PROYECTO DIUBB TITULO:

PROYECTO DIUBB 086022 3/R
TITULO:
MEDICIÓN DIRECTA DE FUERZAS DE SUPERFICIE Y ADHESIÓN ENTRE UNA SUPERFICIE
FUNCIONALIZADA CON OXIDO DE POLIETILENO (PEO) Y UNA SUPERFICIE RECUBIERTA CON
PROTEÍNA MEDIANTE MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)..
Investigador Principal
Facultad
Departamento
E-Mail
Coinvestigadores
Sergio Acuña Nelson
Ciencias de la Salud y de los Alimentos
Ingeniería en Alimentos
[email protected]
Pedro Toledo Ramírez - Luis Segura Ponce
OBJETIVOS:
Medir directamente fuerzas de interacción molecular y adhesión entre una superficie recubierta
con óxido de polietileno (PEO) y una microesfera recubierta con una proteína, mediante microscopía de
fuerza atómica (AFM) en ambiente fluido controlado (pH, concentración de electrolitos, temperatura) e
interpretar los resultados a la luz de (1) teoría continua DLVO que incluye efectos atractivos, fuerzas de van
der Waals, y repulsivos, fuerzas electrostáticas según modelo continuo de Poisson-Boltzmann, (2) teoría
semicontinua que a DLVO agrega un modelo discreto de regulación de carga eléctrica para la interacción
electrostática.
Objetivos Específicos:
- Preparar y calibrar cantilevers modificados
- Preparar substratos modificados
- Caracterizar topográficamente microesferas y substratos
- Determinar la energía superficial de los substratos
- Preparar soluciones acuosas de distintos electrolitos
- Medir directamente fuerzas de superficie y adhesión
- Comparar fuerzas AFM vs. teoría continua clásica
- Comparar fuerzas AFM vs. teoría semicontinua
- Determinar origen de fuerzas existentes entre PEO y proteína
- Proveer respuestas/explicaciones a problemas prácticos de las áreas de la salud y los alimentos
RESUMEN
Las fuerzas moleculares de superficie o “contacto” que actúan entre partículas en una dispersión coloidal son
de gran interés en ciencia y tecnología. En ciencia porque la identidad y origen de las fuerzas no ha sido
dilucidado completamente, y en tecnología por la relevancia en aplicaciones tan variadas como diseño de
espumas y pinturas, flotación de minerales, tratamiento de aguas y riles, preparación y conservación de
alimentos, recuperación de petróleo, y fabricación de celulosa y papel, entre otras. Las fuerzas se denominan
de “contacto” porque incluyen la fuerza adhesiva entre partículas pero también incluyen las fuerzas “a
distancia” entre partículas separadas por una película delgada de fluido. Lo importante acerca de una
dispersión coloidal es su estabilidad, es decir, si permanece dispersa o las partículas coalescen separándose
en la forma de un precipitado que se deposita o de una espuma que flota. Lo que ocurra a la dispersión
coloidal desde el punto de vista de su estabilidad y lo que suceda con las superficies sólidas desde el punto
de vista de la calidad y durabilidad del recubrimiento y de sus propiedades superficiales depende críticamente
de las fuerzas de superficie. Entonces, entender el origen y la naturaleza de las interacciones superficiales es
el primer paso para un control óptimo de procesos tan variados como remediación de suelo y subsuelo,
metalurgia de metales y polvos, recuperación de gas y petróleo, flotabilidad de minerales, lixiviación y
biolixiviación de minerales, diseño de catalizadores, fabricación y tratamiento superficial de papel, fabricación
de celulosa, desarrollo de composites reforzados con fibras sintéticas y naturales, tecnología de alimentos y
envases, desarrollo de productos farmacéuticos, fabricación de textiles, diseño de membranas y filtros, diseño
de sensores, detectores y componentes electrónicos, diseño de nuevos materiales (composites, aleaciones,
cerámicos, vidrios, implantes artificiales) y limpieza y reducción de contaminación microbiana y formación de
biopelículas. Los microorganismos se encuentran en ambientes naturales e industriales, por lo tanto, las
superficies están siempre expuestas a estar en contacto con ellos, con el consiguiente riesgo de formación de
biopelículas sobre ellas. La formación y crecimiento de biopelículas puede ser motivo de problemas en
diversas áreas. En la industria de alimentos y en procesos de bioingeniería, por ejemplo, la adhesión de
bacterias en las superficies de contenedores o reactores, cañerías, intercambiadores de calor e
intercambiadores iónicos pueden producir serias dificultades, incluyendo pérdida de eficiencia de procesos,
esterilidad y calidad de productos finales. En medicina, infecciones relacionadas con biopelículas indeseadas
sobre, por ejemplo, implantes artificiales, catéteres o lentes de contacto, pueden limitar significativamente la
vida útil de éstos e incluso resultar en la muerte de los pacientes. En el área dental, la adhesión de bacterias a
la superficie de los dientes ha sido, motivo de una gran cantidad de estudios, los cuales han estado enfocados
principalmente, a reducir la colonización de los dientes por parte de bacterias, una de las principales causas
de pérdida de piezas dentales. En este proyecto, como se detalla más adelante, se propone medir la
interacción entre un substrato plano cubierto con óxido de polietileno (PEO) y una microesfera de superficie
funcionalizada con una proteína, emulando lo que sucede previo a la formación de biopelículas sobre
superficies, en ambiente fluido líquido controlado usando microscopia de, fuerza atómica. La formación de las
biopelículas comienza con la adsorción de proteínas en la superficie, seguido del depósito de células
biológicas, bacterias u otros microorganismos. Durante los últimos años, atención ha sido puesta sobre el
óxido de polietileno (PEO) por poseer variadas propiedades antiadherentes. PEO es un polímero neutro,
soluble en agua, flexible, que tiene un gran volumen excluido cuando se encuentra en agua. Estudios han
demostrado que cubriendo una superficie (necesariamente hidrófoba) con PEO es posible prevenir o retardar
la adsorción de proteínas en la superficie y suprimir el depósito de células o bacterias. Estudios en los que se
ha medido directamente la interacción entre PEO y una proteína son muy escasos y contradictorios. Algunos
plantean que la interacción entre PEO y proteínas es repulsiva, mientras que otros proponen que es atractiva.
En este estudio se pretende medir directamente la interacción entre una superficie de vidrio hidrofobizada con
poliestireno cubierta con una película delgada de PEO usando una balanza Langmuir-Blodgett (LB) y una
microesfera de vidrio cubierta con una proteína en ,un medio fluido líquido, mediante microscopía de fuerza
atómica (AFM). Mediante AFM se medirán las fuerzas de interacción que experimentan los cuerpos al
acercarse y separarse distancias en el ámbito molecular, esto es, distancias entre 0 y 500 Å. La fuerza que
experimentan los cuerpos cuando se acercan/alejan distancias moleculares es resultado de una combinación
de fuerzas atractivas (van der Waals, de largo rango) y repulsivas (electrostáticas y ,estéricas de corto rango)
que puede ser interpretada a la luz de la teoría clásica DLVO de equilibrio y estabilidad coloidal. La fuerza que
experimentan los cuerpos al separarse, después de entrar en contacto íntimo molecular, es la fuerza de
adhesión. Así, el objetivo de este estudio es medir las fuerzas de interacción y adhesión entre un substrato
plano cubierto con PEO y una microesfera recubierta con proteína, mediante microscopia de fuerza atómica
(AFM), en ambiente fluido controlado (electrolito, concentración, pH y temperatura), e interpretar los
resultados usando (1) teoría continua DLVO que incluye efectos atractivos, fuerzas de van der Waals, y
repulsivos, fuerzas electrostáticas según modelo continuo de Poisson-Boltzmann, (2) teoría semicontinua que
a DLVO agrega un modelo discreto de regulación de carga eléctrica para la interacción electrostática. Se
espera que los resultados obtenidos ayuden a comprender de mejor forma el mecanismo mediante el cual el
PEO realiza su función antiadherente entregando respuesta a diversas áreas de la salud y los alimentos. Por
otro lado, la utilización de PEO no sólo está restringida a estas dos importantes áreas, sino que también es
usado ampliamente en la industria papelera, en donde es utilizado como agente de retención. Al ser un
polímero no iónico, es menos sensible a cargas negativas, manteniendo su alto grado de retención aún en
presencia de elevados niveles de sustancias aniónicas. De este modo, los resultados que se obtengan de
este estudio también permitirán entender los mecanismos bajo los cuales el PEO realiza su función de
retención, es decir, si las fuerzas que interactúan en el proceso de retención son del tipo van der Waals,
electrostáticas, hidrófobas o combinaciones de ellas.