Propiedades Antimicrobianas

17 parámetros (σ, η, Pv) afectan el umbral de cavitación, consideremos una burbuja aislada de radio R0, en agua a una presión (Ph) hidrostática de 1atm [36].

Una burbuja dentro de un líquido está sujeta a fuerzas de aplastamiento de la presión hidrostática y estas a su vez dependen de los efectos de la tensión superficial (2 ⁄ ). Con el fin de que la burbuja deba permanecer en equilibrio, las fuerzas soportadas debido a la presión del gas (Pg) y de vapor (Pv) en la burbuja deben ser iguales a las fuerzas de aplastamiento [36].

   2 / Ecuación 4

De este modo la presión de vapor se vuelve sumamente importante para lograr la cavitación. Tomando como ejemplo el agua que a 100 °C tiene una presión de vapor de 1atm, y a 25°C su presión de vapor es de sólo 0.023 atm. Esto significa que si la temperatura del medio es de 25°C se requerirá una mayor intensidad de sonido para poder generar un vacío casi cero, y de esta forma generar una burbuja que pueda generar cavitación. De lo anterior se concluye que entre más baja es la temperatura, mayor es la intensidad requerida para causar la cavitación [36].

18 depende de su metabolismo en el microorganismo. Varios microorganismos han desarrollado resistencia a los agentes antimicrobianos a lo largo de generaciones. Hasta la fecha, estos agentes químicos antimicrobianos han sido eficaces para terapia, sin embargo, se ha limitado su uso para dispositivos médicos y en profilaxis antimicrobiana. Los iones y sales de plata se han utilizado por décadas como agentes antimicrobianos en varias áreas, debido a su capacidad de inhibición de crecimiento contra microorganismos. Además, muchos otros investigadores han tratado de medir la actividad de los iones de metal contra los microorganismos. Russel y Hugo [39], han reportado estudios de las propiedades antimicrobianas de la plata y cobre y Marsh de zinc [40]. Sin embargo, los iones de plata o sales de plata tienen una utilidad limitada como agentes antimicrobianos por varias razones, incluyendo efectos de interferencia de las sales y el mecanismo antimicrobiano (la continua liberación de suficiente concentración de iones de plata del metal). Por el contrario, este tipo de limitaciones puede superarse mediante el uso de nanopartículas de plata. Sin embargo, para usar la plata en varias áreas contra los microorganismos es esencial preparar la plata con métodos efectivos en costos y conocer el mecanismo del efecto antimicrobiano. Además, este último punto es importante para mejorar el efecto antimicrobiano.

El mecanismo de inhibición de las nanopartículas de plata en el crecimiento de microorganismos no ha sido bien entendido. Una posibilidad es que la inhibición puede ser debido a la formación de radicales libres en la superficie de la nanopartícula. La generación incontrolable de radicales libres puede atacar a los lípidos de la membrana y generar un debilitamiento en sus funciones [41].

Algunos estudios reportan que la carga positiva de los iones de plata es crucial para la actividad antimicrobiana a través de la atracción electrostática entre la carga negativa de la membrana celular de los microorganismos y la carga positiva de las nanopartículas de plata [42][43][44]. Por otro lado, Sondi y Salopek-Sondi [45] reportaron que la actividad antimicrobiana de las nanopartículas de plata en la bacteria Gram-negativo es dependiente de la concentración de las nanopartículas de plata y está estrechamente relacionado con la formación de “hoyos” en la pared celular de las bacterias. Por tanto, las nanopartículas de plata acumuladas en la membrana celular causan la permeabilidad, ocasionando la muerte de la célula. Amor [46] sugirió que la reducción del metal puede causar la formación de

19 hoyos en la membrana externa y cambiar la permeabilidad de la membrana causada por la liberación progresiva de moléculas de lipopolisacárido y proteínas de membrana. También Sondi y Slopek-Sondi [45] especularon que un mecanismo similar puede causar la degradación de la membrana de E. coli durante el tratamiento con nanopartículas de plata.

Aunque sigue sin estar claro el mecanismo de interacción entre las nanopartículas de plata y los componentes de la membrana externa. Recientemente, Danilczud y colaboradores [47] reportaron la generación de radicales libres de plata por medio del estudio de ESR (resonancia electrónica de spin) de las nanopartículas de plata. Por lo que concluyen que el mecanismo antimicrobiano de las nanopartículas de plata es debida a la formación de radicales libres.

Las bacterias poseen diferentes estructuras en su membrana por lo que es posible clasificarlas en Gram-negativa y Gram-positiva. Las diferencias entre sus estructuras son debidas a la organización de los principales componentes de la membrana, entre ellas el peptidoglicano. La bacteria Gram-negativa exhibe únicamente una capa delgada de peptidoglicano (∼2-3 nm) entre la membrana citoplasmática y la membrana externa [48];

por el contrario, la bacteria Gram-positiva carece de membrana externa pero tiene una capa de peptidoglicano de 30 nm de espesor, aproximadamente [49].

El efecto antimicrobiano de los iones de plata en los microorganismos es bien conocido, sin embargo, el mecanismo antimicrobiano es parcialmente conocido. También se ha propuesto que la plata iónica interactúa con los grupos tiol de las enzimas vitales y las inactiva [50][51]. Evidencia experimental sugiere que el DNA pierde su capacidad de replicación una vez que las bacterias han sido tratadas con iones de plata [52]. Otro estudio muestra un cambio estructural en la pared de la membrana así como la formación de gránulos de poca densidad electrónica formado por la plata y el azufre [52][53]. Los iones de plata han demostrado ser muy útiles y efectivos en aplicaciones antimicrobianas.

La partícula metálica en un rango de tamaño nanométrico, exhibe propiedades físicas diferentes que la de los iones de plata y que un volumen de material. Esta característica le permite exhibir propiedades extraordinarias tales como un incremento en la actividad catalítica debido a su morfología con caras altamente activas [54].

20 Partículas metálicas de tamaño ∼5 nm presentan efectos electrónicos, que se define como un cambio en la estructura electrónica local en la superficie debido al tamaño. Este efecto mejora la reactividad de la superficie de la nanopartícula. Además, la unión de las partículas a la bacteria dependerá del área de superficie de interacción. Con un porcentaje alto de superficie, la bacteria tendrá una interacción directa con partículas pequeñas que con partículas grandes [12].

El mecanismo por el cual las nanopartículas son capaces de penetrar la bacteria, no ha sido completamente comprendido, pero un estudio elaborado por Salopek [45] sugiere que en el caso de E. coli tratada con nanopartícula de plata el cambio generado en la morfología de la membrana puede causar un incremento significativo en su permeabilidad y afectar el adecuado transporte a través de la membrana.

La observación de las nanopartículas de plata atacando la membrana celular y dentro de ella, es fundamental para comprender el mecanismo antrimicrobiano [12].

Es bien conocido que la membrana de la bacteria contiene proteínas que contienen azufre, que pueden ser sitios preferenciales para las nanopartículas de plata. Las nanopartículas que se encuentran dentro de la bacteria tienden a reaccionar con estas proteínas, tales como el DNA [52]. Por tanto, los cambios presentados en la morfología de la membrana de la bacteria, así como la posible muerte causada por las nanopartículas que reaccionan con el DNA, afectan los procesos de la bacteria tales como división celular y la cadena respiratoria causando, finalmente, la muerte de la célula [12].

El efecto de las nanopartículas de plata es diferente del efecto de los iones de plata. Los iones de plata producen la formación de una región de bajo peso molecular en el centro de la bacteria. Esta región de baja densidad es un mecanismo de defensa por el cual la bacteria conglomera su DNA para protegerse de compuestos tóxicos cuando la bacteria siente una perturbación en su membrana [52]. Sin embargo, no existe evidencia de la formación de una región de baja densidad, rica en aglomerados de DNA. Cuando se utiliza nanopartículas de plata, la bacteria presenta un gran número de nanopartículas dentro de ella.

21 El tratamiento con nanopartículas de plata desestabilizan la membrana externa. Esto implica que las nanopartículas de plata interrumpen los componentes de barrera de la membrana externa tales como lipopolisacáridos o porins [55], culminando en la perturbación de la membrana citoplasmática. Aunque falta por determinar el mecanismo por el cual las nanopartículas con un diámetro de hasta 10 nm pueden penetrar y desorganizar la membrana, los resultados de microscopía óptica sugieren que las nanopartículas de plata penetran las membranas internas y externas de la bacteria Gram- negativa, algunas partículas se han encontrado intracelularmente [45].

La acción antimicrobiana de los iones de plata también involucra la desestabilización de la membrana en la bacteria. Estas observaciones son consistentes con estudios anteriores de la vesícula de membrana bacteriana, la cual revela que los iones de plata inducen fugas de protones y colapso del potencial de membrana [56]. La diferencia más significante entre las nanopartículas de plata y los iones de plata es que la concentración de eficacia antimicrobiana se encuentra dentro del rango nanomolar y micromolar, respectivamente.

En general, los iones de plata tienen gran afinidad con los grupos tiol de las proteínas, y esto sugiere que los grupos tiol en las enzimas respiratorias son sitios posibles para la adhesión de Ag⁺ [57]. Alternativamente, la porción fosfolípida de la membrana de la bacteria también puede ser un sitio de acción para las especies de plata [56].

La actividad antimicrobiana de la nanopartícula de plata es dependiente de los cationes de plata (Ag⁺), que se une fuertemente a grupos donadores de electrones en moléculas biológicas que contienen azufre, oxígeno o nitrógeno [58]. Por tanto, los polímeros antimicrobianos con nanopartículas de plata liberan iones de plata a un medio patógeno con el fin de ser efectivos. La oxidación de la plata metálica a especies activas de Ag⁺ es posible a través de una interacción de la plata con moléculas de agua. Una liberación prolongada y constante de la plata biocida en un nivel de concentración de 0.1 ppb es capaz de mostrar eficacia antimicrobiana y es un factor importante para el diseño de materiales antimicrobianos [59].

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