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0 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA CAMPUS II TESIS DETERMINAR EL EFECTO BACTERICIDA DE UNA SOLUCIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE PLATA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE QUÍMICO FARMACÉUTICO BIÓLOGO P R E S E N T AN REMEDIOS ANA LILIA ANTÓN MANDUJANO OSCAR JAVIER RAMIREZ RUIZ ASESORES: DIRECTORA: Q.F.B. ESPERANZA JIMÉNEZ CASTAÑEDA ASESORA: MTRA. MARÍA DEL ROSARIO BENÍTEZ VELÁZQUEZ Ciudad de México a 14 de Marzo del 2016 http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjIxc2Pvp_JAhXBPz4KHUWGBuAQjRwIBw&url=http://www.ingenieria.unam.mx/paginas/galeriaEscudos.htm&psig=AFQjCNEM2GqXX9PVnIxRfFXcw8yCcdQtIA&ust=1448125467024685 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. 0 A mis Padres Yolanda Y Alejandro. Por creer en mí y darme la oportunidad de realizar este sueño, no importándoles desvelos, y siempre estar a mi lado. Ahora se que con dedicación y esmero se logra una meta tan soñada para ellos y mía, ver a sus hijos crecer y cumplir sus metas. Para ellos toda mi admiración y respeto porque no les importo nada, solo apoyarnos y nunca hubo imposibles para ellos. Dejándonos un gran legado siempre seguir adelante nunca te detengas, todo lo puedes lograr. Doy gracias a Dios por darme estos padres. Los quiero mucho y este triunfo es de ustedes . Para mis hermanos Claudia, Gris, Alex, Armando Gracias por estar siempre a mi lado en las buenas y malas siempre unidos, procurando ayudarnos y no soltarnos de la mano. Hoy logramos unidos una meta mas, gracias por se parte de este hermoso sueño por estar siempre dispuestos apoyando. Los quiero mucho. A mis sobrinos Carlos, Omar Dany, Beto, Eve, Mia, Naty, Miguel, Isa, Eithan (mi gran guerrero gracias por enseñarme a luchar), la güerita y los que me faltan. a todos ellos gracias por estar compartiendo este triunfo y apoyo. Cada uno tiene una historia y se que al igual que yo ellos también llegaran a la meta. A mis cuñadas (os) y esposas de mis sobrinos Gracias por estar compartiendo este logro, que también es de ustedes por pertenecer a esta gran familia que formamos todos y por darme la dicha tan grande de ser tía y amiga de sus hijos. 0 A mis asesores Q.F.B. Esperanza y Mtra. Maria del Rosario Por confiar en nosotros y darnos la oportunidad de realizar este sueño y por su apoyo A mis profesores en especial Magdalena Ordoñez, Mauro Arrieta, prefiero no seguirlos nombrando para no omitir algún nombre ya que todos para mi tienen un valor incalculable gracias por el apoyo brindado, confianza y conocimientos, mi admiración y respeto para cada uno, gracias por no ser solo mi profesor sino unos grandes “AMIGOS”, Siempre dando lo mejor de ustedes sin recibir nada a cambio. A mis sinodales Mtra. Dora Alicia Pérez Gonzalez, M en C. Maria Teresa Griselda y Q.F.B. José Oscar Gonzalez Moreno. Por apoyarme revisando este trabajo y enriquecerlo con sus conocimientos que fueron de gran ayuda. A mis amigos, compañeros. Gracias mi mas profundo agradecimiento para cada uno de ustedes, nunca me dejaron sola siempre tendiéndome la mano y estando a mi lado para no desistir, a todos ustedes muchas gracias perdón por omitir los nombres. A todos las personas que no nombre. Gracias a todas ellas por haber colaborado en la elaboración de nuestro proyecto, quedo inmensamente agradecida por su apoyo, dedicación y conocimientos compartidos, durante el proceso de la misma, a todos ustedes muchas gracias. 0 A mis Padres Margarita y Gustavo que en paz descanse. Por darme todo lo que se le puede dar a un hijo sin ustedes yo no sería la persona que soy en este momento, gracias por cuidar de mí y confiar en mí nunca podre dejar de agradecerles todo, a ti madre que me acompañas en las buenas y en las malas apoyándome y a ti padre que lamentablemente ya no te encuentras con nosotros les dedico esta pequeña parte de mi vida. A mi hermana Que siempre me apoya aunque no me lo diga directamente, siempre me ayuda en lo que puede y que tengo la bendición de haber compartido gran parte de mi vida con ella. A mi esposa Que siempre está conmigo en las buenas y en las malas que me consuela cuando las cosas fallan y me da su cariño incondicional A mis asesores Q.F.B. Esperanza y Mtra. Maria del Rosario Por confiar en nosotros y darnos la oportunidad de realizar este sueño y por su apoyo A mis sinodales Mtra. Dora Alicia Pérez Gonzalez, M en C. Maria Teresa Griselda y Q.F.B. José Oscar Gonzalez Moreno. Por ayudarnos y orientándonos en la realización de este trabajo revisándolo y enriqueciéndolo. A mis profesores en especial Angelita, Gina y Mauro Arrieta, y todos los profesores que tuve durante mi formación académica les agradezco su tiempo su apoyo y todos los conocimientos brindados mi admiración y respeto para todos y cada uno de ustedes A mis amigos compañeros y demás personas Que gracias a su apoyo se logró este sueño y se hizo posible la realización de este ayudando de alguna forma o apoyando gracias a todos y cada uno de ustedes les doy las gracias. 1 RESUMEN En el presente trabajo se sintetizaron dos soluciones de nanopartículas de plata utilizando borohidruro y como agente estabilizante PVP, y Tween 20, resultando una solución de color amarillo claro tanto la de PVP y la de Tween 20, donde se tuvo que controlar la agitación y el calentamiento para obtener nanopartículas pequeñas y estables. Para la caracterización se evaluó la estabilidad por medio de microscopía electrónica de transmitancia, espectro de infrarrojo y UV-Vis. En el microscopio electrónico de transmitancia se observó que las nanopartículas de plata se encuentran estables después de tres meses con un tamaño de 10 y 50 nanómetros. En el espectrofotómetro de UV-Vis se realizaron lecturas cada mes para corroborar su estabilidad, durante este tiempo se obtuvieron lecturas de aproximadamente 400 nm, indicando la estabilidad de las mismas. Para la prueba de toxicidad se utilizaron nauplios de Artemia sp, los cuales fueron incubados 24 h a 26–28 °C con solución salina en una cámara obscura con aeración y luz, después de su eclosión se realizó la prueba de toxicidad utilizando concentraciones de 41.11, 123.35, 205.58, 287.81, 370.053 g/mL, no presentando tasa de mortalidad, ya que ningún nauplio murió a las concentraciones utilizadas. En sensibilidad microbiana se utilizaron las soluciones de nanopartículas de plata a concentraciones de 411.17, 287.81, 82.23, 205.58 g, observando halos de inhibición en cultivos al 0.5 del nefelómetro de Mac Farland, de Staphylococcus aureus ATCC 25923,Escherichia coli ATCC 11229, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis, 2 inoculados en agar soya tripticaseína, y para el estudio de sensidiscos se utilizó el medio de Muller Hinton, comprobando conello el mecanismos de acción de las nanopartículas de plata en las bacterias, observándose mejor efecto bactericida de las nanopartículas estabilizadas con Tween 20. 3 ÍNDICE Pág. RESUMEN 1 I. INTRODUCCIÓN 5 1.1Conceptos básicos 5 1.1.1 Agentes antimicrobianos 5 1.1.2 Bactericida 5 1.1.3 Bacteriostático 5 1.1.4 Antiséptico 5 1.2 Clasificación de las bacterias 6 1.2.1 Distinción macroscópica y microscópica 6 1.2.2 Clasificación de las bacterias Gram positivas y negativas 7 1.2.3 Diferencia metabólica antigénica y genética 9 1.2.4 Características de las bacterias Gram positivas y Gram negativas 10 1.2.5 Material biológico a utilizar ( bacterias) 12 1.3 Medios de cultivo 15 1.3.1 Requerimiento para el crecimiento 15 1.3.2 Temperatura 16 1.3.3 Requerimientos químicos 17 1.3.3.1 Carbono 17 1.3.3.2 Nitrógeno, azufre y fósforo 18 1.3.3.3 Oligoelementos 19 1.3.3.4 Oxígeno 19 1.3.4 Factores de crecimiento orgánico 21 1.3.5 Definición Medios de cultivo 21 1.3.6 Medios de cultivo químicamente definidos 21 1.3.7 Medios complejos 22 1.3.8 Medios selectivos y diferenciales 22 1.4 Generalidades de las nanopartículas de plata 23 1.5 Historia y mecanismo de acción de las nanopartículas de plata 25 1.6 Preparación de nanopartículas de plata 28 1.7 Preparación de nanopartículas de plata por reducción termal y por reducción con boro hidruro de sodio 32 1.7.1 Síntesis de nanopartículas de plata por reducción térmica 32 1.8 Que es un plasmón?, y su relación con la absorción UV- Visible de las nanopartículas metálicas 33 1.9 Estabilización de nanopartículas metálicas 34 1.10 Absorción de especies inorgánicas espectrofotometría UV-Visible 36 1.11 Microscopio electrónica de transmitancia 37 1.12 Espectroscopia de infrarrojo cercano y medio 39 1.13 Escalas o patrones de Mc Farland 41 1.14 Carácterísticas de las Artemias sp 42 1.14.1 Toxicidad en Artemias sp 42 4 II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 44 III. OBJETIVOS 45 3.1 Objetivos generales 45 3.2 Objetivos particulares 45 IV. HIPÓTESIS 46 V. DISEÑO EXPERIMENTAL 47 5.1 Población de estudio 47 5.2 Criterios de inclusión 47 5.3 Criterios de exclusión 47 5.4 Criterios de eliminación 48 5.5 Variables 48 VI. MATERIAL Y MÉTODO 48 6.1 Material 48 6.1.1 Material y equipo para la síntesis de nanopartículas de plata 48 6.1.2 Reactivos para la preparación de nanopartículas de plata 49 6.1.3 Material y equipo para la lectura UV-Vis para las nanopartículas de plata 50 6.1.4 Reactivos UV-Vis 50 6.1.5 Material y equipo para realizar la prueba de sensibilidad microbiana 50 6.2 Metodología 51 6.2.1 Valoración de las soluciones de AgNO3 0.1 M 51 6.2.2 Preparación de la solución de nano partículas con Tween20 52 6.2.3 Preparación de la solución de nano partículas con PVP 52 6.2.4 Metodología para evaluar la toxicidad 53 6.2.4.1 Metodología para la preparación de huevecillos de Artemias sp. 53 6.2.4.2 Metodología para la realización del bioensayo 54 6.2.5 Metodología de sensibilidad microbiana 55 VII. DIAGRAMA DE FLUJO 58 VIII. RESULTADOS 59 8.1 caracterización por espectrofotómetro infrarrojo 59 8.2 Microscopia Electrónica de Transmitancia 61 8.3 Caracterización por espectro UV-VIS para Tween 20 62 8.4 prueba de toxicidad en Artemias sp 63 8.5 sensibilidad microbiana 64 IX. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 67 X. CONCLUSIONES 69 XI. REFERENCIAS 70 Índice de Abreviaturas 73 Índice de figuras 73 Índice de tablas 74 5 I. INTRODUCCIÓN 1.1 CONCEPTOS BÁSICOS 1.1.1 Agentes antimicrobianos Son los que interfieren en el crecimiento y actividad de los microbios. En el lenguaje corriente, el término antimicrobiano denota inhibición del desarrollo y si se refiere a grupos denominados de organismos que emplean los términos de antibacterianos o anti fúngicos. Los agentes antimicrobianos que se utilizan en el tratamiento de las infecciones se denominan agentes terapéuticos. (1) 1.1.2 Bactericida Agente que mata bacterias. De manera similar, los términos fungicida, virucida, y esporicida se refieren a agentes que matan respectivamente hongos, virus y esporas. (1) 1.1.3 Bacteriostático Es la supresión del desarrollo de bacterias (agentes bacteriostático). De la misma manera, los fungistáticos se refieren a los hongos. Los agentes que tienen en común la capacidad de inhibir el desarrollo de microorganismos que se designan colectivamente microbiostáticos. (1) 1.1.4 Antiséptico Toda sustancia que se opone a la “sepsis” o impide el desarrollo o acción de los organismos, ya sea por destruir o inhibir su crecimiento y actividad. Generalmente se refiere a sustancias aplicadas al cuerpo (1) 6 1.2 Clasificación de las bacterias Las bacterias se pueden clasificar según su aspecto macroscópico y microscópico, por el crecimiento y las propiedades metabólicas características, por su antigenicidad y, por último, por su genotipo. (2) 1.2.1 Distinción macroscópica y microscópica La distinción inicial entre las bacterias se puede realizar en función de las características de crecimiento en distintos nutrientes y medios de cultivo selectivos. Las bacterias crecen en colonias y cada una de ellas equivaldría a una ciudad con un millón o más de microorganismos. La suma de sus características condiciona los rasgos que definen a una colonia, como su color, tamaño, forma u olor. La capacidad de resistir frente a determinados antibióticos, de fermentar azúcares específicos(por ejemplo la lactosa que permite distinguir Escherichiacoli de Salmonella), de lisar los eritrocitos (capacidad hemolítica) o de hidrolizar los lípidos (por ejemplo la lipasa de los Clostridium) se puede determinar también mediante el uso de los medios de cultivo adecuados.(2) El aspecto microscópico, incluido el tamaño, la forma y la configuración de los gérmenes (cocos, bacilos, curvos, espirales), y la capacidad de captar el colorante Gram (Gram positivos o Gram negativos) son el principal modo de distinguir las bacterias. Una bacteria esférica, como Staphylococcus, es un coco mientras que una bacteria en forma de bastón, como Escherichiacoli, es un bacilo; el treponema que adopta una forma serpenteante es un espirilo. Además, Nocardia y Actinomyces tienen un aspecto filamentoso 7 ramificado similar a estos hongos. Algunas bacterias forman agregados, como en las especies de Neisseria o Streptococcus.(2) La mayoría de las bacterias conocidas presentan forma de coco o de bacilo. los cocos son células casi esféricas pueden existir como células individuales pero se asocian también en agrupaciones características que son útiles frecuentemente para identificar a las bacterias los diplococos se forman cuando los cocos se dividen y permanecen juntos para constituir pares. Las bacterias del género Staphylococcusse dividen en planos aleatorios para generar racimos irregulares similares a los de las uvas. Los miembros del género Micrococcus se dividen a menudo en dos planos para formar paquetescuadrados de cuatro células llamadas tétradas. El género Sarcina los cocos se dividen en tres planos, formando paquetes cúbicos de ocho células. La otra forma común de bacteria es el de bastón denominado bacilo, los bacilos varían considerablemente en la proporción entre su longitud y su diámetro siendo los cocobacilos tan cortos y anchos que parecen cocos. Los vibrios son curvados con forma de coma o de espiral incompleta. Pueden permanecer juntos formando cadenas o parejas como el Bacillus megaterium que forma largas cadenas. Muchas bacterias poseen una forma semejante a bacilos largos retorcidos como espirales o hélices, se denominan espirilos si son rígidos y espiroquetas cuando son flexibles.(3) 1.2.2 Clasificación de las bacterias en Gram positivas y Gram negativas La tinción de Gram es una prueba rápida, potente y sencilla que permite al clínico distinguir entre estas dos clases fundamentales de bacterias basándose en las diferencias inherentes entre las bacterias se fijan con calor 8 o se dejan secar sobre el portaobjetos, se tiñen con cristal violeta, que es un colorante que se precipita con yodo, y después se elimina el exceso de colorante y el no ligando lavando el porta con un decolorante cuya base es la acetona y con agua. Se añade después un contraste. La safranina, para teñir las células decoloradas. Este proceso se realiza en menos de 10 minutos. Las bacterias Grampositivas se tiñen de morado porque el colorante queda atrapado en una gruesa capa de péptidoglucanos a modo de malla entrelazada, que rodea a la célula, las bacterias Gramnegativas tiene una capa de péptidoglucanos más delgada, que no retiene el cristal violeta, de forma que las células se tiñen con la safranina empleada como contraste y se ven rojas (2) (Figura 1)(4). Fig. 1 Diferencias en la pared celular entre células Gram negativa y Gram positiva (4) . Dada la degradación de los péptidoglucanos, la tinción de Gram no se considera fiable para bacterias que están sin nutrientes (es decir, cultivos antiguos o en fase estacionaria) o que han sido tratadas con antibióticos. Las bacterias que no se pueden clasificar en función del resultado con el Gram incluyen las micobacterias, que tienen una cubierta externa de tipo céreo y 9 que se distinguen bien con la tinción ácido alcohólica, y los micoplasmas, que no tienen péptidoglucanos.(2) 1.2.3 Diferencia metabólica, antigénica y genética El siguiente nivel de la clasificación depende de las características metabólicas de las bacterias, incluida la necesidad de un entorno aerobio o anaerobio, la exigencia de nutrientes específicos (por ejemplo la capacidad de fermentar hidratos de carbono específicos o emplear distintos compuestos como fuentes de carbono para el crecimiento) y la producción de productos metabólicos característicos (ácidos, alcoholes) y enzimas especificas (por ejemplo catalasas de los Staphylococcus). Se han desarrollado técnicas automatizadas para distinguir entre las bacterias entéricas y de otro tipo, que analizan el crecimiento en distintos medios de cultivo y sus productos microbianos y adjudican un biotipo numérico a cada bacteria. Una cepa concreta de bacterias se puede distinguir mediante el uso de anticuerpos que detectan antígenos característicos en la misma (serotipado). Estas pruebas serológicas se pueden emplear también para identificar organismos difíciles (Treponema pallidum, el germen responsable de la sífilis) o demasiado peligrosos para cultivarlos en el laboratorio, que se asocian con un síndrome patológico específico (por ejemplo el serotipo O157 de Escherichia coli responsable de la colitis hemorrágica) o que se deben identificar con gran rapidez (por ejemplo Streptococcus pyogenes responsable de la faringitis estreptocócica) el serotipado se emplea también 10 para subdividir a las bacterias por debajo del nivel de la especie con fines epidemiológicos.(2) El método más exacto para clasificar las bacterias es el análisis de su material genético. Los nuevos métodos distinguen las bacterias mediante la detección de secuencias del ADN características específicas. Entre estas técnicas se incluyen la hibridación del ADN, la amplificación mediante reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y otras técnicas relacionadas. Estas técnicas genéticas no necesitan gérmenes vivos o en crecimiento y se pueden emplear para la detección e identificación rápida de gérmenes de crecimiento lento como micobacterias y hongos o para el análisis de muestras patológicas, incluso de cepas muy virulentas. Ahora se dispone de esta tecnología para el análisis rápido de las secuencias de ácidos nucleicos de segmentos específicos dentro de todo el cromosoma de la bacteria. La aplicación más frecuente de esta técnica es el análisis de secuencias de ADN ribosómico para detectar las secuencias muy conservadas que distinguen a una familia o género y las secuencias altamente variables que caracterizan a la especie o sub especie. Se han usado diversos métodos adicionales sobre todo para clasificar subespecies de microorganismos para la investigación epidemiológica, como el análisis de plásmidos, el ribotipado y el análisis de los fragmentos de ADN cromosómico. (2) 1.2.4 Características de las bacterias Gram positivas y Gram negativas Entre las principales características de las bacterias figuran su tamaño, su forma, su estructura y su tipo de agrupación. Estas características 11 constituyen la morfología de la célula. No obstante sus dimensiones microscópicas. Según su especie son esféricas, en forma de bastón o de espiral. En algunas especies, las bacterias se organizan en grupos, siendo los más comunes de ellos pares, racimos, cadenas y filamentos. Conviene conocer estas formas de agrupación porque con frecuencia son características de un grupo taxonómico, por ejemplo, un género. Durante años se han expuesto numerosas teorías al mecanismo de la reacción de Gram. Las explicaciones más plausibles de este fenómeno son las que se refieren a la estructura y composición de la pared celular. (5) Las bacterias Gramnegativas contienen un porcentaje más alto de lípidos que las bacterias Grampositivas. Las paredes celulares de las bacterias Gramnegativas son también más delgadas que las de las Grampositivas. Hay pruebas experimentales en el sentido de que el tratamiento con alcohol extrae lípidos con lo cual se aumenta la porosidad o permeabilidad de la pared celular Gramnegativa. Así el complejo cristal violeta-yodo (CV-I), puede extraerse en los organismos Gramnegativos y de esta manera se destiñen. Las paredes celulares de las bacterias Grampositivas, por su composición diferente (bajo contenido lípidico), se deshidratan durante el tratamiento con alcohol, los poros disminuyen, la permeabilidad se reduce y no se logra extraer el complejo CV-I. (5) Otra explicación se basa en la diferencia de la permeabilidad entre los dos grupos de bacterias. En las bacterias Grampositivas, el complejo CV-I queda retenido en la pared después del tratamiento con etanol, lo cual según se supone causa una disminución en el diámetro de los poros del glucopéptidos o péptidoglucano de la pared celular. Las paredes de las bacterias 12 Grampositivas tienen una cantidad menor de péptidoglucano con ligaduras cruzadas menos extensas que en las paredes de las bacterias Grampositivas. Los poros en los péptidoglucanos de las bacterias Gramnegativas después del tratamiento con etanol quedan lo suficientemente grandes para permitir que se extraiga el complejo CV-I. Estas dos explicaciones no se excluyen mutuamente y es probable que ambas contribuyan a explicar el mecanismo de la coloración de Gram. (5) 1.2.5 Material biológico a utilizar (bacterias).Gram positivas Gram negativas Staphylococcusaureus ATCC 259923 TAXONOMÍA Reino: Bacteria Filo: Firmicutes Clase: Bacilli Orden: Bacillales Familia: Staphylococcaceae Género: Staphylococcus Especie: Staphylococcusaureus Fig. 2 Staphylococcus aureus (6) . Escherichiacoli ATCC 11229 TAXONOMÍA Dominio: Bacteria Filo: Proteobacteria Clase: Gammaproteobacteria Orden: Enterobacteriales Familia: Enterobacteriaceae Género: Escherichia Especie: Escherichiacoli Fig.3 Escherichia coli(6). 13 Gram positivas Gram negativas Enterococcusfaecalis TAXONOMÍA Reino: Bacteria Filo: Firmicutes Clase: Bacilli Orden: Lactobacillales Familia: Enterococcaceae Género: Enterococcus Especie: Enterococcusfaecalis Fig. 4 Enterococcusfaecalis (7 . ) Pseudomonasaeruginosa TAXONOMÍA Dominio: Bacteria Filo: Proteobacteria Clase: Gamma Proteobacteria Orden: Pseudomonadales Familia: Pseudomonadaceae Género: Pseudomonas Especie: Pseudomonasaeruginosa Fig. 5 Pseudomonasaeruginosa (8) . 14 Esporulados Gram positivos Bacillus subtilis TAXONOMÍA Domain: Bacteria Phylum: Firmicutes Class: Bacilli Orden: Bacillales Familia: Bacillaceae Genero: Bacillus Especie:Bacillussubtilis Fig. 6 Bacillussubtilis (6) . 15 1.3 Medios de cultivo Cuando hablamos de crecimiento microbiano en realidad nos referimos al número de células, no al tamaño de las células. Los microbios que están en la etapa de crecimiento aumentan en cantidad y se agrupan en colonias o grupos de células lo suficientemente grandes como para ser observados sin el microscopio de cientos de miles de células, o poblaciones de miles de millones de células. Si bien el tamaño de las células individuales casi se duplican durante la vida de la célula, este cambio no es muy significativo si se le compara con los aumentos de tamaño observados durante la vida de las plantas y los animales. (9) Las poblaciones microbianas pueden tornarse increíblemente grandes en un tiempo muy corto. Si se conocen las condiciones necesarias para el crecimiento microbiano se puede determinar la forma de control del crecimiento de los microbios que causan enfermedades y deterioro de los alimentos. También se puede aprender el modo de estimular el crecimiento de los microbios útiles y de aquellos que se desea estudiar. (9) 1.3.1 Requerimientos para el crecimiento Los requerimientos para el crecimiento microbiano pueden dividirse en dos categorías principales: físicos y químicos. Los aspectos físicos comprenden la temperatura, el pH y la presión osmótica los requerimientos químicos incluyen las fuentes de carbono, nitrógeno, azufre, fosforo, oligoelementos, oxígeno y factores de crecimiento orgánicos.(9) 16 1.3.2 Temperatura La mayor parte de los microorganismos crecen bien a las temperaturas preferidas por los seres humanos. Sin embargo, ciertas bacterias pueden desarrollarse en temperaturas extremas que por cierto impedirían la supervivencia de casi todos los organismos eucariontes. Los microorganismos se clasifican en tres grupos principales sobre la base de sus límites de temperatura preferidos. Los psicrófilos (microorganismos con afinidad por el frío), los mesófilos (microbios con afinidad por la temperatura moderada), y termófilos (microbios con afinidad por el calor) la mayor parte de las bacterias crecen solo dentro de un espectro limitado de temperaturas y las temperaturas de crecimiento máxima y mínima solo están separadas por 30°C. Su crecimiento es deficiente a las temperaturas altas y baja extremas, dentro de su espectro. (9) Cada especie bacteriana crece en temperatura mínima óptima y máxima particulares. La temperatura mínima de crecimiento es la temperatura más baja a la cual crecerá la especie. La temperatura óptima de crecimiento es la temperatura a la cual la especie crece mejor. La temperatura máxima de crecimiento es la temperatura más elevada a la cual es posible el crecimiento. Al graficar la respuesta del crecimiento a diversas temperaturas se puede observar que la temperatura óptima de crecimiento suele estar cerca de la parte más elevada del espectro, por encima de esa temperatura la velocidad de crecimiento disminuye con rapidez. Es probable que esto se deba a que la temperatura elevada inactiva los sistemas enzimáticos de la célula.(9) 17 La mayoría de las bacterias crecen mejor en un rango de pH estrecho cercano a la neutralidad entre 6.5 a 7.5 y muy pocas bacterias crecen a pH ácido por debajo de 4.0 esto explica porque ciertos alimentos como el chucrut, los pickeles y muchos otros quesos, son preservados del deterioro por los ácidos producidos por la fermentación bacteriana. No obstante algunas bacterias denominadas ácidofilas, toleran notoriamente bien la acidez. Un tipo de bacterias químico autótrofas, que se encuentran en el agua del desagüe de las minas de carbón y oxidan el azufre para formar ácido sulfúrico pueden sobrevivir a un pH de 1.0. (9) Las bacterias que se cultivan en el laboratorio a menudo producen ácidos que al final interfieren sobre su propio crecimiento. Para neutralizar los ácidos y mantener un pH adecuado se agregan al medio de cultivo sustancias químicas que actúan como tampones o buffers. En algunos medios las peptonas y los aminoácidos actúan como tampones y muchos medios también contienen sales de fosfato, estas últimas tienen la ventaja de mostrar su efecto buffer en los límites de pH del crecimiento de la mayoría de las bacterias y no son tóxicas. (9) 1.3.3 REQUERIMIENTOS QUÍMICOS 1.3.3.1Carbono Además del agua uno de los requerimientos más importantes para el crecimiento microbiano es el carbono. Este elemento constituye la estructura básica de la materia viva, es necesario para todos los compuestos orgánicos que forman una célula viva. La mitad del peso seco de una célula bacteriana típica es carbono. Los quimioheterótrofos obtienen la mayor parte de su 18 carbono de la fuente de su energía materiales orgánicos como proteínas, hidratos de carbono y lípidos. Los quimioautótrofos y los fotoautótrofos obtienen su carbono del dióxido de carbono. (9) 1.3.3.2 Nitrógeno, Azufre y Fósforo Además del carbono los microorganismos necesitan otros elementos para la síntesis del material celular. Por ejemplo, la síntesis de proteínas requiere cantidades considerables de nitrógeno así como algo de azufre. La síntesis de DNA y RNA también requiere nitrógeno y algo de fósforo, lo mismo que la síntesis de ATP, la molécula tan importante para el almacenamiento y la transferencia de energía química dentro de la célula. El nitrógeno constituye cerca del 14% del peso seco de una célula bacteriana y el azufre y el fósforo constituyen cerca del 4%. Los microorganismos utilizan el nitrógeno sobre todo para formar el grupo amino de los aminoácidos de las proteínas. Muchas bacterias cubren este requerimiento mediante la descomposición de materia que contenga proteínas y reincorporan los aminoácidos en proteínas recién sintetizadas y otros compuestos que contienen nitrógeno. Otras bacterias utilizan nitrógeno proveniente de los iones de amonio que ya están en la forma reducida y suelen encontrarse en la materia celular orgánica. Otras bacterias pueden obtener el nitrógeno a partir de los nitratos (compuestos que se disocian para dar el ion nitrato en solución). (9) Algunas bacterias importantes incluidas muchas de las cianobacterias foto sintetizadoras utilizan el nitrógeno gaseoso directamente de la atmósfera. Este proceso se denomina fijación del nitrógeno. Algunos organismosque 19 pueden utilizar este método viven libremente. La mayoría en el suelo pero otros viven en forma cooperativa en simbiosis con las raíces de las legumbres como el trébol, la soya, la alfalfa, los frijoles y los guisantes. El nitrógeno fijado en la simbiosis es utilizado tanto por la planta como por las bacterias. El azufre se utiliza para sintetizar aminoácidos que contienen azufre y vitaminas como la biotina. (9) 1.3.3.3 Oligoelementos Los microbios requieren cantidades muy pequeñas de otros elementos minerales, como hierro, cobre, molibdeno y zinc que se les denomina oligoelementos. Casi todos son esenciales para las funciones de ciertas enzimas, por lo general como cofactores. Aunque en ocasiones estos elementos se agregan al medio de cultivo, en general se supone que están presentes naturalmente en el agua del grifo y otros componentes del medio. Incluso la mayoría de las aguas destiladas contienen cantidades adecuadas.(9) 1.3.3.4 Oxígeno Los microbios que utilizan oxígeno molecular (aerobios) producen más energía a partir de los nutrientes que los que no utilizan oxígeno (anaerobios) los organismos que requieren oxígeno para vivir se denominan aerobios estrictos. Los aerobios estrictos están en desventaja porque el oxígeno es poco soluble en el agua de su ambiente. Por ende muchas de las bacterias aerobias han desarrollado o conservado la capacidad de continuar creciendo 20 en ausencia de oxígeno. Estos organismos se denominan anaerobios facultativos. En otras palabras los anaerobios facultativos pueden utilizar oxígeno cuando están presentes pero pueden continuar creciendo mediante la fermentación o la respiración anaeróbica cuando no hay oxígeno disponible. Sin embargo su eficiencia en la producción de energía disminuye en ausencia de oxígeno son ejemplos de microorganismos anaerobios facultativos la familia Escherichia coli que se encuentra en el intestino de los humanos y muchas levaduras. (9) Los anaerobios estrictos. Son microorganismos que no pueden utilizar el oxígeno molecular en las reacciones que producen energía. De hecho, la mayoría de ellos son perjudicados por su presencia. Un ejemplo de estos es el género Clostridium. Que comprende las especies causantes del tétanos y del botulismo. (9) Los anaerobios aerotolerantes no pueden utilizar oxígeno para su crecimiento pero lo toleran bastante bien. Sobre la superficie de un medio sólido crecen sin el empleo de las técnicas especiales requeridas para los anaerobios estrictos. Una característica de muchas bacterias aéreo- tolerantes es que fermentan los hidratos de carbono para formar ácido láctico, que cuando se acumula inhibe el crecimiento de los competidores aerobios y establece un nicho ecológico. En el laboratorio se les manipula y cultiva como a cualquier otra bacteria pero no usa el oxígeno del aire. Estas bacterias pueden tolerar el oxígeno porque poseen súper óxido dismutasa (SOD) o un sistema equivalente que neutraliza las formas tóxicas del oxígeno.(9) 21 1.3.4 Factores de crecimiento orgánicos Son compuestos orgánicos que un organismo no puede sintetizar como las vitaminas y actúan como coenzimas en los seres humanos. Muchas bacterias pueden sintetizar la totalidad de sus vitaminas y no dependen de fuentes externas. En cambio, algunas carecen de enzimas necesarias para la síntesis de ciertas vitaminas y para ellas estas vitaminas constituyen factores de crecimiento orgánicos. Otros factores de crecimiento para algunas bacterias son los aminoácidos, las purinas y las pirimidinas.(9) 1.3.5 Definición de medio de cultivo Es un material nutritivo preparado para el crecimiento de microorganismo en un laboratorio. Algunas bacterias pueden crecer bien en casi cualquier medio de cultivo y otras requieren medios especiales y otros no pueden crecer en ninguno de los medios inertes existentes hasta ahora. El medio de cultivo debe contener los nutrientes adecuados para el microorganismo específico que se desea desarrollar. También debe contener humedad suficiente, un pH ajustado de manera apropiada y una concentración conveniente de oxígeno, tal vez ausente por completo. El medio que se va a inocular debe ser estéril. Y por último el medio de cultivo inoculado debe incubarse a la temperatura correcta. (9) 1.3.6 Medios de cultivo químicamente definidos Es un medio del que se conoce su composición químicamente exacta. En el caso de un organismo quimioheterótrofo, el medio químicamente definido debe contener factores de crecimiento orgánicos que actúen como fuentes 22 de carbono y energía. Por ejemplo si incluye glucosa en el medio para favorecer el crecimiento de la bacteria quimioheterótrofo de Escherichiacoli. Los microorganismos que requieren varios factores de crecimiento se describen como microorganismos con requerimientos especiales de crecimiento.(9) 1.3.7 Medios complejos Estos están compuestos por nutrientes como extractos de levaduras, carne o plantas o digeridos de proteínas de estas y otras fuentes. Entre los diferentes lotes del medio puede haber leves variaciones de la composición química. En los medios complejos los requerimientos de energía carbono, nitrógeno y azufre son aportados sobre todo por proteínas. Las proteínas son moléculas grandes y relativamente insolubles que la minoría de los microorganismos puede utilizar en forma directa, si bien una digestión parcial por ácidos o enzimas las reducen a cadenas más cortas de aminoácidos determinadas peptonas. La mayoría de las bacterias pueden digerir estos fragmentos pequeños y solubles. Los extractos de carne o de levadura le proporcionan al medio las vitaminas y otros factores de crecimiento orgánicos. Estos también proporcionan nitrógenos orgánicos y compuestos de carbono. (9) 1.3.8 Medios selectivos y diferenciales En los procedimientos de microbiología clínica y de salud pública con frecuencia es necesario detectar la presencia de microorganismos específicos asociados con enfermedad o malas condiciones higiénicas. Para 23 esta tarea se utilizan medios selectivos y diferenciales. Los medios selectivos están diseñados para suprimir el crecimiento de bacterias no deseadas y favorecer el crecimiento de las deseadas. Por ejemplo el agar sulfito de bismuto se utiliza para aislar la bacteria Gram negativa que produce la fiebre tifoidea: Salmonella typhi, de las heces. El sulfito de bismuto inhibe a las bacterias Grampositivas y también a la mayor parte de las bacterias intestinales Gram negativas. El agar dextrosado de Sabouraud, con un pH de 5.6, se utiliza para aislar hongos que se desarrollan mejor que la mayor parte de las bacterias a este pH. Los medios diferenciales permiten distinguir con mayor facilidad las colonias del microorganismo deseado de otras colonias que crecen en la misma placa.(9) 1.4 Generalidades de las nanopartículas de plata Las nanopartículas de plata que están en el rango de 1 y 100 nm de tamaño. Tienen propiedades únicas que ayudan en el diagnóstico molecular, en terapias, así como en dispositivos que se utilizan en varios procedimientos médicos. Los principales métodos utilizados para su síntesis son los métodos físicos y químicos. El problema con los métodos químicos y físicos es que “la síntesis es cara” y también puede tener sustancias tóxicas absorbidas en ellos. Para superar esto, el método biológico ofrece una alternativa viable. Los principales sistemas biológicos implicados en este son bacterias, hongos, y extractos de plantas. Las principales aplicaciones en el campo de la medicina incluyen aplicaciones de diagnóstico y aplicaciones terapéuticas. En la mayoría de las aplicaciones terapéuticas, es la propiedad 24 antimicrobiana la que se estáexplorando, aunque la propiedad anti- inflamatoria tiene su parte justa de las aplicaciones. Se utilizan en muchos procedimientos y dispositivos médicos, así como en varios campos biológicos, que tienen sus inconvenientes debido a la nanotoxicidad.(9) Uno de los objetivos centrales de la nanociencia es construir pequeñas estructuras para el diseño de materiales avanzados, nanodispositivos de alto rendimiento, y miniaturización de dispositivos electrónicos. Las nanopartículas inorgánicas son particularmente atractivas como piezas de construcción para tales propósitos, debido a sus propiedades ópticas, electrónicas, magnéticas y catalíticas únicas, muchas de las cuales pueden ser moduladas cambiando su tamaño, la forma o la funcionalización de la superficie de la nanopartículas, sin cambiar la composición del material.(10) Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, las nanopartículas son con frecuencia descritas como átomos artificiales. Los avances en los procesos de síntesis han permitido el control preciso sobre los parámetros estructurales que gobiernan la formación de las nanopartículas lo que ha permitido adaptar las propiedades de estos átomos artificiales de acuerdo con su uso específico. La síntesis y el ensamblado modular de nanopartículas permiten explotar sus propiedades únicas, lo que puede llevar a nuevas aplicaciones en catálisis, electrónica, fotónica, magnetismo así como químicas y biológicas.(10) 25 1.5 Historia y mecanismo de acción de las nanopartículas de plata. Las propiedades antibacterianas de la plata están documentadas desde hace 1000 A.C. cuando se utilizaron recipientes de plata para preservar el agua los primeros trabajos científicos que describen el uso médico de la plata informan sobre la prevención de la infección delos ojos en los recién nacidos en 1881 y antisepsia interna en 1901. Después de esto, el nitrato de plata y la sulfadiazina de plata han sido ampliamente utilizados para el tratamiento de quemaduras dérmicas superficiales y profundas de las heridas y para la eliminación de las verrugas. El modo de acción de la plata se presume que es dependiente de los iones Ag+ que inhiben fuertemente el crecimiento de las bacterias a través de la supresión de las enzimas respiratorias y componentes de transporte de electrones y a través de la interferencia con las funciones del ADN.La plata en una escala nanométrica(menos de 100nm), tiene diferentes propiedades catalíticas en comparación con los atribuidos a la forma a granel del metal noble, como resonancia del plasmón superficial, y la fuerte toxicidad a un amplia gama de microorganismos. (11) Diferentes estudios han establecido el efecto bactericida de la nanoplata en bacterias Gram positivas y negativas, pero el mecanismo bactericida de este compuesto no ha sido claramente dilucidado. La actividad antibacteriana de las nanopartículas de plata en cuatro tipos de bacterias Gram negativas: Escherichia coli, Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa y Salmonella typhi sugieren que las nanopartículas de plata se unen a la superficie de la membrana celular y perturban su función, penetran las bacterias, y liberan iones plata. Otros grupos determinan una actividad antibacteriana similar en 26 bacterias Gram positivas. Como Bacillussubtilis, Staphylococcusaureus y Enterococcusfaecalis. Las nanopartículas de plata también ejercen actividad antibacteriana frente a algunas bacterias resistentes a los medicamentos. (11) Las nanopartículas de plata tienen la capacidad de anclaje a la pared celular bacteriana y posteriormente penetran en ella, provocando de este modo cambios estructurales en la membrana celular como la permeabilidad de la membrana celular y la muerte de la célula. Hay formación de 'hoyos ' en la superficie celular, y no hay acumulación de las nanopartículas en la superficie celular. (11) La formación de radicales libres por las nanopartículas de plata puede ser considerado como otro mecanismo por el cual las células mueren. Se han realizado estudios de espectroscopia de resonancia de espín de electrones que sugerían que existe formación de radicales libres por las nanopartículas de plata cuando está en contacto con las bacterias, y estos radicales libres tienen la capacidad de dañar la membrana de la célula y hacerla porosa que en última instancia puede conducir a la muerte de la célula (12). También se ha propuesto que puede haber liberación de iones de plata por las nanopartículas, y estos iones pueden interactuar con los grupos tiol de muchas enzimas vitales e inactivar estos. Las células bacterianas en contacto con la plata toman iones de plata que inhiben varias funciones en la célula y dañan las células. La plata es un ácido débil, y hay una tendencia natural de un ácido para reaccionar con una base, en este caso, un ácido débil para reaccionar con una base débil. Las células mayormente se componen de azufre y fósforo que son bases débiles. La acción de estas nanopartículas en la célula puede causar que la reacción tenga lugar y 27 posteriormente conducir a la muerte celular. Otro hecho es que el ADN tiene azufre y fósforo como sus componentes principales; las nanopartículas pueden actuar sobre estas bases débiles y destruir el ADN que sin duda conducen a la muerte celular (9). La interacción de las nanopartículas de plata con el azufre y el fósforo del ADN puede conducir a problemas en la replicación del ADN de las bacterias y por lo tanto matar a los microbios. (12) Es un hecho bien establecido que la fosforilación de sustratos de proteína en bacterias influencia la transducción de señal bacteriana. La desfosforilación se observó sólo en los residuos de tirosina de las bacterias Gram negativas. El perfil de fosfotirosina de péptidos bacterianos se altera por las nano partículas. Se encontró que las nanopartículas desfosforilan los sustratos peptídicos en los residuos de tirosina, que conduce a la inhibición de la transducción de señal y por lo tanto la detención del crecimiento.(12) Además de la capacidad antiviral de las nanopartículas de plata contra el virus de la inmunodeficiencia humana y el virus de la hepatitis B se han establecido, las aplicaciones actuales de las nanopartículas de plata incluye vendas antimicrobianas para las quemaduras, filtros de agua y otros. La toxicidad de las nanopartículas de plata se ha estudiado en diferentes sistemas de células de mamíferos. Incluyendo células de hígado de rata, los queratinocitos humanos y cultivos de fibroblastos. In vitro una dosis elevada de nano plata induce el estrés oxidativo (liberación de especies reactivas de oxígeno) como un mecanismo de citotoxicidad. En un inocuo rango de concentración, las nanopartículas de plata se han descrito que ejercen efectos antiinflamatorios como: la aceleración de la cicatrización de heridas, la modulación de la producción de citosinas y la inducción de la proliferación 28 de células mononucleares de sangre periférica, la inhibición de la dermatitis alérgica de contacto en ratones, la supresión de la expresión de TNF-α y IL- 12, y la inducción de la apoptosis de las células inflamadas. (11) 1.6 Preparación de nanopartículas de plata Recientemente la preparación de nanopartículas metálicas ha despertado gran interés en la comunidad científica debido a las propiedades catalíticas , ópticas, electrónicas, magnéticas y bactericidas que presentan estos sistemas, lo que significa que son de gran utilidad tecnológica, siendo de especial atención los materiales que contienen nanopartículas de metales nobles, tales como oro plata, platino y paladio.(13) Las nanopartículas metálicas se pueden definir como agregados aislados de tamaños entre 1 y 50 nm, los cuales son un conjunto de átomos rodeados deuna cápsula protectora o estabilizadora que evita la aglomeración. Existen varios métodos para la preparación de nanopartículas; en el caso de los nanoclúster o nanoagregados de los metales de transición se pueden citar la reducción química de una sal metálica, descomposición térmica, fotoquímica o sonoquimica, reducción del ligando y desplazamiento del ligando en compuestos órgano metálicos deposición del metal en fase vapor y síntesis electroquímica.(13) Uno de los métodos más comunes para la preparación de las nanopartículas es la reducción química de las sales de metales de transición en presencia de agentes estabilizadores. El mecanismo de formación de nanopartículas se basa primordialmente, en la reducción de la sal metálica al átomo cerovalente y seguidamente estos átomos actúan como centros de 29 nucleación dando lugar a la formación de clúster cuyo crecimiento continuará a medida que se sigan agregando los átomos, formándose así, partículas de mayor tamaño y formas poliédricas más complejas. No obstante, es necesario estabilizar las partículas. Mediante la envoltura de moléculas o agentes estabilizadores (polímeros generalmente) que se absorben en su superficie, inhibiendo de esta manera el proceso de aglomeración o sinterización.(13) La principal ventaja del método de reducción química es su reproducibilidad y la posibilidad de obtener coloides mono dispersos con una distribución estrecha en el tamaño de partícula, razón por la cual se preparan frecuentemente nanopartículas metálicas siguiendo esta metodología. Empleando como agentes reductores especies químicas tales como: ácidos orgánicos, alcoholes, polioles, aldehídos y azucares. (13) Entre ellas están también aquellas basadas en la reducción de nitrato de plata por boro hidruro de sodio o citrato de sodio. Otros métodos incluyen el uso de microondas, electrolisis de sales de plata, micro emulsión y foto reducción de iones Ag+. (14) En los últimos años el proceso de calentamiento asistido por microondas, se ha utilizado como una alternativa para la síntesis de materiales a escala nanométrica dado que es un método rápido, uniforme y efectivo, que permite incrementar las cinéticas de reacción en uno o dos órdenes de magnitud. Las nanopartículas coloidales de Pt, Ru, Ag, y Pd estabilizados por polímeros, han sido preparadas por calentamiento con microondas, a partir de las sales precursoras del metal disueltas en soluciones de etilenglicol. Por otra parte el calentamiento por microondas de las muestras líquidas 30 permite la disminución de las fluctuaciones de temperatura en el medio de reacción, proporcionando así, un entorno más homogéneo para la nucleación y el crecimiento de las partículas metálicas. (13) La formación de nanopartículas de plata por el método poliol en presencia de NaOH ha sido investigada y se ha concluido que bajo estas condiciones se puede aumentar la velocidad de reducción de los iones del metal y estabilizar el coloide resultante. En este sentido, se ha sugerido como medio de síntesis el etilenglicol, debido a su alta constante dieléctrica (41.4 a 298K) y perdida dieléctrica, por lo que puede ser calentado rápidamente por la radiación de microondas, logrando acelerar la velocidad de reducción de los iones metálicos y favoreciendo la formación de los núcleos metálicos. El etilenglicol se descompone, generando especies tales como (CH3CHO) que pueden reducir los iones metálicos a átomos. Los cuales se aglomeran y forman partículas al emplear el etilenglicol se producen reacciones químicas en el medio de síntesis tales como las siguientes (13) CH2OH-CH2OH NaOH CH3CHO +H2O (1) Δ 2CH3 CHO + 2 Ag + 2 Ago+ 2H+ + CH3COCOCH3(2) En los últimos años el proceso poliol ha sido desarrollado para preparar polvos finos de metales diversos: cobalto, níquel, plomo, oro, cobre, paladio y algunas aleaciones de estos metales. El método de síntesis es el siguiente: un compuesto metálico inorgánico o sal es dispersado en un líquido poliol. Principalmente se usa etilenglicol. La suspensión luego es agitada y calentada a una temperatura dada, hasta la completa reducción del compuesto. El metal es recogido como un polvo fino por centrifugación o filtración. Las partículas obtenidas son monodispersadas, no aglomeradas, 31 en el rango coloidal o micrónico. En estos procesos se considera un polvo monodisperso cuando el coeficiente de variación de la distribución del tamaño de la partícula no excede el 20 % es esencial la estabilización de las nanopartículas en el medio dispersante para prevenir la aglomeración. Esto puede ser logrado por estabilización electrostática o estérica. Varios agentes estabilizadores tales como agar, ciclo dextrina, poli-vinil-alcohol (PVA), polivinilpirrolidona (PVP) y acetato de celulosa se han probado con éxito. (14) El mecanismo general de reducción del etilenglicol puede ser representado por las reacciones siguientes: CH2OH-CH2OH CH3CHO +H2O (1) 2CH3 CHO + 2 Ag + 2 Ago+ 2H+ + CH3COCOCH3(2) Por otro lado, el PVP juega un rol fundamental en la estabilización de las nanopartículas evitando la aglomeración de estas. (14) Agm +PVP Donde m es el número de iones plata anclados a la molécula de PVP. Este caso ocurre en la reducción química de los iones plata en presencia de PVP. Como los átomos de nitrógeno y oxígeno de la pirrolidona en el PVP contribuyen a aumentar la densidad electrónica en el orbital de los iones plata comparado con el átomo de oxígeno del agua, permitiría que el complejo de los iones plata con el PVP pueda obtener electrones más fácilmente que el sistema de iones plata con agua. De acuerdo a esto la presencia de PVP asegura la reducción de los iones plata en el complejo. (14) 32 1.7 Preparación de nanopartículas de plata por reducción termal y por reducción con borohidruro de sodio El método más común para sintetizar las nanopartículas de plata de manera estable es la reducción química de iones plata con diferentes estabilizadores como son polímeros y surfactantes. Algunos de estos son Pirrovinilpirrolidona (PVP) y polyvinyl alcohol (PVA), ya que atraen considerablemente la atención por sus excelentes propiedades físicas y químicas que haciéndolo buen material para recubrimiento o como un aditivo a materiales diferentes. El PVP actúa no únicamente como agente estabilizador sino también impacta en el control de la velocidad de reacción de los iones plata y el proceso de agregación de los átomos de plata. (15) 1.7.1 Síntesis de nano partículas de plata por reducción térmica 5 g de PVP se disuelven en 250 mL de agua desionizada bajo agitación a temperatura ambiente. Diferentes cantidades de nitrato de plata se utilizan (0.025,0.05 y 0.1 g) se disolvieron en 0.5 mL de agua se adicionan gota a gota bajo agitación a 25 mL de PVP al 2 % consiguiendo una concentración final de nitrato de plata en la solución igual a 0.98, 1.96 y 3.92 mg/ mL. La solución preparada se calienta por 1 h a 100 °C en la obscuridad. El color de la solución depende de la concentración de Ag y varía de negra a amarilla a marrón. La solución PVP/AgNPS obtenida es estable por un mes.(15) 33 1.8 ¿Qué es un plasmón?, y su relación con la absorción UV-Visible de las nanopartículas metálicas. Cuando un gas está fuertemente ionizado, en estado de plasma, los portadores de carga libres pueden interaccionar fácilmente con la radiación electromagnética de baja frecuencia oscilando en resonancia con ésta, produciéndose así un fenómeno vibratorio típico de los plasmas, conocido como plasmón.(16) Debido a la naturaleza característica de los metales, el interior de estos (bulk)viene a ser en muchos casos y con gran aproximación, un “plasma sólido” en el que los átomos pueden ser considerados como puntos masivos fijos con carga positiva neta mientras una “sopa de electrones libres” lo baña todo, estrictamente hablando los plasmones bulk (o masivos) son ondas cuantizadas de una colección de electrones móviles que son producidas cuando una gran cantidad de estos son perturbados respecto de sus posiciones de equilibrio y vibran a una frecuencia característica dada.(16) Se conocen como plasmones de superficie localizados a las oscilaciones colectivas de electrones restringidos en pequeños volúmenes metálicos. Para que este fenómeno ocurra, la partícula tiene que ser mucho menor que la longitud de onda de la luz incidente. El campo eléctrico oscilante de la luz incidente induce un dipolo eléctrico en la partícula desplazando a una parte de los electrones móviles deslocalizados en una dirección lejos del resto de la partícula metálica, generando así una carga neta negativa en un lado de la partícula. Como el resto de los núcleos y sus electrones internos no se han desplazado, constituyen una carga opuesta positiva (red catiónica). Esta separación de cargas actuará como una fuerza restauradora del equilibrio. 34 En partículas pequeñas se produce un dipolo, pero en partículas grandes (a partir de 30 nm) se produce un cuádruplo y en general multipolos, lo que determina una situación bastante compleja. (16) 1.9 Estabilización de nanopartículas metálicas Antes de comenzar con la descripción de los métodos de síntesis un aspecto general y crucial se podría considerar a la medida por la cual las partículas metálicas son estabilizadas en un medio de dispersión, como las partículas de metal pequeñas son inestables con respecto a la aglomeración del granel. Por una distancia interpartícula corta una partícula puede ser atraída por otra fuerza de Van der Waals y en la ausencia de una fuerza de repulsión que contrarreste esta atracción, un sol no protegido puede coagular. Esta interacción contraria puede ser lograda por dos métodos, nombrados estabilización electrostática y estabilización estérica. En una solución clásica de oro se rodea por una doble capa eléctrica formada por el citrato absorbido, iones cloruro y cationes que son atraídos por las partículas. Esto da como resultado una repulsión Coulombica entre las partículas. (17) Una mínima energía potencial a una distancia moderada define una disposición estable de partículas la cual es fácilmente interrumpido por efectos del medio y a temperaturas normales, por el movimiento térmico de las partículas, por lo tanto si el potencial eléctrico asociado con la doble capa es suficientemente alta la repulsión electromagnética puede prevenir la aglomeración de partículas, sin embargo un sol estabilizado 35 electrostáticamente puede coagular si la fuerza iónica del medio de dispersión se incrementa lo suficiente.(17) Si la fuente de carga es reducida por el desplazamiento de los aniones absorbidos por una fuerte banda de absorción neutra. Las partículas pueden colisionar y aglomerarse por la influencia de las fuerzas de atracción de Van der Waals. Este fenómeno puede demostrarse fácilmente por la adición de piridina a un sol de oro del tipo antes mencionado. (17) Regularmente en medio orgánico en el cual el efecto electrostático puede no ser normalmente considerado importante, el desarrollo de carga puede ser demostrado en fuentes inorgánicas, incluyendo metales, en contacto con fases orgánicas como son solventes. Por ejemplo la adquisición de carga por partículas de oro en líquidos orgánicos pueden ser demostrados, la señal y magnitud de la carga encuentra una variante como una función de las propiedades donadoras de el líquido por eso regularmente para metales coloidales en suspensión de líquidos relativamente no polares la posibilidad puede no ser excluida de que la estabilización electrostática contribuya a la estabilidad del sol no obstante la estabilización electrostática de las nano partículas metálicas es bastante débil y nunca permite el aislamiento de estas nanopartículas como sólidos sin agregación extendida y regular la formación del metal compuesto. (17) Una segunda y mucho mejor medida para prevenir la agregación de las nanopartículas se basa en el efecto estérico. Y ocurre por la adición de polímeros y surfactantes en la superficie de las partículas. Los polímeros son ampliamente utilizados y está claro que el protector con el fin de funcionar efectivamente, no solo deben coordinar a la superficie de la partícula, sino 36 también deben ser adecuadamente solvatados por el fluido dispersante como polímeros con terminación (amfifilicos). (17) La elección de los polímeros se determina por la consideración de la solubilidad del metal precursor, la elección del solvente, y la habilidad del polímero para estabilizar las nanopartículas metálicas. Antes de la llegada de la química de los polímeros sintéticos, los polímeros naturales como son gelatina y agar se usaban. Estabilizadores relacionados como acetato de celulosa, nitrato de celulosa y ciclo dextrina son usados más recientemente. Otros estudios se han realizado sobre la capacidad relativa de los polímeros para actuar como estabilizantes estéricos. Parece que entre los polímeros sintéticos considerados por este efecto están el polivinilpirrolidona (PVP) y polivinil alcohol (PVA) que son especialmente útiles a este respecto. (17) 1.10 Absorción de especies inorgánicas espectrofotometría UV- visible. Algunos aniones inorgánicos presentan bandas de absorción ultravioleta que son resultado de electrones no enlazantes que se excitan. Entre los ejemplos están los iones nitrato (313 nm), carbonato (217nm) nitrito (360 nm y 280 nm), azida (230 nm) y tritiocarbonato (500nm). (18) En general, los iones y complejos de elementos en las dos primeras series de transición absorben bandas anchas de radiación visible en por lo menos uno de sus estados de oxidación y, como resultado, son de colores, en este caso, la absorción involucra transiciones entre orbitales “d” llenos y no llenos con energías que dependen de los ligandos enlazados a los iones metálicos. Las diferencias de energías entre estos orbitales “d” y, por tanto, la posición del máximo de absorción correspondiente, dependen de la posición del 37 elemento en la tabla periódica, de su estado de oxidación y de la naturaleza del ligando unido a el. (18) Los espectros de absorción de iones de las series de transición de los lantánidos y actínidos difieren de manera notable de los que se muestran en los de los elementos de transición. Los electrones que se ocupan de la absorción en estos elementos (4f y 5f, respectivamente) están protegidos contra influencias externas por medio de electrones que ocupan orbitales con números cuánticos principales más grandes. Entonces, las bandas tienden a ser angostas y relativamente no se ven afectadas por la especie unida mediante los electrones externos. (18) 1.11 Microscopia electrónica de transmitancia Para la caracterización del analito se utilizó microscopia electrónica de transmitancia (MET por sus siglas en ingles) el desarrollo de la microscopía óptica o de luz fue evolucionando de manera importante desde su aparición. Fue hasta el año 1931 cuando se alcanzó a obtener, con la ayuda de otra generación de microscopios, una resolución 1000 veces mayor que la de un microscopio óptico; a ésta generación se le conoce como microscopía electrónica y fueron los físicos Max Knoll y Ernst Ruska en Alemania. Quienes dieron a conocer el MET, posteriormente, en el año 1938, Manfred von Ardenne construyó el primer microscopio electrónico de Barrido (SEM, por sus siglas en inglés). (19) El desarrollode la microscopía electrónica permitió, entre otras cosas, alcanzar el nivel de resolución espacial que muchos investigadores de diversas disciplinas demandaba, y fundar una rama de investigación que a 38 pesar de ser relativamente joven, ha avanzado de una manera vertiginosa en la ciencia contemporánea, esta técnica se ha convertido en una fuente inagotable de información y desarrollo, no solo por la resolución alcanzada, sino también por las capacidades de análisis de las técnicas asociadas a un microscopio electrónico moderno, como son la espectroscopia por dispersión de energía de rayos X(EDS de sus siglas en inglés) por su capacidad de proporcionar información morfológica, topográfica, química, cristalina, eléctrica y magnética de los materiales, la han convertido en herramientas indispensables en el dominio de la física del estado sólido, ciencia de materiales, electrónica, polímeros, metales, textiles, biología, medicina, etc. El futuro de esta técnica es muy prometedor debido a su desarrollo tecnológico en la última década del siglo XX, alcanzando un poder de resolución de hasta 0.1 mm en un MET y 1.5 mm en un SEM, este último con la posibilidad de trabajar con la presión controlada, útil en la observación de muestras húmedas. (19) La diferencia principal entre microscopia electrónica y óptica es el uso de un “Haz” de electrones en lugar de luz para enfocar la muestra, consiguiendo aumentos de hasta dos millones de veces. Su diseño se basa en dos principios físicos, uno es el de dualidad onda-partícula predicha por Louis de Broglie en 1924, quien dedujo una ecuación (ʎ= h/p; h es la constante de Planck) que permite calcular la longitud de onda (ʎ) esperada para una partícula de masa m con momentum p (p=mv). En microscopía electrónica m representa la masa de un electrón y ʎ adquiere valores en el intervalo 0.388- 0.00193nm, dependiendo del voltaje de aceleración de los electrones. (15) 39 El otro principio físico en el que se basa el diseño de un microscopio electrónico es la ley de Lorentz (F=e(VXB), lo cual indica para este caso, que un electrón viajando con velocidad “V” dentro de un campo magnético “B”, experimenta una fuerza que hace que el electrón describa una trayectoria helicoidal alrededor de las líneas del “B”. De esta manera un microscopio electrónico está constituido por lentes electrostáticas y electromagnéticas que desempeñan el mismo papel que una lente de vidrio para el caso de un microscopio de luz. (19) 1.12 Espectroscopia de infrarrojo cercano y medio Para la caracterización se leyeron las muestras al IR obteniéndose así los espectros de la muestra y el blanco de la solución. La región del infrarrojo (IR), desde el punto de vista analítico, reagrupa una variedad de métodos no destructivos de identificación y determinación basados en la absorción o la reflexión, por parte de la muestra, de radiaciones electromagnéticas comprendidas entre 1-50 µm. esta banda espectral se divide en IR cercano (1-2.5 µm) e IR medio (2.5-5.0 µm). El IR medio es más rico en información acerca de la estructura de los compuestos examinados. De hecho, se utiliza para la identificación de moléculas orgánicas, ya que permite registrar una especie de huella digital. Para realizar estos tipos de análisis se dispone de una variedad de instrumentos, desde espectrofotómetros de transformada de Fourier hasta distintos analizadores industriales de tipo dispersivo o no dispersivo, especializados en la determinación de compuestos específicos (por ejemplo, análisis de gas), o que permiten realizar las medidas en continuo con sondas de 40 inmersión en las unidades de producción. La espectrometría infrarroja es por transformada de Fourier, que reemplaza al método dispersivo inicial, ofrece numerosas posibilidades en el tratamiento de espectros y permite aplicaciones en el análisis de estructuras en micromuestras (microanálisis infrarrojo). (20) En el IR cercano y medio, la absorción de la radiación por la materia tiene su origen en la interacción entre las radiaciones de la fuente luminosa y los enlaces químicos. Más concretamente, los átomos situados en dos extremos de un enlace están afectados por un movimiento de vibración, uno en relación al otro, y que si son diferentes forman un dipolo eléctrico que oscila a esta misma frecuencia. Si se irradia un determinado enlace no simétrico con una fuente luminosa monocromática, cuya frecuencia sea la misma que la frecuencia de vibración, se producirá una interacción con el dipolo eléctrico del enlace. (20) Dicho de otro modo, el componente eléctrico de la onda podrá transmitir su energía al enlace a condición de que exista concordancia entre su frecuencia mecánica de vibración y la frecuencia electromagnética de la radiación. Esta aproximación simplificada explica el hecho de que en ausencia del dipolo permanente de enlaces no polares, como es el caso de moléculas como O2, N2, Cl2, no exista acoplamiento con la onda electromagnética y que no se produzca ninguna absorción de energía. A estos tipos de enlace se les denomina transparentes en el IR medio. (20) Los instrumentos se clasifican en dos categorías los espectrómetros de transformada de Fourier, que realizan un análisis simultáneo de toda la banda espectral a partir de medidas interferométricas y los numerosos 41 analizadores especializados .en el IR cercano puede usarse igualmente algunos espectrómetros de tipo dispersivo. (20) 1.13 Escalas o patrones Mc Farland Técnica basada en turbidimetria, la escala se basa en la capacidad de precipitación del Cloruro de Bario en presencia de ácido sulfúrico y su utilidad, es la de poder elaborar suspensiones bacterianas ajustadas a un patrón y valorando su concentración, para esto se toma una alícuota de la muestra de bacterias y se inocula en un tubo conteniendo solución salina fisiológica (0.85%) el objetivo es lograr ajustar una concentración de bacterias a uno de los patrones preparados al 0.5% de la escala de Mc Farland se elaboran 10 estándares, y por espectrofotometría se crea una recta patrón con la cual se va a poder determinar la concentración de las diluciones bacterianas elaboradas. La información arrojada es aproximada ya que la lectura depende de factores como el tamaño de la bacteria y la formación de agrupaciones. En este estudio se preparó una curva y se tomó el estándar al 0.5% de la escala de Mc Farland para ajustar la turbidez de cada bacteria a este estándar antes de inocular las cajas con Muller Hinton para tener una concentración aproximadamente igual en turbidez al estándar en cada muestra de bacterias en cada caja. (21) 42 1.14 Características de las Artemias sp El género Artemia sp comprende una serie de especies que se encuentran distribuidas ampliamente en el mundo, es un organismo único que tiene la capacidad de adaptarse a condiciones cambiantes del medio con respecto a la salinidad la cual puede ir desde concentraciones menores de 10 UPS hasta 340 UPS, este camarón de salmuera como es conocido se ve favorecido a estas condiciones debido a la ausencia de depredadores y competidores de alimento permitiendo con ello que su desarrollo (nauplio adulto) sea exitoso bajo estas condiciones extremas de salinidad y en algunos casos con densidades altas debido a la presencia de una halo bacteria y micro algas que resisten estas condiciones adversas. (22) 1.14.1 Toxicidad en Artemias sp El bioensayo en Artemias sp (Fig.10)se realiza para evaluar diferentes actividades, en compuestos bioactivos a dosis más bajas, que la toxicología, mientras que la letalidad de un organismo simplemente puede ser utilizada para detectar y guiar el fraccionamiento de los extractos, considerando valores menores de1.000 ppm como bioactivos. Fig.7Nauplio deArtemiasp (23) . 43 Es la primera prueba realizada desde 1982, y se ha utilizado para el aislamiento in vivo, la inhibición de los huevos también se ha estudiado. Por medio de esta técnica podemos determinar la concentración letal media (CL50), en ppm de extractos en un medio salino, se han utilizado en ensayos o análisis de residuos de pesticidas, micotoxinas, anestésicos, toxinas dinoflagelares, toxinas en ambiente marino, compuestos químicos en muestras ambientales, toxinas naturales presentes en alimentos, productos farmacéuticos y toxicidad dispersa del aceite, debido a que la larva de este crustáceo es altamente sensible a una gran variedad de sustancias químicas y extractos de plantas. 44 II. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA Uno de los principales problemas con el tratamiento de antimicrobianos es que las bacterias presentan resistencia, y estos pierden su eficiencia por lo que es importante evaluar la efectividad bactericida de las nanopartículas como una alternativa a este problema. 45 III.OBJETIVOS 3.1 Objetivos generales Evaluar el efecto bactericida de una solución de nanopartículas estabilizadas, en bacterias Gram positivas y Gram negativas. 3.2 Objetivos particulares Sintetizar soluciones de nanopartículas de plata estables, y verificar su estabilidad mediante; Infrarrojo, MET, UV-Vis. Determinar si las nanopartículas de plata tienen efecto bactericida en las bacterias elegidas como material biológico Demostrar que no hay efecto tóxico en las concentraciones utilizadas en el modelo de Artemias sp. 46 IV. HIPÓTESIS Las nanopartículas de plata son agentes antimicrobianos de amplio espectro que impiden el crecimiento bacteriano al interactuar con el metabolismo de las bacterias aumentando la inhibición, por lo que a las concentraciones de nanopartículas de plata utilizadas en el experimento se espera no presenten toxicidad a las concentraciones utilizadas en el modelo de Artemiassp. 47 V. DISEÑO EXPERIMENTAL PROSPECTIVO TRANSVERSAL 5.1 Población de estudio Material biológico bacterias Que fueron proporcionadas por los laboratorios de Microbiología Farmacéutica, y de producción de la FES Zaragoza de la UNAM, y elIMSS HGZ No. 47“Vicente Guerrero”. Gram positivas Gram negativas Staphylococcusaureus ATCC 25923 Escherichia coli ATCC11229 Enterococcusfaecalis Pseudomonasaeruginosa Bacillussubtilis 5.2 Criterios de inclusión Gram positivas: Staphylococcus aureus ATCC 25923 Bacillussubtilis Enterococcusfaecalis Gram negativas: Escherichiacoli ATCC11229 Pseudomonasaeruginosa 5.3 Criterios de exclusión Bacterias anaerobias Medios de cultivo contaminados 48 5.4 Criterios de eliminación Bacterias con crecimiento microbiano no inoculadas. Cajas contaminadas después de realizar la prueba de esterilidad. Cajas con crecimiento bacteriano diferentes géneros. 5.5 Variables Cepa bacteriana. Concentración de nanopartículas. Tipo de medio de cultivo. Tipo de solución de nanopartículas. VI. MATERIAL Y MÉTODO 6.1 MATERIAL 6.1.1 Material y equipo para la síntesis de nanopartículas de plata - Pipetas volumétricas 2 mL. - Pipetas volumétricas 5 mL. - Matraz aforado 25 mL. - Matraz aforado 200 mL. - Matraz aforado 500 mL. - Matraz aforado 1000 mL. - Matraz balón 200 mL. - Matraz balón 1000 mL. - Bureta de 50 mL. - Pesa filtros. - Desecador. - Embudo de tallo largo. 49 - Probeta de 50 mL. - Probeta de 100 mL. - Vasos de precipitados 100 mL. - Estufa. - Soporte universal. - Pinzas de 3 dedos con nuez. - Pinzas para crisol. - Pinzas dobles de presión. - Termómetro -10 a 150 °C. - Espátula. - Guantes. - Agitador magnético. - Frascos ámbar. - Balanza analítica. - Parrilla agitación y calentamiento. 6.1.2 Reactivos para la preparación de nanopartículas de plata - Solución de AgNO3 al 0.1 M. - NaCl. - Metanol. - NaBH4. - PVP. - Tween 20. - Agua destilada. 50 6.1.3 Material y equipo para la lectura en UV-VIS para las nanopartículas de plata - Vasos de precipitados. - Piseta. - Espectro UV-Vis Perkin- Elmer lambda 2. - Celdas de cuarzo. 6.1.4 Reactivos UV-VIS -Solución de AgNO3 al 0.1 M. - Agua destilada. - Blanco solución de PVP, Tween 20. 6.1.5 Material y equipo para realizar la prueba de sensibilidad microbiana - Cajas Petri. - Tubos 16 X 125 mm ó 18 x 150 mm. - Tubos con tapa de rosca. - Matraces Erlenmeyer . - Mechero Fisher. - Tripie. - Algodón. - Gasas. - Asa bacteriológica. - Autoclave u olla de presión. - Incubadora . 51 - Termómetro -10 a150 °C. - Medios de cultivo. - Hisopos. - Pinzas. - Material biológico : Gram positivas Gram negativas Staphylococcus aureus ATCC 25923 Escherichia coli ATCC11229 Enterococcusfaecalis Pseudomonasaeruginosa Bacillussubtilis Reactivos - BaCl2. - H2SO4. 6.2 Metodología 6.2.1 Valoración de las soluciones de AgNO3 0.1 M 1. Pesar 2.5 g de NaCl grado reactivo. 2. Secar por 2 h en un pesa filtró a 110°C. 3. Colocar el pesa filtros en desecador. 4. Pesar 0.01 g de NaCl. 5. Colocar en un matraz Erlenmeyer. 6. Disolver con 5 mL de agua destilada. 7. Adicionar 5 mL de ácido acético. 8. Adicionar 50 mL de metanol. 52 9. Colocar 0.5 mL de SI. de eosina. 10. Titular con solución de Ag NO3 al 0.1M. 11. Agitar fuertemente con magneto. 12. Esperar el vire a rosa. Se realizaron dos soluciones de nanopartículas de plata (PVP, Tween 20). 6.2.2 Preparación de la solución de nanopartículas con Tween 20 1. Medir 100 mL de agua destilada. 2. Adicionar 10 mL Tween 20. 3. Adicionar 5 mL de Ag NO3 al 0.1 M. 4. Calentar a evaporación. 5. Adicionar 25 mL de NaBH4 al 0.66 M lentamente. 6. Agitar vigorosamente (con magneto). 7. Calentar hasta que la solución se torne a un color amarillo. 8. Retirar de la parrilla. 9. Aforar a 200 mL. 10. Llevar a un frasco ámbar con tapa de baquelita y colocar en un lugar obscuro. 11. Rotular (día-mes-año). 6.2.3. Preparación de la solución de nanopartículas con PVP 1. Pesar 2 g de PVP. 2. Adicionar a un matraz de 50 mL. 3. Aforar con agua destilada. 4. Pesar 0.3783 g NaBH4 (0.2M). 53 5. Adicionar en un matraz de 50 mL. 6. Aforar con agua destilada. 7. En un matraz balón (provisto de placa de agitación y conteniendo agitador magnético). 8. Se adicionan 20 mL de PVP al 4%. 9. Agitar vigorosamente. 10. Agregar 100 mL de AgNO3 al 0.1M gota a gota. 11. Agregar lentamente 38mL NaBH4 (0.2M). 12. Agitar vigorosamente por una h. 13. Aforar a 500 mL. 14. Guardar en un frasco ámbar con tapa de baquelita, en un lugar obscuro. 6.2.4 METODOLOGÍA PARA EVALUAR LA TOXICIDAD 6.2.4.1 Metodología para la preparación de huevecillos de Artemia sp 1. Armar el dispositivo de incubación (contiene una cámara obscura, dispuesta de una bomba de aire para pecera, y un foco sumergible),como se muestra en la (Fig. 17). 2. reparar 400 mL de agua de mar artificial. 3. Pesar 12.2 g de sal de mar. 4. Disolver con agua corriente. 5. Adicionar 2 gotas de anticloro. 6. Reposar 5 min. 54 7. Colocar la solución anterior en la pecera de incubación (obscura). 8. Colocar una cantidad de agua corriente en la pecera mayor. 9. Temperatura 26 – 28 °C. 10. Dejar que se equilibre
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