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Noticias sobre óptica y fotónica: microactuadores activados por luz a base de plata combaten las bacterias

Noticias sobre óptica y fotónica: microactuadores activados por luz a base de plata combaten las bacterias

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Un equipo de investigación en España ha ideado un método químico sencillo para formar microcristales tetraaxiales de fosfato de plata (AgPO).4) que pueden actuar como pequeños motores impulsados ​​por luz que matan las bacterias. (El brazo mide unos 5 micrómetros de largo). [Image: ICIQ]

Investigadores de varias instituciones en España utilizaron química directa de laboratorio para crear pequeños actuadores de luz de cuatro ejes hechos de sales de plata (Adv. Opt. Mater., doi: 10.1002/Edom.202303137). El equipo cree que estos diminutos cristales de tetrápodos podrían eventualmente resultar armas efectivas en la guerra contra los patógenos ambientales transmitidos por los alimentos y el agua.

Cuando se activan con luz ultravioleta o visible, los microtetrápodos desarrollados por el equipo emiten sonido a través de medios acuosos, eliminando iones de plata y especies reactivas de oxígeno que obstruyen las membranas celulares e inactivan o matan las bacterias patógenas. Como beneficio adicional, los micromotores se autodestruyen gradualmente mientras hacen su trabajo sucio, dejando el agua libre de cristales de tetrápodos después del tratamiento. Los investigadores creen que su trabajo con estas diminutas bacterias podría ser importante en “el diseño y desarrollo de la próxima generación de agentes antimicrobianos basados ​​en la luz”.

AG+Asesino de bacterias

De hecho, las sales de plata tienen una larga historia antimicrobiana, que se remonta a la antigua Grecia, donde hace tres mil años se aplicaban a las heridas para prevenir infecciones. La eficacia de las sales se debe a las conocidas propiedades antibacterianas de la plata (Ag+) iones. Estos iones pueden adherirse a las membranas celulares bacterianas, impidiendo la transferencia de materiales hacia y desde el patógeno que sustenta la vida. Además, Ag+ Los iones que penetran en el propio cuerpo celular bacteriano causan estragos en los procesos relacionados con la división celular y la producción de energía.

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En los últimos años, los investigadores han estudiado cómo diferentes tipos de partículas finas que contienen plata pueden abordar problemas ambientales específicos, como la contaminación del agua con contaminantes orgánicos o bacterias que causan enfermedades. Recientemente se ha prestado especial atención a las partículas finas de la sal de plata, el fosfato de plata (AgPO).4), como candidato para micromotores activados por luz que puedan neutralizar la contaminación bacteriana. Investigaciones anteriores han demostrado que la forma de estos pequeños cristales puede tener un impacto significativo tanto en su movimiento inducido por la luz como en su eficacia para matar gérmenes, y los cristales tetrápodos con cuatro ejes se muestran muy prometedores.

Fabricación de micromotores.

El equipo detrás del nuevo trabajo, liderado por científicos del Instituto de Investigación Química de Cataluña y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, y que también incluye investigadores de la Universidad de Zaragoza y la Universidad de Barcelona, ​​buscaba encontrar una mejor manera de construir tales microcristales. Y una mejor comprensión de cómo funciona.

El equipo buscó una mejor manera de construir motores pequeños y ligeros que maten las bacterias y una mejor comprensión de cómo funcionan.

Para lograr el primer objetivo, los investigadores idearon y demostraron un método simple de química húmeda para crear AgPO tetrápodo.4 Cristales con motores diminutos, que el equipo llama TAM. Este enfoque implica mezclar una solución de nitrato de plata y amoníaco y destilar lentamente la mezcla en una segunda solución de fosfato de sodio acuoso. Este enfoque coloca barreras estrictas alrededor de la velocidad de reacción, lo que permite que los pequeños cristales precipiten en residuos, que luego el equipo separa y seca hasta obtener un polvo de color verde claro.

El equipo utilizó difracción de rayos X para caracterizar la estructura cristalina. Demostraron que los tetrápodos, que tienen una longitud promedio de brazo de aproximadamente 5 micrómetros, llevan una carga superficial positiva. Esto probablemente sea importante en sus propiedades de liberación de bacterias, ya que las bacterias generalmente tienen una carga superficial negativa, que por lo tanto tiende a atraer y unir a los tetrápodos asesinos a sus presas.

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Tendencias autodestructivas

Con una pila de TAM en la mano, el equipo experimentó con su movimiento en soluciones de agua y glucosa, así como bajo luz ultravioleta y azul. Dependiendo de la longitud de onda de la luz y del medio, los tetrápodos exhibieron movimientos lineales o rotacionales a diferentes velocidades, lanzándose a velocidades de 8 μm/s en glucosa bajo iluminación UV.

Micrografía electrónica de un motor pequeño.

El equipo cree que el movimiento de los micromotores de tetrápodos impulsados ​​por luz se debe a la fotocatálisis, que libera iones de plata y conduce a la creación de especies reactivas de oxígeno en el fluido circundante. El gradiente de concentración química resultante empuja las partículas finas hacia adelante. [Image: X. Yuan et al., Adv. Opt. Mater., doi: 10.1002/adom.202303137 (2024); CC BY-NC 4.0]

El equipo explica que el movimiento impulsado por la luz es el resultado de la fotocatálisis. Cuando la luz incide en el microcristal, hace que la sal de plata reaccione con el medio circundante, liberando iones de plata y también creando especies reactivas de oxígeno. Las diferentes especies producidas por la fotocatálisis se difunden a través de la solución a diferentes velocidades, y el gradiente de concentración resultante impulsa los micromotores hacia adelante, en un proceso que los autores denominan “electroforesis de autodifusión”. Además, a medida que el fotocatalizador continúa dispersando iones de plata de la sal, el propio cristal del micromotor se autodescompone gradualmente y finalmente desaparece.

99,999% de eficacia antibacteriana

A continuación, el equipo probó la eficacia de los TAM para matar bacterias que causan enfermedades. Para ello, los investigadores colocaron los micromotores de tetrápodos en placas de Petri que contenían colonias de tetrápodos. Escherichia colibacterias Gram negativas y Estafilococo aureus, una variedad grampositiva, e iluminada con luz azul. Al teñir las bacterias con un “contratinte” que emite fluorescencia roja solo en las células muertas y luego estudiar la escena bajo un microscopio de fluorescencia, el equipo pudo demostrar que los micromotores tenían una eficacia antibacteriana de más del 99,999% cuando se iluminaban con luz visible.

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El equipo cita varias razones por las que los TAM tienen una excelente eficacia antibacteriana. La primera son las poderosas y bien establecidas propiedades antimicrobianas básicas de Ag+ Los iones se eliminan mediante el proceso fotocatalítico, además de crear especies reactivas de oxígeno que no son amigables para las bacterias, como iones de oxígeno, hidróxidos y peróxidos. Otra razón es la carga positiva de los tetrápodos, que conduce a su acumulación y a un rápido aumento de la actividad fotocatalítica en el área de las bacterias cargadas negativamente. Los investigadores creen que el movimiento independiente de los TAM, que podría proporcionar “ventajas significativas a la hora de atravesar barreras biológicas”, también puede desempeñar un papel.

Sus hallazgos “proporcionan un nuevo concepto de micromotores autodegradables basados ​​en componentes fotocatalíticos, que tiene un gran potencial para su uso en aplicaciones antimicrobianas”, escribieron los investigadores. En particular, creen que la vulnerabilidad de las bacterias y las biopelículas que flotan libremente a estos micromotores impulsados ​​por luz (combinada con el enfoque químico simple demostrado por el equipo para fabricarlos) convierte a los TAM en una “alternativa prometedora para la remediación ambiental”.

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