por contacto, en las que agentes anclados como los compuestos de amonio cuaternario (QAC) interfieren con la estabilidad de la membrana bacteriana al entrar en contacto.

- 2. Generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), especialmente a partir de recubrimientos fotocatalíticos como el TiO₂, que inducen daños en componentes celulares como el ADN y las proteínas.

3. Estudios experimentales y datos

3.1 Alúmina funcionalizada con plata

En Wang et al. (2019), se funcionalizaron superficialmente discos de alúmina con nanopartículas de plata mediante silanización APTES y reducción in situ de la plata. La superficie funcionalizada mató a S. aureus y E. coli en más del 99,9% en 4 horas. Las imágenes SEM revelaron daños generalizados en la membrana, y el ICP-OES reveló una liberación sostenida de Ag⁺ durante más de siete días (Wang et al., 2019).

3.2 Recubrimientos de óxido de zinc mediante ALD

Zhao et al. (2021) recubrieron sustratos de alúmina con películas de ZnO mediante deposición de capas atómicas. El recubrimiento de ZnO de 50 ciclos suprimió 4 logs de UFC de Pseudomonas aeruginosa tras 6 horas de incubación oscura a través principalmente de la liberación de iones de zinc. Los recubrimientos eran altamente antibacterianos con baja citotoxicidad contra los fibroblastos humanos (Zhao et al., 2021).

3.3 Compuestos de TiO₂-alúmina

Un artículo publicado en 2020 en Surface & Coatings Technology demostró que los recubrimientos sol-gel de TiO₂ sobre alúmina eran capaces de reducir el número de E. coli en >95% en 2 horas bajo exposición a luz UV-A. La actividad fotocatalítica podía repetirse a través de ciclos repetidos, y no se observó una lixiviación significativa de los iones de titanio, conservando la actividad a largo plazo (Chen et al., 2020).

4. Aplicaciones biomédicas e higiénicas

Las cerámicas de alúmina funcionalizadas en superficie están encontrando su lugar en diversas aplicaciones. Los andamios porosos de alúmina recubiertos de plata o ZnO se utilizan en implantes médicos para reducir las infecciones posquirúrgicas. Las superficies de alúmina funcionalizada con agentes antimicrobianos se utilizan en instrumentos quirúrgicos y superficies de alto contacto en hospitales para reducir el riesgo de infección. Las membranas de alúmina funcionalizadas con agentes antimicrobianos se utilizan en sistemas de filtración de agua para lograr tanto la filtración física como la inactivación bacteriana. Las superficies recubiertas de cerámica antibacteriana se utilizan en la industria alimentaria para mejorar la higiene del procesado y el envasado.

Conclusión

La funcionalización de la superficie aumenta considerablemente la utilidad de la alúmina en los sistemas antibacterianos mediante la incorporación de especies químicas activas y la modificación de las características de la superficie. Bien respaldada por pruebas experimentales, la cerámica de alúmina funcionalizada en superficie se está integrando cada vez más en los sistemas biomédicos, medioambientales y sanitarios.

Preguntas más frecuentes

1. ¿Qué es la funcionalización superficial de la alúmina?

Es la modificación química de la superficie de alúmina para incluir una funcionalidad antibacteriana o de otro tipo.

2. ¿Por qué la alúmina no es antibacteriana por naturaleza?

Porque es químicamente inerte y carece de sitios superficiales biológicamente activos.

3. 3. ¿Cómo se funcionaliza la alúmina?

Algunos de los métodos típicos son la silanización, el tratamiento con plasma, el ALD y el recubrimiento capa a capa.

4. ¿Cómo matan las bacterias?

Mediante la liberación de iones (por ejemplo, Ag⁺, Zn²⁺), el contacto con la superficie o la formación de ROS mediante recubrimientos fotocatalíticos.

5. ¿Cuál es la eficacia de la alúmina recubierta de plata?

>99,9% de eliminación de bacterias en 4 horas (Wang et al., 2019).

>6. La alúmina recubierta de ZnO, ¿es biocompatible?

>Sí. Es extremadamente antibacteriana con una toxicidad mínima (Zhao et al., 2021).

Referencias

Chen, L., Huang, Z., & Zhao, Y. (2020). Alumina coated with TiO₂ and its photocatalytic and antibacterial activity under UV-A illumination. Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

Wang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2019). Rendimiento antibacteriano de cerámica de alúmina porosa funcionalizada con plata. Ciencia e ingeniería de materiales: C, 102, 686-692.

Zhao, J., Zhang, D., & Li, Q. (2021). Atomic layer deposition of ZnO coatings on alumina for antibacterial applications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 109(2), 222-229.