Nanostructured silver-based bacteriophobic surfaces against catheter-associated urinary tract infections

Abstract

En aquesta tesi s’ha desenvolupat un catèter urinari tipus Foley bacteriofòbic. L’efecte bacteriofòbic es basa en un recobriment superhidrofòbic micro- i nanostructurat amb una topografia específica, recobert per una pel·lícula de plata metàl·lica homogènia, que crea un ambient incòmode per a les bactèries, evitant l’adhesió bacteriana a la superfície, però sense provocar cap efecte sobre el creixement bacterià. Per aconseguir-ho, s’ha generat un conjunt de recobriments nanoestructurats superhidrofòbics basats en diferents polímers. S'han utilitzat com a polímers base el metacrilat de pentafluorofenil polimeritzat per plasma (pp-PFM) i la polidopamina (PDA), recoberts amb una fina pel·lícula de plata metàl·lica. Tots ells van a mostrar una reducció en l’adhesió bacteriana d’entre 4 i 6 ordres de magnitud respecte a PDMS sense recobriment, així com la capacitat de repel·lir l’adhesió de proteïnes en assajos in vitro. El recobriment basat en PDA-plata va ser seleccionat per implementar-lo en el catèter urinari. Aquest catèter urinari ha demostrat mantenir l’efecte bacteriofòbic durant 30 dies in vitro, provat amb assajos d’ús simulat en condicions de fluix i estàtiques, utilitzant soques bacterianes uropatògeniques i aïllats clínics. A més, el catèter ha estat validat in vivo mitjançant porcs cateteritzats durant 15 dies. Durant aquest període, el catèter ha pogut mantenir l’adhesió bacteriana 2 ordres de magnitud per debat dels catèters estàndard comercials i els antimicrobians

En esta tesis se ha desarrollado un catéter urinario tipo Foley bacteriofóbico. El efecto bacteriofóbico se basa en un recubrimiento super-hidrofóbico micro- y nanostructurado con una topografía específica, recubierto por una película de plata metálica homogénea, que crea un ambiente incómodo para las bacterias, evitando la adhesión bacteriana a la superficie, pero sin provocar ningún efecto sobre el crecimiento bacteriano. Para conseguirlo, se ha generado un conjunto de recubrimientos nanoestructurados super-hidrofóbicos basados en diferentes polímeros. Se han utilizado como polímeros base el metacrilato de pentafluorofenilo polimerizado por plasma (pp-PFM) y la polidopamina (PDA), recubiertos con una fina película de plata metálica. Todos ellos mostraron una reducción en la adhesión bacteriana de entre 4 y 6 órdenes de magnitud con respecto al PDMS sin recubrir, así como la capacidad de repeler la adhesión de proteínas en ensayos in vitro. El recubrimiento basado en PDA-plata fue seleccionado para ser implementarlo en el catéter urinario. Este catéter urinario ha demostrado mantener el efecto bacteriofóbico durante 30 días in vitro, probado con ensayos de uso simulado en condiciones de flujo y estáticas, utilizando cepas bacterianas uropatógenas y aislados clínicos. Además, el catéter ha sido validado in vivo utilizando cerdos cateterizados como modelo animal durante 15 días. Durante este período, el catéter ha podido mantener la adhesión bacteriana 2 órdenes de magnitud por debajo de los catéteres estándar comerciales y los antimicrobianos.

In this thesis, a bacteriophobic urinary Foley catheter has been developed. The bacteriophobic effect is based on a homogeneous super-hydrophobic coating with a specific micro- and nanostructure covered by a homogeneous metallic silver film, which create an uncomfortable environment for bacteria, avoiding bacterial attachment to the surface but without causing any effect on bacterial growth. To achieve this, a set of super-hydrophobic nanostructured coatings based on different polymers has been developed. Plasma-polymerized pentafluorophenyl methacrylate (pp-PFM) and Polydopamine (PDA) have been used as base polymers, being coated with a thin film of metallic silver. All of them showed a reduction in bacterial adhesion between 4 and 6 orders of magnitude regarding the uncoated PDMS, as well as the ability to repel protein adhesion in in vitro tests. The PDA-silver coating was selected to be implemented on the urinary catheter. This urinary catheter has been shown to maintain the bacteriophobic effect for 30 days in vitro, tested with simulation-use tests in flow and static conditions, using uropathogenic bacterial strains and clinical isolates. Moreover, the catheter has been validated in vivo using catheterized pigs as animal model for 15 days. During this period, the catheter has been able to maintain bacterial adhesion 2 orders of magnitude lower than commercial standard or antimicrobial catheters.