Studio delle proprietà antibatteriche di sistemi fotoattivi Ag-TiO2

The overuse of antibiotics or biocides in different systems has led to the increase of the global problem of the development of multidrug-resistant organisms, and the rising of resistant and more virulent bacterial strains requires alternative antibiotic techniques. In this context, nanoparticles (NPs) are an effective alternative to antibiotics due to their biocidal and immuno-potentiating properties. Moreover, due to their high specific surface area, they show peculiar physical, chemical, and biological properties and they can be used alone or in synergy with antibiotics, paving the way for future therapies in nanomedicine. In this context, titanium dioxide (TiO2) is one of the most commercially used nanomaterials due to its versality, distinctive physical, chemical and biological characteristics. TiO2 is a photocatalyst and after the absorption of ultraviolet light it can generate charge carriers, that can interact with water and oxygen in the atmosphere. These processes can generate Reactive Oxygen Species (ROS), which degrade the molecules adsorbed on its surface. Thus, the ability to generate ROS can be exploited as an antibacterial technique, since oxygen radicals have the potential to destroy the membrane and cell wall of microorganisms, damaging the DNA and RNA, finally causing their death. In addition, the photoactivity of photocatalytic materials can be enhanced by functionalization with noble metals such as silver. The latter can also contribute to the effectiveness of antibacterial activity through the release of Ag+ ions. Since NPs have problems with stability in suspension, immobilization greatly enhances their bactericidal effects, as it prevents their aggregation and maximizes their contact with bacteria. Therefore, in this work, after the synthesis of pure and Ag-decorated TiO2 nanoparticles, photoactive films were developed by the doctor blade method. Next, the antibacterial activity of the photoactive films, on the Gram ₋ E. Coli, was evaluated in the dark and under UV radiation, following the guidelines of the international standard work protocol ISO 27447, which is specific for evaluating the antibacterial activity of photoactive ceramic materials. Finally, the impact of Ag functionalization on photoactivity was evaluated by photodegradation tests of rhodamine B, an organic molecule rich in aromatic rings, which may represent a simplified approximation of bacterial cell structures.

L'uso eccessivo di antibiotici o di biocidi nei diversi sistemi ha portato all'aumento del problema globale dello sviluppo degli organismi multi-resistenti ai farmaci e l’emergere di ceppi batterici resistenti e più virulenti richiede tecniche antibiotiche alternative. In questo contesto, le nanoparticelle (NPs) sono una valida soluzione agli antibiotici, grazie alle loro proprietà biocide e immuno-potenzianti. Inoltre, grazie all’elevata area superficiale specifica, presentano migliori proprietà fisiche, chimiche e biologiche e possono essere usate da sole o in sinergia con gli antibiotici, aprendo la strada a future terapie nella nanomedicina. In questo contesto, il biossido di titanio (TiO2) è uno dei nanomateriali più usati in commercio, grazie alla versalità, inerzia chimica, abbondanza e basso costo che presenta. Il TiO2 è un fotocatalizzatore e grazie alla sua capacità di assorbire la luce ultravioletta può generare portatori di carica libera, i quali interagendo con l’acqua e l’ossigeno presenti nell’atmosfera possono generare le Specie Reattive dell’Ossigeno (ROS) e degradare le molecole presenti sulla sua superficie. Quindi, la capacità di generare i ROS può essere sfruttata come tecnica antibatterica, siccome i radicali dell’ossigeno hanno la potenzialità di distruggere la membrana e parete cellulare dei microorganismi, danneggiando il DNA e l’RNA, causandone la morte. Inoltre, la fotoattività dei materiali fotocatalitici può essere migliorata con la funzionalizzazione con metalli nobili, come l’argento. Quest’ultimo, inoltre, può contribuire nell’efficacia dell’attività antibatterica grazie al rilascio degli ioni Ag+. Siccome le NPs presentano problemi di stabilità in sospensione, l'immobilizzazione migliora notevolmente gli effetti battericidi, poiché ne impedisce l’aggregazione e ne massimizza il contatto con i batteri; per questo motivo, in questo lavoro, dopo la sintesi delle nanoparticelle di TiO2 puro e decorate sulla superficie con nanoparticelle di Ag (Ag-TiO2), si è proceduto con lo sviluppo di film fotoattivi tramite il metodo doctor blade. In seguito, l’attività antibatterica dei film fotoattivi, sul batterio Gram ₋ E. Coli, è stata valutata, sia in condizioni di buio che di luce (sotto irraggiamento UV), seguendo le linee guida del protocollo di lavoro standard internazionale ISO 27447, specifico per valutare l’attività antibatterica di materiali ceramici fotocatalitici semiconduttivi. Infine, l’impatto della funzionalizzazione con l’Ag sulla fotoattività è stato valutato tramite test di fotodegradazione della rodamina B, molecola organica ricca di anelli aromatici, che può rappresentare un’approssimazione semplificata delle strutture cellulari batteriche.