Superficies de naves espaciales autolimpiantes para combatir microbios


Los astronautas viven y trabajan en órbita junto con abundantes poblaciones de microorganismos, lo que podría representar una grave amenaza para la salud, e incluso para la integridad estructural de las naves espaciales. Para ayudar a combatir estos polizones invisibles, un proyecto dirigido por la ESA está desarrollando recubrimientos que matan microbios adecuados para su uso dentro de las cabinas de las naves espaciales.

El proyecto PATINA de la ESA con el IIT ha comenzado a trabajar en el óxido de titanio, también conocido como ‘titania’, utilizado por ejemplo en vidrios autolimpiantes aquí en la Tierra, así como en superficies higiénicas. Cuando el óxido de titanio se expone a la luz ultravioleta, descompone el vapor de agua en el aire en «radicales libres de oxígeno», que devoran todo lo que está en la superficie, incluidas las membranas bacterianas. Crédito: IIT

Los tripulantes de la Estación Espacial Internacional no están solos. Un estudio microbiano de las superficies dentro del puesto de avanzada orbital encontró docenas de diferentes especies de bacterias y hongos, incluidos patógenos nocivos como el Staphylococcus aureus, conocido por causar infecciones de la piel y respiratorias, así como intoxicación alimentaria.

Estas poblaciones microbianas podrían incluso enfermar a las naves espaciales, no solo a los astronautas. Las bacterias y los hongos producen «biopelículas», similares a la placa de los dientes, que a su vez pueden empañar y corroer el metal y el vidrio, así como el plástico y el caucho.

Este problema resultó agudo en los últimos días de la predecesora de la ISS, la estación espacial Mir, donde se observaron colonias microbianas creciendo en partes de trajes espaciales, aislamiento de cables e incluso en los sellos de las ventanas.

«Con los sistemas inmunológicos de los astronautas suprimidos por la microgravedad, las poblaciones microbianas de futuras misiones espaciales de larga duración deberán controlarse rigurosamente», explica la ingeniera de materiales de la ESA, Malgorzata Holynska. «Entonces, la Sección de Física y Química de Materiales de la ESA está colaborando con el Istituto Italiano di Tecnologia, IIT, para estudiar materiales antimicrobianos que podrían agregarse a las superficies internas de la cabina».

Hongos observados en la ISS, creciendo en un panel del módulo ruso Zarya donde se colgaba la ropa de ejercicio para que se secara. Crédito: NASA/ESA

El equipo del IIT ha comenzado a trabajar en el óxido de titanio, también conocido como «titania», que se utiliza, por ejemplo, en vidrios autolimpiantes aquí en la Tierra, así como en superficies higiénicas. Cuando el óxido de titanio se expone a la luz ultravioleta, descompone el vapor de agua en el aire en «radicales libres de oxígeno», que devoran todo lo que está en la superficie, incluidas las membranas bacterianas.

Una placa de Petri contiene colonias de hongos cultivados a partir de una muestra recolectada a bordo de la Estación Espacial Internacional durante el primero de los tres vuelos Microbial Tracking-1 de la NASA. Crédito: NASA/JPL

«Las bacterias se inactivan por el estrés oxidativo generado por estos radicales», dice Mirko Prato de IIT. «Esto es una ventaja porque todos los microorganismos se ven afectados sin excepción, por lo que no hay posibilidad de que aumentemos la resistencia bacteriana de la misma manera que algunos materiales antibacterianos».

La elección del óxido de titanio se basó en investigaciones previas sobre recubrimientos antimicrobianos para hospitales. El equipo está investigando un método para «dopar» el compuesto; ajustando su receta para aumentar su sensibilidad a la parte visible del espectro de luz.

«Los recubrimientos antimicrobianos en la Tierra a menudo usan plata, pero aquí queremos prescindir de ella», agrega Malgorzata. «El problema es que en el entorno confinado de una nave espacial, la exposición prolongada a la plata podría tener efectos negativos para la salud de los astronautas: no queremos una acumulación de metales pesados ​​en el agua a bordo, por ejemplo, con plata soluble vinculada a la piel y los ojos. irritación, incluso cambios en el color de la piel a dosis muy altas».

Uno de los atractivos del óxido de titanio como alternativa es su aparente estabilidad a largo plazo, explica Fabio Di Fonzo de IIT: «Pero realizaremos un envejecimiento artificial de los recubrimientos para ver cómo evolucionan con el tiempo. Y parte de los resultados del proyecto serán ser para ver cuáles son los productos de fotodegradación que regresan a la atmósfera de la cabina una vez que las bacterias se oxidan; obviamente, no queremos productos finales que sean más tóxicos que los propios microbios».

Las pruebas realizadas por IIT han logrado un revestimiento exitoso de óxido de titanio de una variedad de superficies candidatas: vidrio, oblea de silicio, papel de aluminio e incluso papel tisú de grado de sala limpia. Los recubrimientos se colocan utilizando varios métodos, que incluyen «deposición física de vapor» y «deposición de capa atómica», que implican la colocación gradual de películas delgadas mediante la exposición a productos químicos gaseosos, técnicas más tradicionalmente empleadas para fabricar dispositivos semiconductores.

«Nuestro objetivo es mantener esta capa antimicrobiana lo más delgada posible, para no alterar demasiado las propiedades mecánicas de los materiales subyacentes, para no evitar que las telas se doblen, etc.», dice Mirko. «Nuestro objetivo son espesores de 50 a 100 nanómetros». , millonésimas de milímetro».

El proyecto PATINA, ‘Optimización de recubrimientos antibacterianos fotocatalíticos’, fue propuesto a través de la Plataforma de Innovación de Espacio Abierto de la ESA, buscando ideas novedosas para la investigación espacial de cualquier fuente. El proyecto también cubre otros tratamientos de superficie antimicrobianos, incluidos los materiales superhidrofóbicos que repelen toda la humedad, la reacción electrostática y los materiales que liberan biocidas.

En ESTEC, el investigador de la ESA Mengjiao Wang realizó un trabajo de prueba de recubrimientos, ahora reemplazado por el investigador Federica Arena.

Este nuevo enfoque antimicrobiano complementa la investigación europea existente, como el experimento francés de superficie espacial MATISS y el experimento alemán Touching Surfaces que investiga el crecimiento bacteriano a bordo de la ISS.

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