Etapa 1: 27.06-31.12.2022

Sinteza și caracterizarea a diferite clase de nanoparticule de oxizi metalici

Scopul proiectului NanoClean este de a sintetiza și evalua activitatea dezinfectantă a nanoparticulelor de oxizi de metalici la nivelul duodenoscopului, în încercarea de a îmbunătăți calitatea îngrijirilor medicale în acest sector.

Act 1.1 - Sinteza și caracterizarea de nanoparticule de oxizi metalici: Fe₃O₄, CeO₂, TiO₂, ZnO₂, Ga₂O₃, MgO and Ag₂O (M1-M6)

Ȋn cadrul activitӑţii A1.1 au fost sintetizaţi oxizii metalici simpli propuși în acest proiect, și anume: Fe₂O₃, CeO₂, TiO₂, ZnO₂, Ga₂O₃, MgO și Ag₂O, prin procedee raportate anterior, cu unele modificări. Datoritӑ instabilitӑţii coloidale a unora dintre nanoparticulele sintetizate, s-a impus stabilizarea acestora prin acoperire cu polimeri. Astfel, nanoparticulele Fe₃O₄, care prezintӑ o tendinţă accentuată de aglomerare datorită proprietăţilor magnetice, au fost acoperite cu polietilenimină (PEI) rezultând nanoparticule cu stabilitate coloidală. Şi în cazul nanoparticulelor CeO₂, datorită instabilităţii coloidale, s-a decis acoperirea acestora cu PEI. Ȋnsӑ, în acest caz, pentru a obţine o stabilitate coloidalӑ bunӑ, a fost necesarӑ reticularea învelişului de PEI al nanoparticulelor CeO₂ cu glutaraldehidă (GA) urmatӑ de inactivarea grupelor aldehidice ale GA nereacţionate, obţinându-se astfel nanoparticule stabile de dimensiuni mici. De asemenea, nanoparticulele de peroxid de zinc (ZnO₂) şi oxid de argint (Ag₂O) au fost acoperite cu acid alginic (Alg) şi citrat de sodiu (Cit) datorită instabilităţii specifice a acestor tipuri de oxizi. Nanoparticulele oxizilor de titan (TiO₂), galiu (Ga₂O₃) şi magneziu (MgO) nu au fost stabilizate prin acoperire cu polimeri. 

Pentru toate tipurile de oxizi metalici sintetizaţi, structurile acestora au fost confirmate cu ajutorul a diferite tehnici de caracterizare structuralӑ, precum FTIR, DRX, XPS sau Raman, în funcţie de necesitӑţile și particularitӑţile fiecӑrui tip de oxid metalic. De asemenea, nanoparticulele au fost caracterizate din punct de vedere morfologic, dimensional și al stabilitӑţii acestora, utilizând tehnicile TEM și DLS. Din aceste studii s-a observat faptul cӑ toate nanoparticulele sintetizate prezintӑ o tendinţӑ de aglomerare în mediu apos, tendinţӑ remarcatӑ prin valorile mari ale diametrelor obţinute prin DLS. Aceastӑ tendinţӑ de agregare a fost redusӑ prin acoperirea nanoparticulelor cu un înveliș polimeric, obţinându-se astfel nanoparticule cu dimensiuni mai mici și cu o stabilitate coloidalӑ bunӑ.

Act 1.2 - Sinteza si caracterizarea de nanoparticule de oxizi metalici mixte Fe₃O₄ - CeO₂, TiO₂ – CeO₂, CeO₂ – ZnO₂ (M4-M6)

Ȋn cadrul activitӑţii A1.2 au fost preparate nanoparticule hibride de oxizi metalici Fe₃O₄ - CeO₂, utilizând precursorii sintetizaţi anterior în activitatea A1.1 și anume Fe₃O₄-PEI și CeO₂-PEI-GA-PEI. Pentru confirmarea structurii nanoparticulelor hibride Fe₃O₄-CeO2-PEI s-au utilizat tehnici de caracterizare precum FTIR, Raman și EDX, observându-se că spectrul nanoparticulelor hibride prezintă simultan toate semnalele caracteristice ambilor precursori, confirmând astfel formarea nanoparticulelor de oxizi metalici mixte. Şi în acest caz a fost efectuatӑ o caracterizare morfologicӑ și dimensionalӑ. Din analizele TEM și DLS efectuate se observӑ faptul cӑ oxizii metalici simpli au fost conjugaţi în matrici sferice prin intermediul învelişului polimeric de PEI reticulat cu GA. 

Act 1.3 - Evaluarea in vitro a activității antimicrobiene și a citotoxicității nanoparticulelor de oxizi metalici simpli și micști (M2-M6)

În cadrul activității A1.3. a fost evaluată activitatea antimicrobiană și biocompatibilitatea nanoparticulelor de oxizi metalici sintetizați prin metode dedicate. S-a constatat că cea mai bună activitate antibacteriană o au nanoparticulele de Ag₂O și ZnO₂, care distrug în 40 de minute toate celulele de K. pneumoniae, S. typhimurium și E. faecalis, tulpini bacteriene cu incidență mare în infecțiile nosocomiale produse de utilizarea duodenoscoapelor la nivel global. În același timp, aceste nanoparticule au dovedind faptul cӑ eventualele urme de compus rӑmase pe duodenoscop în urma dezinfecției de grad înalt nu ar cauza mortalitatea fibroblastelor gingivale normale și a fibroblastelor dermice normale umane cu care ar veni în contact, fiind biocompatibile.

Etapa 2: 01.01.-31.12.2023 

Evaluarea in vitro a activității dezinfectante a nanoparticulelor de oxizi metalici

Act 2.1 - Sinteza și caracterizarea de nanoparticule mixte de oxizi metalici (M7–M9)

Activitatea A2.1 a cuprins continuarea sintezelor și caracterizării unor oxizi metalici micști, precum oxidul de fier dopat cu cobalt și oxidul de fier acoperit cu peroxid de calciu. Motivația alegerii acestor sisteme a fost de a sintetiza nanoparticule magnetice care pot să fie recuperate în urma dezinfectării și care să aibă proprietăți antimicrobiene asociate oxidului de cobalt și peroxidului de calciu. Nanoparticulele de oxidul mixt de fier și cobalt au fost sintetizate fără să fie acoperite cu polimeri pentru a maximiza efectul antimicrobian caracteristic suprafeței oxidice. Pe de altă parte, nanoparticulele de oxid de fier acoperite cu peroxid de calciu au impus acoperirea nanoparticulelor de oxid de fier cu alginat de sodiu, care a constituit agentul de complexare și concentrare a ionilor de calciu pe suprafața nanoparticulelor, stabilizând chimic în același timp peroxidul depus.

Act 2.2 - Sinteza și caracterizarea de nanoparticule de oxizi metalici încărcate cu principii active  (M7–M12)

În cadrul activității A2.2. au fost sintetizate nanoparticule magnetice încărcate cu principii active, care au constat în amestecuri de antioxidant (acid protocatechuic) și antibiotice (ceftazidimă sau levofloxacin), precum și nanoparticule de oxid de zinc înglobate în chitosan reticulat cu acizi boronici organici cu proprietăți antimicrobiene. Pentru toate tipurile de oxizi metalici sintetizaţi, structurile acestora au fost confirmate cu ajutorul a diferite tehnici de caracterizare structuralӑ, precum FTIR, EDAX sau DRX, în funcţie de necesitӑţile și particularitӑţile fiecӑrui eșantion analizat. De asemenea, nanoparticulele au fost caracterizate din punct de vedere morfologic și dimensional, utilizând tehnicile SEM, TEM și DLS, după caz. Activitatea oxidantă a produșilor pe bază de peroxid de calciu și a produșilor pe bază de acid protocatehuic a fost studiată cu ajutorul tehnicilor spectrofotometrice UV-Vis și a spectroscopiei RES.

Act 2.3 - Evaluarea in vitro a activității antimicrobiene și a citotoxicității nanoparticulelor de oxizi metalici simpli și micști (M7–M12)

Pentru activitatea A2.3. s-au evaluat in vitro activitatea antimicrobiană și citotoxicitatea nanoparticulelor sintetizate anterior, dovedind faptul că nanoparticulele de oxid de fier acoperite cu dextran și încărcate cu acid protocatehuic și antibiotice: ceftazidimă sau levofloxacin prezintă o bună compatibilitate cu fibroblastele dermice normale umane și o activitate antibacteriană ridicată împotriva speciilor de S. aureus și E. coli. De asemenea compușii pe bază de oxid de zinc înglobate în chitosan reticulat cu acizi boronici organici au dovedit activitate antimicrobiană remarcabilă împotriva speciilor de E. faecalis, K. pneumoniae și C. albicans.

Act 2.4 - Evaluarea proprietăților dezinfectante ale nanoparticulelor de oxizi metalici în condiții biomimetice (M13–M18)

În cadrul activității A2.4. s-au evaluat proprietățile dezinfectante ale nanoparticulelor de oxizi metalici acoperite cu dextran și încărcate cu acid protocatehuic levofloxacin în condiții biomimetice pe un duodenoscop de referință care provine dintr-un centru gastroenterologic și care a fost utilizat pentru aproximativ 500 de colangiopancreatografii retrograde endoscopice. Prin utilizarea acestor nanoparticule s-a obținut o dezinfecție de grad înalt după o perioadă de 30 de minute de contact, eradicându-se speciile bacteriene care produc infecții nosocomiale și biofilme rezistente. 

Act 2.5 - Evaluarea compatibilității nanoparticulelor de oxizi metalici cu învelișul polimeric al duodenoscopului (M13-M18)

Pentru testarea compatibilității, probele de duodenoscop au fost imersate într-o suspensie de nanoparticule de oxid de metal încărcate cu acid protocatecuic și levofloxacin timp de 30 de minute pe zi, timp de 45 de zile consecutive. AFM și SEM au fost folosite pentru a demonstra că tratamentul repetat al duodenoscopului cu aceste nanoparticule nu a condus la evidențierea unor diferențe semnificative a suprafețelor probelor tratate și netratate.

Act 2.6 - Evaluarea aderenței microbiene pe suprafața duodenoscopului în urma contactului prelungit cu nanoparticulele de oxizi metalici (M13-M18)

Proprietățile de antiaderență microbiană ale probelor duodenoscopului au fost investigate după decontaminarea cu nanoparticulele de oxizi de metalici încărcate cu acid protocatecuic și levofloxacin, dovedind că nanoparticulele nu modifică proprietățile antimicrobiene ale învelișurilor duodenoscopului, nepermițând aderența și creșterea bacteriană și formarea biofilmului.

Etapa 3: 01.01.-26.06.2024

Evaluarea compatibilității nanoparticulelor de oxid metalici cu suprafețele duodenoscopului

Act 3.1. Evaluarea proprietăților dezinfectante ale nanoparticulelor de oxizi metalici în condiții biomimetice (M19-M22)

Au fost evaluate proprietățile dezinfectante ale nanoparticulelor de CaO₂-Alg în condiții biomimetice pe un duodenoscop de referință, acestea realizând o dezinfecție la nivel înalt prin eradicarea speciilor bacteriene care provoacă infecții nosocomiale și biofilme rezistente, după doar 20 de minute de contact.

Act 3.2. Evaluarea compatibilității nanoparticulelor de oxizi metalici cu învelișul polimeric al duodenoscopului (M19-M23)

A fost evaluat impactul expunerii repetate la nanoparticulele de CaO₂-Alg asupra eșantioanelor polimerice ale duodenoscopului, prin expunere repetată timp de 45 de zile, dovedindu-se prin tehnici precum AFM, SEM, FTIR and DSC că acești compuși nu aduc daune suplimentare învelișului polimeric extern al duodenoscopului.

Act 3.3. Evaluarea aderenței microbiene pe suprafața duodenoscopului în urma contactului prelungit cu nanoparticulele de oxizi metalici (M19-M23)

Au fost investigate proprietățile antiaderente ale duodenoscopului în urma decontaminării cu nanoparticulele de CaO₂-Alg, dovedindu-se faptul că acestea împiedică formarea biofilmului pe suprafața dispozitivului medical.