Tecidos inteligentes detectam e repelem patógenos para prevenir infecções hospitalares


20 de agosto de 2024

(Nanowerk em destaque) Em ambientes de assistência médica, tecidos como lençóis, uniformes e cortinas podem abrigar patógenos perigosos, facilitando a disseminação de infecções entre pacientes e funcionários. Apesar dos avanços em tecidos antimicrobianos, controlar a transmissão de bactérias, vírus e outros microrganismos por meio de tecidos hospitalares continua sendo um desafio contínuo. Abordagens anteriores se concentraram em repelir patógenos ou matá-los no contato, mas integrar ambas as capacidades junto com um mecanismo de detecção provou ser ilusório.

O campo de têxteis inteligentes tem visto um progresso significativo nos últimos anos, com o desenvolvimento de tecidos que podem detectar condições ambientais, common a temperatura ou até mesmo coletar energia. No entanto, criar tecidos que podem simultaneamente repelir, eliminar e detectar contaminação microbiana continua sendo um empreendimento complexo. Isso se deve em parte à dificuldade de manter a funcionalidade e a durabilidade do tecido ao mesmo tempo em que incorpora vários recursos avançados.

Além disso, o aumento de bactérias resistentes a antibióticos intensificou a necessidade de novas abordagens para o controle de infecções que não dependam somente de agentes antimicrobianos. A Organização Mundial da Saúde projetou que patógenos resistentes a medicamentos podem causar 10 milhões de mortes anualmente até 2050 se medidas preventivas mais eficazes não forem desenvolvidas.

Neste contexto, os investigadores têm explorado formas de conceber superfícies de tecido ao nível micro e nanoescala para prevenir a adesão bacteriana e a formação de biofilme. Avanços em nanotecnologia e a ciência dos materiais abriram novas possibilidades para a criação de estruturas de superfície hierárquicas e a incorporação de funções nanopartículas em têxteis. Esses desenvolvimentos, combinados com o progresso em técnicas de detecção colorimétrica, prepararam o cenário para um potencial avanço em tecidos inteligentes para aplicações em saúde.

Agora, uma equipe de cientistas da Universidade McMaster criou um novo tecido inteligente que integra múltiplas funções para combater a transmissão de patógenos. O materials pode repelir líquidos e micróbios, matar bactérias aderidas e mudar de cor para sinalizar contaminação. Essa abordagem multifuncional representa um avanço significativo sobre os têxteis antimicrobianos existentes.

Os resultados foram publicados em Materiais Funcionais Avançados (“Tecidos inteligentes com detecção integrada de patógenos, repelência e propriedades antimicrobianas para aplicações em saúde”).Tecidos inteligentes detectam e repelem patógenos para prevenir infecções hospitalaresFabricação e caracterização de tecido inteligente. a) Esquema descrevendo o processo de síntese e a função do revestimento SF. b, i–iv) Imagens SEM representando os principais estágios de fabricação das micropartículas, incluindo (i) partícula lisa, (ii) partícula enrugada, (iii) visão detalhada da estrutura enrugada e (iv) revestimento de nanopartículas hierárquicas. (Imagem: Adaptado de DOI:10.1002/adfm.202403157, CC BY)

Os pesquisadores desenvolveram um revestimento de spray contendo vários componentes-chave para atingir essas capacidades. Em seu núcleo estão pequenas partículas enrugadas feitas de polidimetilsiloxano (PDMS), um polímero à base de silicone. Essas micropartículas, variando de 1 a 100 micrômetros de tamanho, têm uma estrutura hierárquica com características de superfície em nanoescala. Essa estrutura cria uma superfície super-hidrofóbica que repele água e outros líquidos.

As partículas de PDMS são então revestidas com nanopartículas de prata que foram modificadas com um polímero ramificado chamado polietilenoimina. Essa modificação aumenta a capacidade das nanopartículas de matar bactérias, aumentando sua afinidade por paredes celulares bacterianas carregadas negativamente. nanopartículas de prata proporcionam um efeito antimicrobiano potente sem depender de antibióticos, o que pode contribuir para a resistência aos medicamentos.

Finalmente, os pesquisadores incorporaram um corante sensível ao pH chamado azul de bromotimol no revestimento. Esse corante muda de cor de azul para amarelo conforme o ambiente ao redor se torna mais ácido – uma ocorrência comum quando bactérias formam biofilmes e produzem metabólitos ácidos. Essa mudança de cor fornece um indicador visible de contaminação microbiana.

A equipe aplicou esse revestimento multifuncional a tecidos de algodão e poliéster usando um método simples de revestimento por pulverização. Eles então conduziram uma série de experimentos para avaliar o desempenho do materials contra vários patógenos, incluindo bactérias, fungos e vírus resistentes a antibióticos.

Em testes simulando transmissão por gotículas e aerossóis, o tecido inteligente demonstrou eficácia notável em repelir patógenos. Comparado a tecidos não revestidos, ele reduziu a adesão bacteriana em 99,90% para Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), 99,96% para Pseudomonas aeruginosa, 99,92% para o fungo Candida albicans e 99,91% para o vírus Phi6 imediatamente após a exposição. Após 4 horas, essas taxas de redução melhoraram ainda mais para 99,97%, 99,98%, 99,99% e 99,99%, respectivamente, demonstrando a eficácia sustentada do revestimento ao longo do tempo.

Os pesquisadores também examinaram o desempenho do tecido quando exposto a fluidos corporais como urina e fezes, que podem abrigar altas concentrações de patógenos em ambientes hospitalares. Nessas condições desafiadoras, o tecido inteligente ainda alcançou reduções significativas na adesão bacteriana. Para amostras de urina contaminadas com Escherichia colio tecido mostrou uma redução de 99,88% na adesão bacteriana em comparação com tecidos não revestidos após 24 horas. Quando testado com matéria fecal de camundongos livres de patógenos específicos, o tecido inteligente demonstrou uma redução de 99,79% na adesão bacteriana após 24 horas, com essa eficácia aumentando para 99,99% após 120 horas.

Além de suas propriedades repelentes, o revestimento demonstrou potente atividade antimicrobiana contra patógenos aderidos. Em ensaios de crescimento conduzidos por mais de 24 horas, o tecido inteligente reduziu as populações de MRSA em 99,90% e as populações de P. aeruginosa em 99,88% em comparação com controles não revestidos. Esse efeito mortal foi atribuído às nanopartículas de prata incorporadas no revestimento.

Talvez o mais notável seja que a capacidade de mudança de cor do tecido permitiu a detecção em tempo actual de contaminação. Conforme as bactérias formavam biofilmes na superfície, o corante azul de bromotimol mudava de azul para amarelo, fornecendo um indicador visible claro do crescimento microbiano. Esse recurso pode permitir que os profissionais de saúde identifiquem rapidamente tecidos contaminados que exigem limpeza ou substituição.

Para aumentar a precisão da detecção de contaminação e eliminar possíveis erros do usuário na interpretação de mudanças de cor, os pesquisadores desenvolveram um algoritmo de aprendizado de máquina para analisar imagens do tecido. Este sistema atingiu 96,67% de precisão para o tecido inteligente e 96,30% de precisão para amostras de controle na distinção entre amostras contaminadas e não contaminadas, demonstrando o potencial para monitoramento automatizado da higiene de superfícies em ambientes de assistência médica.

Os pesquisadores conduziram testes extensivos de durabilidade para avaliar o desempenho do tecido sob várias condições ambientais. Em testes de umidade, o tecido inteligente foi exposto a 90% de umidade relativa a 25 °C por 24 horas. Os testes de exposição UV envolveram a irradiação do tecido com uma lâmpada UV a 340 nm por 3 horas. Os testes de alta temperatura submeteram o tecido a 90 °C por 24 horas. Após cada um desses testes, o tecido manteve suas propriedades repelentes, com ângulos de contato com a água permanecendo acima de 130°.

O tecido inteligente também demonstrou boa durabilidade mecânica. Em testes de resistência à abrasão, o tecido passou por 5 ciclos de desgaste contra um abrasivo de borracha sob uma carga de 250g. Os testes de flexibilidade envolveram dobrar o tecido em um ângulo de 180° por 50 ciclos. Em ambos os casos, o tecido manteve suas propriedades funcionais, incluindo sua repelência à água.

Para avaliar o impacto do revestimento na respirabilidade, os pesquisadores conduziram testes de permeabilidade ao ar. O tecido não revestido mostrou uma permeabilidade ao ar de 346,25 mm-1 s, enquanto o tecido inteligente demonstrou um valor de 274 mm-1 s. Isso representa uma redução de cerca de 21% na permeabilidade ao ar, o que os pesquisadores observaram estar dentro de uma faixa aceitável para tecidos revestidos com base em valores da literatura.

A multifuncionalidade deste tecido inteligente pode reduzir significativamente a incidência de infecções hospitalares (HAIs) por meio de vários mecanismos. Primeiro, sua capacidade de repelir patógenos diminuiria a contaminação inicial de tecidos hospitalares, reduzindo o risco de transferência de patógenos para pacientes e profissionais de saúde. Segundo, as propriedades antimicrobianas ajudariam a eliminar quaisquer micróbios que conseguissem aderir ao tecido, impedindo que eles se proliferassem e formassem biofilmes. Finalmente, o recurso de mudança de cor permitiria a rápida identificação de superfícies contaminadas, possibilitando uma intervenção rápida e potencialmente prevenindo a disseminação de patógenos antes que eles pudessem causar infecções.

Essa abordagem integrada aborda vários pontos na cadeia de transmissão de infecção, potencialmente oferecendo uma solução mais abrangente do que os métodos atuais. Ao reduzir a carga microbiana em tecidos hospitalares e fornecer alerta precoce de contaminação, o tecido inteligente pode ajudar a quebrar o ciclo de transmissão de patógenos que frequentemente leva a HAIs. Isso pode ser particularmente impactante em áreas de alto risco, como unidades de terapia intensiva ou durante surtos de doenças altamente infecciosas.

Esta pesquisa representa um passo significativo no desenvolvimento de materiais avançados para controle de infecções. Ao combinar capacidades repelentes, antimicrobianas e de detecção em um único revestimento de tecido, a tecnologia oferece uma abordagem abrangente para reduzir a transmissão de patógenos por meio de têxteis em ambientes de assistência médica.

As aplicações potenciais vão além de roupas de cama hospitalares para outras superfícies de alto toque em instalações médicas, bem como equipamentos de proteção particular person para profissionais de saúde. O recurso de detecção colorimétrica, em specific, pode fornecer um valioso sistema de alerta precoce para detectar contaminação antes que ela leve à infecção.


Michael Berger
Por

– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-Sociedade: Expandindo os Limites da Tecnologia,
Nanotecnologia: O Futuro é Pequenoe
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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