Smart Materials for Bacterial Detection Based on Electrochromic Molecules

Abstract

Les infeccions nosocomials o infeccions associades a l’atenció sanitaria (IAAS) són aquelles adquirides per pacients hospitalitzats a causa d’equips contaminats, roba de llit o humitat a l’ambient, entre altres fonts d’infecció. Per tal de minimitzar el nombre d’IAAS, s’han desenvolupat teixits antibacterians incorporant-hi nanopartícules bactericides. Tot i això, aquests materials perden la seva activitat amb el temps augmentant el risc de contaminació i infecció. Per tant, la detecció de bacteris in situ és requerida. Com a estratègia per detectar bacteris, els indicadors metabòlics són molècules que només canvien en contacte directe amb bacteris vius a causa del metabolisme bacterià, produint un canvi en la conductivitat, el pH o el color. Els indicadors metabòlics electrocròmics han demostrat la capacitat d’actuar com a acceptors d’electrons en el procés de respiració bacteriana, com el blau de Prússia, que té un color diferent tant per a la forma oxidada com reduïda. Aquesta tesi doctoral es centra en l’estudi de la resposta de detecció bacteriana del blau de Prússia, la seva aplicació en el desenvolupament de materials intel·ligents i la seva implementació en teixits antimicrobians i membranes de filtres d’aigua per a la prevenció d’infeccions produïdes per bacteris. La incorporació de molècules detectores de bacteris als materials intel·ligents permetrà determinar in situ el temps de vida dels materials bactericides i la seva eficàcia en el control d’infeccions bacterianes. Aquesta tecnologia, inicialment concebuda per prevenir les IAAS en entorns hospitalaris, ha estat interessant en altres sectors d’aplicació com ara col·legis, residències de gent gran, transport públic o mobiliari públic, entre d’altres.

Las infecciones nosocomiales o infecciones asociadas a la atención sanitaria (IAAS) son aquellas adquiridas por pacientes hospitalizados debido a equipos contaminados, ropa de cama o humedad en el ambiente, entre otras fuentes de infección. Con el fin de minimizar el número de IAAS, se han desarrollado tejidos antibacterianos incorporando en ellos nanopartículas bactericidas. Sin embargo, estos materiales pierden su actividad con el tiempo aumentando el riesgo de contaminación e infección. Por lo tanto, la detección de bacterias in situ es requerida. Como estrategia para detectar bacterias, los indicadores metabólicos son moléculas que solo cambian en contacto directo con bacterias vivas debido al metabolismo bacteriano, produciendo un cambio en la conductividad, el pH o el color. Los indicadores metabólicos electrocrómicos han demostrado la capacidad de actuar como aceptores de electrones en el proceso de respiración bacteriana, como el azul de Prusia, que tiene un color diferente tanto para su forma oxidada como reducida. Esta tesis doctoral se centra en el estudio de la respuesta de detección bacteriana del azul de Prusia, su aplicación en el desarrollo de materiales inteligentes y su implementación en tejidos antimicrobianos y membranas de filtros de agua para la prevención de infecciones producidas por bacterias. La incorporación de moléculas detectoras de bacterias en los materiales inteligentes permitirá determinar in situ el tiempo de vida de los materiales bactericidas y su eficacia en el control de infecciones bacterianas. Esta tecnología, inicialmente concebida para prevenir las IAAS en entornos hospitalarios, ha sido de interés en otros sectores de aplicación como colegios, residencias de ancianos, transporte público o mobiliario público, entre otros.

Nosocomial or hospital acquired infections are those acquired by hospital patients due to contaminated equipment, bed linens, or humidity in the environment, among others. In order to minimize the number of HAIs, antibacterial fabrics have been developed by incorporating bactericidal nanoparticles into them. However, these materials lose their activity over time increasing the risk of contamination and infection. Therefore, bacterial detection in situ is required. As a strategy to detect bacteria, metabolic indicators are molecules that only change in direct contact with live bacteria due to bacterial metabolism, producing a change in conductivity, pH or color. Electrochromic metabolic indicators have shown the ability to act as electron acceptors in the bacterial respiration process, such as Prussian blue, which has a different color for both its oxidized and reduced forms. The current PhD thesis is focused on the study of the bacterial-sensing response of Prussian blue, its application to the development of smart materials and their implementation in antimicrobial textiles and water filter membranes for the prevention of bacterial infections. The incorporation of bacterial sensing molecules in the smart materials will allow the in situ determination of the life-time of the bactericide materials and their effectiveness in the control of bacterial infections. This technology, initially conceived to prevent HAI in hospital settings, has been of interest in other application sectors including schools, elderly homes, public transport or public furniture, among others.