COMPOSICIÓN DE SILICATOS DE ALUMINIO Y NANOPARTÍCULAS DE
PLATA COMO BACTERICIDAS
La presente invención se refiere a una composición de silicato de aluminio y nanopartículas de plata de tamaño inferior a 50 nm distribuidas sobre su superficie, a su uso como bactericida y a un procedimiento de obtención de dicha composición.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Son bien conocidas las propiedades antibacteríanas de la plata en bajas concentraciones frente a una amplia gama de patógenos, incluidas las cepas de bacterias comunes causantes de las infecciones asociadas a implantes, así como su no toxicidad para células de mamíferos. La mayor parte de los biomateriales que contienen plata como sustancia antimicrobiana consisten en la forma elemental o catiónica del metal soportada tanto por matrices orgánicas como inorgánicas. Está estudiada la actividad antimicrobiana en los casos de polímeros y biovidrios que contienen plata, pero no es así en el caso de materiales compuestos nanoestructurados silicato de aluminio-plata.
Recientemente, se han publicado estudios sobre la obtención de compuestos de caolín con nanopartículas de plata [Patakfalvi, P., Dékány, I. Applied Clay Science, 2004, 25, pp. 149-159; Patakfalvi, P., Dékány, I. Proceeding of SPIE- The international society for opticai engineeríng, 2003, 51 18, pp. 657-667; Patakfalvi, P., Oszkó, A., Dékány, I. Colloids and Suríace A: Physicochemical and Engineeríng Aspects, 2003, 220, pp. 45-54]. En estos trabajos se propone la síntesis de nanopartículas de plata en el espacio interlaminar del caolín, habiendo sido éste previamente disgregado al intercalar dimetil sulfóxido. En ninguno de los casos citados se evaluó la capacidad antimícrobiana de estos materiales, únicamente se presentaron como posibles aplicaciones de los mismos en usos como componentes fotosensibles, catalizadores, en
fotocatálisis, en espectroscopia Raman de superficie mejorada y en análisis químico.
La actividad biocida de las nanopartículas de plata está influenciada por su tamaño: a menor tamaño, mayor actividad antimicrobiana, por lo que la aglomeración de las nanopartículas presenta un problema frente a dicha actividad.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los inventores de la presente solicitud han encontrado una solución para evitar la aglomeración de las nanopartículas de plata mediante el uso de dichas nanopartículas sobre la superficie de distintos sustratos, y en particular sobre silicatos de aluminio, que confieren a dicha composición una característica de nula toxicidad para su utilización en aplicaciones médicas, textiles entre otras. La presente invención proporciona una composición en polvo nanocompuesto o nanoestructurado que comprende un silicato de aluminio y, adherido a su superficie, nanopartículas de plata de tamaños inferiores a 50 nm. También proporciona un procedimiento de obtención de dicha composición así como el uso del mismo como bactericida.
Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a una composición (a partir de ahora composición de la invención) que comprende un silicato de aluminio y nanopartículas de plata de tamaño menor a 50 nm distribuidas sobre su superficie. Preferiblemente el tamaño de las nanopartículas de plata es menor a 20 nm.
En una realización preferida dichas nanopartículas de plata están depositadas sobre la superficie del silicato de aluminio, pudiendo estar dicho silicato de aluminio tanto hidratado como no hidratado.
Preferiblemente el silicato de aluminio se selecciona de entre caolín, metacaolín, montmorillonita, mica o cualquiera de sus combinaciones. Más preferiblemente el silicato de aluminio es caolín.
En una realización preferida el porcentaje en peso de plata es de entre el 0,01 y el 1 5 % con respecto a la composición final. En una realización más preferida el porcentaje en peso de plata es de entre el 0,1 y el 0,8 % en peso.
Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de la composición de la invención (a partir de ahora procedimiento de la invención), que comprende las etapas:
a) suspensión acuosa del silicato de aluminio con un agente surfactante,
b) adición a la suspensión obtenida en (a) de un precursor de plata, y
c) reducción de la plata del producto obtenido en (b).
Por "agente surfactante" en la presente invención se entiende aquella sustancia o producto que posee la capacidad de disminuir la tensión superficial entre dos superficies en contacto. Los agentes surfactantes son moléculas que tienen una parte hidrofílica y otra parte hidrofóbica, conocidas por cualquier experto en la materia.
En una relación preferida el procedimiento de la invención además comprende un ajuste de pH entre 6 y 7, a la suspensión obtenida en la etapa (a).
El procedimiento de la invención en una realización preferida comprende además una etapa (b') de precipitación de iones plata a pH entre 8 y 10 mediante agitación de la suspensión obtenida en la etapa (b). Preferiblemente el procedimiento de la invención comprende además un filtrado, lavado con agua y secado a temperaturas de entre 50 y 100 °C del producto obtenido en la etapa (b').
En otra realización preferida el procedimiento de la invención además comprende un filtrado, lavado con agua y secado a temperaturas de entre 50 y 100 QC del producto obtenido en la etapa (c).
Preferiblemente el precursor de plata es AgN03.
En una realización preferida la reducción se realiza con un agente reductor que se selecciona entre H2 y NaBH4.
La principal ventaja del procedimiento de la invención respecto al estado de la técnica actual lo constituye el hecho de que se evita la aglomeración de las nanopartículas de plata por encontrarse adheridas al sustrato, es decir, al silicato de aluminio.
En una alernativa al procedimiento de la invención, éste se realiza medíante la deposición de nanopartículas de plata en la superficie del silicato de aluminio (hidratado o no hidratado). De esta forma, el procedimiento comprende las etapas:
a) Preparación de una suspensión acuosa de silicato de aluminio a la que se le añade un surfactante preferiblemente de carácter aniónico en baja concentración,
b) ajuste del pH entre 6 y 7 con una disolución acuosa de HNO3 1 M, de modo que se mantiene la buena dispersión del caolín a la vez que las condiciones de pH están lejos de favorecer la precipitación del precursor de plata,
c) adición, en ausencia de luz, de una disolución acuosa de la sal de plata precursora con la concentración necesaria para que el contenido de plata elemental sea de entre el 0,01 y el 8 % peso en el compuesto final, referido al contenido en sólidos de silicato de aluminio, preferentemente al 1 % en peso de plata,
d) agitación fuerte de la suspensión, ajusfando el pH a 9, de modo que se precipitan cationes Ag+ como óxido, Ag2O,
e) filtrado, lavado con agua destilada y secado del polvo resultante, y
f) reducción en atmósfera de H2 en el intervalo de temperaturas comprendido entre 150 y 500 °C, preferentemente 350 °C.
Otra alternativa al procedimiento de la invención se refiere a la deposición de la plata que comprende las etapas:
a) Preparación de una suspensión acuosa con el polvo de silicato de aluminio a la que se le añade un surfactante preferiblemente aniónico en baja concentración,
b) Ajuste del pH de entre 6 y 7 con una disolución acuosa de HNO3 1 M, de modo que se mantiene la buena dispersión del silicato de aluminio a la vez que las condiciones de pH están lejos de favorecer la precipitación del precursor de plata,
c) Adición gota a gota de la cantidad necesaria de la disolución del precursor de plata, preferiblemente AgNO3, para obtener en el producto final una concentración de Ag° es entre el 0,01 y el 8% peso en el compuesto final, manteniendo fuerte agitación durante 10 minutos, preferentemente al 1 % en peso de plata,
d) Reducción química in situ de la plata, utilizando cualquier radiación o agente químico reductor, preferentemente NaBH4, que se adiciona gota a gota a la dispersión manteniendo la agitación fuerte, y e) Filtrado, lavado con agua destilada y secado en estufa a 60°C.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al uso de la composición según se ha descrito anteriormente, como bactericida, de gran eficacia como se muestra en los ejemplos de la invención.
Por "bactericida" en la presente invención se entiende aquellas sustancias empleadas para la destrucción de bacterias.
La composición de la invención se puede aplicar en el sector de los implantes quirúrgicos, instalaciones de uso público (sanitarias, hospitalarias, transporte, etc.), equipos de aire acondicionado, alimentación, dental, pinturas, prendas de vestir, embalajes (alimentos, domésticos, farmacéuticos, dispositivos médicos). Otra ventaja de la composición de la invención como bactericida es la baja toxicidad que presenta, lo que se pone de manifiesto al comprobar que el material se lixivia una cantidad de plata inferior a 3 ppm, y encontrándose estos niveles muy por debajo del nivel tóxico.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Muestra la micrografía obtenida por Microscopía Electrónica de Transmisión en la que se observa la distribución homogénea de nanopartículas de plata menores de 20 nm adheridas a la superficie de caolín de, aproximadamente obtenidas mediante el método 1 .
Figura 2.- Muestra la micrografía obtenida por Microscopía Electrónica de Transmisión en la que se observa un polvo nanocompuesto obtenido por el método 2, donde se observa que las nanopartículas de Ag son menores de 20 nm.
EJEMPLOS
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que ponen de manifiesto la especificidad y efectividad de la composición de silicato de aluminio con nanopartículas de plata como bactericida y su procedimiento de obtención.
Ejemplo 1.- Obtención de los polvos nanocompuesto de la invención. Procedimiento de deposición de plata sobre las nanopartículas de caolín o metacaolín.
Se describe el procedimiento de deposición de nanopartículas de plata en la superficie del silicato de aluminio (hidratado o no hidratado), para la obtención del polvo nanocompuesto de la invención, y que a continuación se detalla.
A partir de este punto, los polvos nanoestructurados de la invención se obtuvieron a través de dos métodos.
Método 1 .
Se produce la deposición de óxido de plata a partir de un precursor (por ejemplo, nitrato de plata) sobre una dispersión acuosa de caolín con la cantidad óptima de surfactante. A continuación, se procede a la reducción del catión Ag+ a Ag° en horno en atmósfera de H2, tal y como se detalla a continuación:
a) Se prepara una suspensión acuosa de caolín o metacaolín. Para conseguir una mejor dispersión de caolín o metacaolín se introduce un surfactante aníónico en baja concentración como dispersante (1 % en peso respecto a la concentración en sólidos de caolín o metacaolín); b) Se ajusta el pH a 6,5 con una disolución acuosa de HNO3 1 M, de modo que se mantiene la buena dispersión del caolín o del metacaolín a la vez que las condiciones de pH están lejos de favorecer la precipitación del precursor de plata;
c) Se añade, protegiendo de la luz, una disolución acuosa de la sal de plata precursora con la concentración necesaria para que el contenido de plata elemental esté comprendida entre el 0,01 y el 15 % peso en el compuesto final caolín o metacaolín-Ag (referido al contenido en sólidos de caolín o metacaolín);
d) Mientras se agita fuertemente la suspensión, se ajusta el pH a 9, de modo que se precipitan cationes Ag+ como óxido, Ag20, y
e) Tras filtrado y lavado, se seca y reduce en atmósfera de H2 en el intervalo de temperaturas comprendido entre 50 y 500°C.
De la misma forma se realizó el procedimiento con metacaolín.
Se obtuvo así un polvo nanocompuesto con nanopartículas de plata menores de 20 nm adheridas a la superficie de una nanopartícula de caolín o metacaolín, aproximadamente, con una distribución homogénea. Como se observa en la figura 1 .
Método 2. Se produce la deposición de nanopartículas de plata, Ag°, sobre caolín o a partir de un precursor de plata dispersado en agua en condiciones de pH y dispersante óptimas. La reducción se realiza in situ con radiación o con un agente reductor a temperatura ambiente, tal y como se detalla a continuación: a) Se prepara una suspensión acuosa con el polvo de caolín o metacaolín.
Para conseguir una mejor dispersión del caolín o del metacaolín se introduce un surfactante aniónico en baja concentración como dispersante {Dolapix);
b) se ajusta el pH a 6,5 con una disolución acuosa de HNO3 1 M para conseguir un buena dispersión de las partículas de caolín y evitar, al mismo tiempo, la precipitación de los iones Ag+ como Ag20;
c) para obtener en el producto final una concentración de Ag° comprendida entre el 0,01 y el 15% peso en el compuesto final caolín o metacaolín-
Ag, se añade la cantidad necesaria de precursor, AgNÜ3. Una vez añadido gota a gota sobre la dispersión de caolín o metacaolín, se deja agitando fuertemente 10 min antes de iniciar el siguiente paso. Este proceso es necesario hacerlo protegiendo de la luz la disolución con el precursor y la dispersión una vez añadido el precursor;
d) la reducción de la plata se realiza químicamente in situ, usando como agente reductor, por ejemplo, NaBH4, que reacciona con la plata en la relación molar 1 :8 (NaBH4:Ag+), según las reacciones:
8(Ag+ + 1 e <± Ag°)
BH -4+ 3H20→ B(OH)3+ 7H++ 8e"
8Ag++ BH4 '+ 3H20→ Ag° + B(OH)3 + 7H+ e) se procede a la deposición gota a gota de la disolución de NaBH4 sobre la dispersión; y
f) se agita fuertemente, se procede a su filtrado, lavado con agua destilada y, por último, secado en estufa a 60°C.
De la misma forma se realizó el procedimiento con metacaolín. Se obtuvo así un polvo nanocompuesto de la invención, donde se observa que las nanopartículas de Ag son menores de 20 nm. Como se observa en la figura 2.
Ejemplo 2.- Ensayos de actividad biocida y lixiviado de los polvos nanocompuestos de la invención
Se realizaron tests bactericidas para investigar el efecto de las muestras que contenían plata sobre diferentes organismos: Escherichia coli JM 1 10 (Gram- negative bacteria), Micrococcus luteus (Gram-positive bacteria). Los microorganismos se sembraron en medio sólido, placas Petri, de Luria Bertani (LB) (conteniendo: triptona 1 %, extracto de levadura 0,5 %, CINa 1 %, agar
1 ,5 %). Las placas se incubaron 24 horas a 37°C. A continuación, colonias aisladas de las placas anteriores de cada microorganismo se inocularon en 1 mi de LB y se cultivaron a 37°C durante 5 horas para obtener los pre-cultivos. Paralelamente se prepararon suspensiones de 300 mg/ml (peso/peso) en agua de las preparaciones según el método 2, conteniendo 1 % de plata. Finalmente 10 μΙ de cada uno de los precultivos de los microorganismos se inocularon a 1 mi de LB. A los cultivos se añadieron 150 μΙ de las muestras de caolín-nAg resultando en una concentración final de 0,036 % en peso de Ag. Asimismo, se prepararon como control muestras sin plata, consistentes en una mezcla de agua más el nutriente. Los cultivos se incubaron a 37°C en agitación y se tomaron alícuotas de los distintos cultivos para el contaje de viables tras diluciones seriadas de los distintos cultivos.
2.1. - Test biocida realizado con Micrococcus íuteus
Se preparó una suspensión acuosa (9 % peso de sólidos) con el polvo de caolín obtenido por el método 2 (se utilizó como precursor de plata AgN03, siendo el contenido en plata en el compuesto final del 1 % peso (referido al contenido en sólidos de caolín). El test realizado con Micrococcus Iuteus muestra un título a las 24 horas <1 ,0x104, mientras que el control es 1 ,0x1012. Al cabo de 72 horas, la concentración de plata lixiviada en el medio de cultivo fue <3 ppm.
2.2. - Test bíocída realizado con Escherichia coli
Se preparó una suspensión acuosa (9 % peso de sólidos) con el polvo de caolín obtenido por el método 2 (se utilizó como precursor de plata AgN03, siendo el contenido en plata en el compuesto final del 1 % peso (referido al contenido en sólidos de caolín). El test realizado con Escherichia coli JM 1 10 muestra un título a las 24 horas <1 ,0x104, mientras que el control es 2,93x1012. Al cabo de 72 horas, la concentración de plata lixiviada en el medio de cultivo fue <3 ppm.