Tomografía óptica 3D para análisis de arquitectura de biopelículas
La bioincrustación marina tiene graves impactos negativos en el medio ambiente, la economía y el sector energético. Las cualidades antiadherentes y antimicrobianas de las nanoestructuras de carbono, como el diamante, los fullerenos, el grafeno y los nanotubos de carbono (CNT), han sido reconocidas por la comunidad científica.
Nanotubos de carbono (CNT)
Los nanotubos de carbono son nanomateriales prometedores para diversas aplicaciones, particularmente en los campos médico, ambiental e industrial. Esto se debe a la estabilidad estructural, la alta conductividad térmica y la excepcional resistencia a la tracción.
Los nanotubos de carbono se han probado previamente dentro de materiales compuestos en contacto con agua salada, creando superficies antiincrustantes para evitar la contaminación biológica, principalmente para proteger los cascos de los barcos. También se ha demostrado que los nanotubos de carbono influyen en la estructura de las biopelículas marinas y en la colonización de macroorganismos.
Nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT)
Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) son dos tipos diferentes de nanotubos de carbono. Estos nanomateriales de carbono tienen una forma cilíndrica concéntrica, con una longitud de varias micras que puede aumentar hasta unos pocos milímetros y un diámetro del orden de un nanómetro que varía con el número de paredes.
contaminación biológica marina
Los principales efectos de la bioincrustación marina resultan de la asociación de macrohierbas, como animales calcáreos de caparazón duro (gusanos tubulares, mejillones, percebes) y especies de incrustaciones blandas (hidroideos, tunicados, anémonas, esponjas y algas no calcáreas).
Además, los bordes finos como las diatomeas, las cianobacterias y las bacterias pueden inhibir la adhesión y la formación de biopelículas, lo que ralentiza la progresión de la bioincrustación a etapas posteriores. Una comprensión completa del comportamiento de las biopelículas y cómo interactúa con el medio ambiente permitirá crear métodos efectivos para prevenir la bioincrustación y reducir sus efectos nocivos.
Tomografía de coherencia óptica (OCT)
Los avances técnicos en la investigación de biopelículas se han visto facilitados por nuevas técnicas de biología molecular, procesos bioquímicos y técnicas de imagen. A diferencia de algunos enfoques destructivos y que requieren mucho tiempo para la investigación de biopelículas, como algunas técnicas microscópicas, la tomografía de coherencia óptica (OCT) es un método interesante.
Además de la preparación de muestras que requiere mucho tiempo, la mayoría de los métodos microscópicos relevantes que se utilizan para la investigación de biopelículas requieren una tinción costosa o el uso de fluorocromos, lo que puede afectar las características locales de la biopelícula.
Además, algunos solo proporcionan imágenes de baja resolución con un campo de visión (FOV) limitado. Debido a su facilidad de uso, bajo costo, falta de preparación de muestras y/o requisitos de tinción, capacidad para obtener imágenes in situ, no invasivas y en tiempo real sin alterar la estructura del biofilm, OCT ofrece muchos beneficios sobre los métodos microscópicos convencionales.
Desarrollo de nuevos parámetros de análisis de imágenes 3D OCT
Este estudio tiene como objetivo establecer nuevos criterios analíticos basados en imágenes OCT 3D para la evaluación de biopelículas. El estudio es especialmente relevante porque la OCT es un método in situ no destructivo que se puede utilizar en diversos campos. Esta es la primera investigación de cómo las superficies modificadas con CNT afectan el comportamiento de las biopelículas azules bacterianas en un entorno de laboratorio que se parece mucho a las condiciones hidrodinámicas que se observan en los hábitats marinos reales.
Se utilizaron tensioactivos de control y CNT para evaluar la eficacia antiincrustante del tensioactivo en la formación de biopelículas azules. Se ha evaluado la humectabilidad de los CNT, las resinas epoxi y las superficies de vidrio midiendo los ángulos de contacto con el agua.
Se utilizaron microscopios de contacto Bruker Catalyst para realizar los experimentos de AFM. La rugosidad de la superficie de dos muestras de cada material se evaluó utilizando un área de muestra aleatoria a temperatura ambiente. SEM se utilizó para evaluar la morfología de la superficie a una resolución de nanoescala.
Evaluación de la composición del biofilm
La formación de biopelículas en placas de microtitulación de 12 pocillos se evaluó en condiciones optimizadas para el crecimiento de biopelículas azules bacterianas para simular las condiciones hidrodinámicas que prevalecen en los hábitats marinos.
Primero, se colocó cinta adhesiva transparente de doble cara en los pozos para asegurar los comprobantes. Después de esterilizar todos los cupones y placas con luz ultravioleta, se fijaron los cupones estériles. Cada siete días, se analizaron dos cupones de cada superficie para detectar la presencia de biopelícula.
Se fotografiaron y examinaron biopelículas de cianobacterias. Cada cupón se sometió a imágenes en 2D (2D) y 3D (3D) con un mínimo de dos campos de visión (FOV) para garantizar la validez y confiabilidad de los resultados obtenidos.
Resultados importantes del estudio
Se ha establecido un conjunto de ensayos estructurales únicos derivados de imágenes de OCT para medir la estructura de las biopelículas marinas a lo largo del tiempo y en tres materiales de superficie distintos, uno de los cuales se sabe que tiene actividad antiincrustante. La etapa de maduración del biochip azul bacteriano se retrasó debido a las superficies tratadas con CNT.
En comparación con las biopelículas cultivadas en resinas epoxi y vidrio, las desarrolladas en el compuesto tenían un biotamaño, grosor y peso húmedo más bajos y eran menos porosas y más suaves.
El análisis de las propiedades únicas derivadas de las imágenes OCT ha hecho posible mejorar el conocimiento del proceso de crecimiento de la biopelícula en muchos entornos, en particular el entorno marino.
referencia
maria c Romeo, Marta Lima, Luciana C. Gómez, ed. De Jong, Joao Moraes, Vitor Vasconcelos, Manuel FR Pereira, Olivia SGB Soares, Gilmer Sciolima and Felipe J. Mergulhau (2022) Uso de tomografía óptica 3D para analizar la estructura de biopelículas azules bacterianas formadas sobre un compuesto de nanotubos de carbono. Polímeros. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/20/4410
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