Investigadores de la URV han desarrollado un modelo teórico a escala nanométrica para crear estructuras que maten bacterias utilizando fuerzas elásticas. Los resultados de este estudio abren la puerta a nuevos materiales antibacterianos

La resistencia a los antibióticos se ha convertido en un grave problema de salud pública. Infecciones hospitalarias, prótesis o implantes quirúrgicos que se infectan y no responden a los tratamientos plantean todo un reto a la comunidad investigadora, que desde hace años busca alternativas para eliminar estas bacterias de forma eficaz. En el año 2012 los investigadores del Departamento de Ingeniería Química de la Universitat Rovira i Virgili, Vladimir Baulin y Sergey Pogodin, abrieron una línea de investigación para desarrollar modelos antibacterianos que se inspiraban en las alas de algunos insectos como las libélulas, que están formadas por complejas estructuras con formas geométricas de tamaño nanométrico y que tienen un alto poder bactericida. En el proceso de intentar comprender estas formaciones para reproducirlas en forma de nuevos materiales antibacterianos, un equipo formado por Vladimir Baulin, Marco Werner, del Leibniz-Institut für Polymerforschung (Dresden, Alemania) y Elena Ivanova de la Universidad australiana RMIT, ha descubierto que la elasticidad de los pilares que conforman estas nanoestructuras es un elemento clave, ya que pueden guardar y liberar la energía suficiente para matar las bacterias.

La línea de investigación iniciada años atrás ya descubrió que las alas de estos insectos están formadas por una estructura de pilares de tamaño nanométrico que elimina las bacterias de forma mecánica, rompiéndolas cuando tocan su superficie, que es lo que se conoce como efecto biocida. Estas propiedades mecánico-bactericidas, en donde las bacterias se matan casi al instante por contacto con los pilares sin necesidad de utilizar ninguna sustancia química, plantea muchas incógnitas que los investigadores tratan de desvelar probando con diferentes formas y geometrías que los ayuden a comprender cuál es la más eficiente en su efecto bactericida.

Para demostrarlo, probaron la capacidad bactericida en superficies nanométricas variando la altura de los pilares y manteniendo constante el resto de dimensiones. Los resultados, que se acaban de publicar en la revista PNAS, han puesto de manifiesto que la flexibilidad de estos pilares está estrechamente relacionada con su aspecto. «Incluso los materiales sólidos y muy rígidos se convierten en flexibles si una de las dimensiones es mucho más larga que las otras, como por ejemplo una cuerda de guitarra o un pilar largo», explica Vladimir Baulin. Los investigadores han desarrollado un modelo físico que muestra que al contacto con las bacterias estos pilares pueden acumulan energía elástica incluso a tan pequeña escala. Gracias a este modelo es posible calcular la respuesta elástica de otras estructuras y optimizar sus propiedades antibacterianas.

Las fuerzas de deformación del pilar debido al contacto con las bacterias son tan elevadas que pueden llegar a romper la pared celular de las bacterias, proporcionando así un nuevo mecanismo para matarlas. Estas fuerzas se asocian a las tensiones superficiales impuestas a las células bacterianas. El estiramiento de los pilares por bajo las bacterias que se acercan es más alto en los bordes, mientras que los pilares situados bajo el centro de las bacterias prácticamente no se inclinan. El trabajo demuestra, pues, que la variación gradual de la altura de los pilares de una superficie nanométrica puede ser determinante en su eficacia bactericida.

Este descubrimiento puede conducir a una clase completamente nueva de materiales antibacterianos, que irían desde envoltorios de alimentos hasta filtros o máscaras. «A diferencia de los filtros tradicionales, donde las bacterias quedan pero no se desactivan, los nuevos materiales elásticos a nanoescala pueden matar las bacterias de forma segura en cuestión de minutos, lo que no les permite activar ningún mecanismo de defensa ni presentar resistencias», concluye Baulin.

Referencia bibliográfica: Elena P.Ivanova, Denver P. Linklater, Marco Werner, Vladimir A. Baulin, XiuMeiXu, NandiVrancken, SergeyRubanov, Eric Hanssen, JasonWandiyanto, Vi KhanhTruong, AaronElbourne, ShaneMaclaughlin, SauliusJuodkazis, and Russell J. Crawford. The multi-faceted mechano-bactericidal mechanism of nanostructured surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences May 2020, 201916680; DOI: 10.1073/pnas.1916680117