IT202100000848A1 - Rivestimento antimicrobico multistrato rimovibile resistente all’acqua per superfici da contatto e suo metodo di preparazione - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione dal titolo:

?RIVESTIMENTO ANTIMICROBICO MULTISTRATO RIMOVIBILE RESISTENTE ALL?ACQUA PER SUPERFICI DA CONTATTO E SUO METODO DI PREPARAZIONE?

DESCRIZIONE

Sommario dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa ad un rivestimento multistrato con propriet? antibatteriche e anti-COVID utilizzabile in vari ambiti, tra i quali quello ospedaliero, che risulta facilmente depositabile su superfici di diversa natura mediante spruzzatura ed in grado di fornire una barriera rimovibile efficace contro patogeni e batteri, il quale rivestimento, resistente all?acqua, ? caratterizzato dal fatto che utilizza, come agente antibatterico e anti-COVID, nanoparticelle di grafene depositate mediante spruzzatura sulla superficie di un materiale polimerico come strato ospite per favorirne la dispersione e l?uniforme distribuzione superficiale, detto materiale polimerico essendo direttamente adeso per spruzzatura alla superficie da rivestire o spruzzato su un secondo polimero, a sua volta spruzzato sulla superficie da rivestire, che viene utilizzato come elemento per promuovere l?adesione del primo polimero costituente il rivestimento antibatterico e anti-COVID a detta superficie da rivestire.

Secondo la presente invenzione quindi, in generale, il rivestimento che si descrive ? composto da un primo polimero ospitante avente due funzioni : una prima funzione che ? quella principale di favorire la ottimale dispersione e distribuzione superficiale delle nano particelle di grafene, senza permetterne l?inglobamento totale nella matrice polimerica, costituendo cos? un secondo strato,; e una seconda funzione che ? quella di garantire l?adesione alla superficie da rivestire, favorendo la formazione di un film continuo.

A seconda della superficie su cui ? applicato tale primo polimero, pu? rendersi necessario l?utilizzo di un secondo polimero, in sostituzione od in azione combinata con il polimero ospitante, in modo che siano garantite al contempo la creazione della barriera di nanoparticelle, l?adesione alla superficie da rivestire, e la creazione di un film continuo resistente all?acqua.

Il rivestimento pertanto, a seconda della tipologia della superficie da proteggere, pu? risultare a doppio strato (film polimerico su cui sono distribuite per spruzzatura le nano particelle per le loro propriet? antibatteriche e anti-COVID, una volta che tale film ? adeso sulla superficie da trattare) o multistrato,(costituito da detto film polimerico destinato ad incorporare sulla sua superficie le nano particelle antibatteriche e anti-COVID, il quale film polimerico viene sovrapposto per spruzzatura su un secondo film polimerico il quale, per la sua eccellente capacit? di adesione sulla superficie da trattare, viene spruzzato direttamente sulla superficie da trattare per ricoprirla completamente.

L?invenzione riguarda anche il metodo per realizzare tale rivestimento.

Campo dell?invenzione

La presente invenzione riguarda un rivestimento multistrato a matrice polimerica con nano materiali adatto all'utilizzo come barriera antimicrobica e anti-COVID rimovibile, resistente all?acqua. In particolare, l?invenzione fornisce un metodo per trasformare uno strato polimerico, atto a rivestire una superficie nosocomiale o simile di diversa natura, in una barriera in grado di impedire lo sviluppo di batteri ed eliminare gli agenti patogeni a contatto diretto con essa, utilizzando tale strato polimerico come strato ospite di una dispersione superficiale di nanoplacchette di grafene, che esplicano attivit? antimicrobica e anti-COVID (A.K. Srivastava et al, ?Potential of graphene-based materials to combat COVID-19: properties, perspectives, and prospects?, Materials Today, Chemistry 18 (2020) 100385; V. Palmieri et al., ?Can graphene take part in the fight against COVID-19??, Nano Today 33 (2020) 100883), preferibilmente tramite spruzzatura, evitando un loro completo inglobamento.

Come materiale anti batterico/anti-COVID innovativo, le nano-placchette di grafene hanno il vantaggio, se confrontate con altri agenti antimicrobici, di avere un basso grado di citotossicit? ed una buona compatibilit?. Esse inoltre mostrano un?elevata attivit? antibatterica se confrontate con altri nano materiali a base grafene.

E? una caratteristica del trovato il fatto che il coating assuma anche la forma di un rivestimento a doppio strato od a strato multiplo.

E? una caratteristica del trovato l?utilizzo come strato ospitante di due specifici polimeri selezionati in quanto entrambi biocompatibili ed atossici, ed entrambi impiegati come binder (legante) per le nano-particelle di GNP e ZnO, al fine di garantirne una buona adesione al substrato.

Il primo polimero utilizzato, di seguito indicato come polimero 1 o POL1, ? il Polycaprolactone (PCL), un polimero semicristallino con un punto di fusione basso, pari a circa 60?C ed una temperatura di transizione vetrosa di circa -60?C, che presenta un'eccellente adesione su superfici in resina ed in tessuto.

Il secondo polimero utilizzato, di seguito indicato come polimero 2 o POL2, ? il Polyvinylpyrrolidone (PVP) che presenta invece un'eccellente adesione sulle superfici metalliche.

Entrambi i polimeri presentano una scarsa solubilit? in acqua.

L?invenzione inoltre si riferisce allo sviluppo di un processo di produzione e di applicazione per spruzzatura del detto coating su una superficie costituita da materiali comunemente utilizzati negli ospedali: metallo, tessuto e resina (plastica).

Stato dell?arte

La proliferazione di batteri antibioticoresistenti rappresenta un problema significativo che interessa ogni ambiente ospedaliero ed aumenta la probabilit? di sviluppo di infezioni nei pazienti ricoverati, durante la loro ospedalizzazione.

Una delle possibili cause di infezioni da agenti patogeni avviene mediante il contatto diretto del corpo del paziente con le superfici nosocomiali che vengono toccate frequentemente o con le strumentazioni ospedaliere. In tale contesto, l?utilizzo di nanomateriali per la realizzazione di trattamenti superficiali antibatterici pu? rappresentare una soluzione innovativa a questo tipo di problema.

Negli ultimi anni si ? riscontrato un interesse sempre crescente nei riguardi di materiali polimerici con propriet? migliorate, che mostrano un elevato potere antimicrobico, data la continua necessit? di un miglioramento della qualit? della vita. I possibili campi di applicazione di tali materiali comprendono, ad esempio, il settore tessile, il settore dell?imballaggio alimentare o quello dei dispositivi medici, il cui utilizzo ? finalizzato alla prevenzione delle infezioni.

L?impiego di nano e micro-particelle antibatteriche di natura inorganica presenta numerosi vantaggi rispetto a quelle organiche, tra cui una migliore resistenza al calore, un?elevata stabilit? chimica, una maggiore sicurezza nel loro utilizzo ed un periodo di azione pi? elevato.

Il Policaprolattone (PCL) ? un polimero semicristallino con un punto di fusione basso, pari a circa 60?C ed una temperatura di transizione vetrosa di circa -60?C. Il PCL ? un poliestere alifatico sintetico, non tossico, che viene utilizzato per applicazioni biomediche come mezzo per il rilascio di farmaci, in quanto, quando si trova all'interno del corpo umano, risulta completamente degradabile. Gli additivi micro-dimensionali sono stati utilizzati come un?efficace strategia per alterare e migliorare le propriet? del PCL. Vari tipi di filler, come argilla, nanotubi di carbonio, silice, idrossiapatite e TiO2 sono stati incorporati all?interno del PCL per preparare micro-particelle.

Recenti scoperte scientifiche hanno dimostrato che i nanomateriali a base grafene mostrano grandi propriet? antimicrobiche e anti-COVID e questo senza esercitare un effetto citotossico rilevante sulle linee cellulari umane.

Tale effetto antimicrobico avviene mediante due principali meccanismi, quello di nano-lame, dovuto alla presenza di spigoli vivi, e quello dell?avvolgimento o dell?intrappolamento dei batteri, dovuto alla conformazione a film sottile flessibile delle nano-placchette di grafene (GNP).

Nel seguito vengono riportati i principali processi di produzione ed i materiali utilizzati per lo sviluppo di rivestimenti antimicrobici descritti nei documenti brevettuali fin ora pubblicati. In particolare, vengono elencati brevetti relativi allo sviluppo di differenti materiali con propriet? antibatteriche, e nello specifico quelli in cui sono stati sviluppati polimeri antibatterici o rivestimenti polimerici nano compositi collegati all?oggetto della presente domanda di brevetto. Tuttavia, si vuole sottolineare che in nessuno di questi ? stato presentato un polimero utilizzato come strato ospitante per le nanoplacchette di grafene, utilizzate in qualit? di agente antibatterico.

In U.S. Pat. No. US6120784 A viene descritto un rivestimento antibatterico/antivirale ed il relativo processo di produzione dello stesso. In tale coating l?agente anti-patogeno ? costituito essenzialmente da PVP-I e N-9. Numerosi sono per? gli inconvenienti: tale rivestimento non ? atossico per l?uomo e non coinvolge il grafene come agente antibatterico; il processo di produzione ? lungo, il coating non ? rimovibile, ed inoltre vengono utilizzati molti solventi pericolosi per la produzione del materiale costituente il rivestimento stesso.

In U.S. Pat. No. US20070231291 A1 viene presentato un agente antimicrobico polimerico prodotto sostituendo gli atomi di azoto nella struttura centrale della catena polimerica di polimeri etilenimminici. Questo brevetto tratta le formulazioni polimeriche modificando il numero di atomi di azoto, il materiale non ? completamente atossico per l?uomo ed ? difficile da produrre [13]. In U.S. Pat. No. US2005/0058682 A1 viene descritto un rivestimento resistente ai batteri da applicare su strumentazioni chirurgiche. Il rivestimento antimicrobico ? costituito da particelle antimicrobiche disposte in una matrice polimerica. Il brevetto ha alcune limitazioni, tra cui la lavorazione che avviene ad alte temperature, intorno a 371 ? C, e pu? essere applicato solo su superfici metalliche. Esso inoltre ? caratterizzato da uno spessore abbastanza elevato, compreso tra 0,1 e 5 mm e non ? rimovibile [14].

In China Pat. No. CN106727692A, viene mostrato un metodo di preparazione di uno rivestimento antibatterico a spruzzatura composto da differenti materiali nanocompositi, costituiti dal polimero PVP e da agenti antibatterici d?argento. In questo lavoro sono state utilizzate come agente antibatterico delle nanoparticelle d'argento; inoltre il processo di produzione ? costoso, lungo e complesso da eseguire [15].

Il brevetto China Pat. No. CN101189971A riguarda la produzione di un coating nanocomposito con agente antibatterico organico/inorganico. Il rivestimento antimicrobico nanocomposito ? stato prodotto mediante l?utilizzo di differenti polimeri e differenti nanoparticelle, impiegate come agente antibatterico. Il processo di produzione ? pericoloso in quanto il composito si ottiene dalla pirolisi di polimeri e silani come accoppianti insieme a nanomateriali a base di argento o rame [16].

In German Pat. No. DE200610006675 viene descritto un materiale composito antimicrobico multiscopo che viene prodotto mediante pirolisi di nanomateriali contenenti argento o rame ed una miscela di polimeri siliconici ed agenti bulk. Il processo di produzione ? difficile in quanto esso avviene ad alta temperatura: il processo di pirolisi infatti avviene tra i 500 e i 1200 ?C.

In tutti questi documenti riguardanti l?impiego di polimeri antibatterici o rivestimenti polimerici nano compositi non si fa alcun cenno all?uso di grafene come agente antibatterico.

Per contro, i brevetti in cui viene utilizzato il grafene come agente antibatterico non utilizzano un materiale polimerico come strato ospite per le nanoparticelle. Nel seguito, viene presentato un riassunto di tutti i brevetti in cui viene utilizzato il grafene come agente antibatterico.

Il brevetto U.S. Pat. No. US9345797B2 riguarda lo sviluppo di un materiale antibatterico fototermico, in cui il metodo di sintesi del materiale (con propriet? antibatteriche) comprende tre fasi. Inizialmente, viene sintetizzato l?ossido di grafene, seguito dalla simultanea riduzione e funzionalizzazione con nanoparticelle magnetiche. Infine, viene modificata un'aldeide su materiale magnetico per la produzione di glutaraldeide magnetica funzionalizzata con grafene. L?attivit? antibatterica viene realizzata per mezzo di un meccanismo basato sulla propriet? fototermica del grafene. Il grafene viene funzionalizzato con aldeide allo scopo di catturare i batteri e con materiale magnetico al fine di migliorare la messa a fuoco dell'irraggiamento della luce. Il processo non ? atossico per l?uomo a causa dell'uso di solventi pericolosi, inoltre, viene utilizzato solo per superfici metalliche e su aree limitate.

Il brevetto China Pat. No. CN106283878A riguarda il metodo di preparazione di un prodotto antibatterico e antistatico per superfici rugose che utilizza come antibatterico grafene decorato con argento e titanio. Il brevetto presenta alcuni svantaggi: il processo di produzione avviene ad alta temperatura, intorno a 900 ?C, vengono utilizzati degli acidi ed i tempi di produzione sono elevati.

Nel brevetto China Pat. No. CN106811967A l'invenzione appartiene al settore tecnico della fabbricazione di prodotti di filatura e si riferisce ad un metodo di preparazione di un rivestimento antibatterico a base di ossido di grafene. Questo brevetto presenta non pochi svantaggi,: viene utilizzato un agente di accoppiamento come il silano per garantire l'adesione tra grafene e tessuto; richiede tempo per la sua produzione; ed il metodo che descrive pu? essere applicato solo su tipologie limitate di tessuti/materiali.

Il brevetto China Pat. No. CN105647254B descrive un rivestimento antibatterico a base grafene. Il processo per? non ? atossico per l'uomo a causa dell'uso di solventi pericolosi ed ? un processo che richiede molto tempo.

Nel brevetto China Pat. No. CN108948806A il rivestimento antibatterico acquoso a base grafene ? stato prodotto da una miscela di resina epossidica acquosa, resina acrilica acquosa e poliuretano acquoso da cui vengono prodotti nanocompositi polimerici.

Questo rivestimento non ? atossico per l?uomo, inoltre, la temperatura di processo ? di circa 180 ?C, e ci? rende la produzione complessa, se paragonata all?oggetto della presente domanda di brevetto.

Oltre ai documenti brevettuali ora citati, lo stato dell?arte presenta alcune pubblicazioni scientifiche che si possono collegare in qualche modo all?oggetto della presente invenzione:

Zhipo Zhao, et al 2019 riporta il metodo di fabbricazione di un coating antibatterico composito a matrice di alluminio caricato con nanoparticelle di grafene e d?argento. Questo rivestimento antibatterico a matrice metallica evita gli inconvenienti propri dei rivestimenti organici, e pu? essere utilizzato sia su superfici ospedaliere che in casa o nei laboratori. D'altra parte, il metodo di preparazione presenta delle criticit?: infatti la produzione avviene ad alte temperature, intorno a 300 ?C, e richiede tempo. Vengono utilizzate particelle metalliche, come alluminio e argento, ed ? possibile applicare il coating solo su superfici limitate.

Il lavoro di ricerca ?Antibacterial Graphene oxide coatings on polymer substrate?, presentato da Yiming Liu, et al. 2018, illustra la produzione di rivestimenti di ossido di grafene su substrato di gomma siliconica, ed ? stata studiata la loro attivit? antimicrobica nei confronti dei batteri E. coli e S. aureus. Tuttavia, vengono utilizzati diversi solventi pericolosi ed agenti di accoppiamento, come il silano, ed alcuni acidi, utilizzati per modificare la superficie di grafene.

Wei Shao, et al. 2015, ha lavorato all?articolo scientifico dal titolo "Preparation, Characterization, and Antibacterial Activity of Silver Nanoparticle-Decorated Graphene Oxide Nanocomposite?. Questa attivit? di ricerca ha riguardato la produzione di un nanocomposito di ossido di grafene decorato con nanoparticelle di argento uniformi (AgNPs). Come altri lavori di ricerca, il processo di produzione ? lungo, costoso e non ? utilizzabile come rivestimento per il ricoprire delle superfici.

Studi molto recenti hanno evidenziato l?efficacia anti-COVID di nanostrutture a base grafene (A.K. Srivastava et al, ?Potential of graphene-based materials to combat COVID-19: properties, perspectives, and prospects?, Materials Today, Chemistry 18 (2020) 100385; V. Palmieri et al., ?Can graphene take part in the fight against COVID-19??, Nano Today 33 (2020) 100883).

Compito del trovato

Secondo la documentazione brevettuale e le pubblicazioni scientifiche ad oggi disponibili, i nanocompositi polimerici con propriet? antibatteriche presentano numerosi problemi sostanzialmente legati all?incorporazione delle nanoparticelle, utilizzate come agente antibatterico, all?interno della matrice polimerica. Per questo motivo, essi non sono in grado di esibire l?effetto antibatterico auspicato.

Compito del presente trovato ? quello di superare tale problema, fornendo una soluzione che permetta di incorporare un agente antibatterico/anti-COVID ad un materiale o tessuto, allo scopo di ottenere superfici antimicrobiche e anti-COVID che riducono il contatto e la diffusione dei microrganismi patogeni.

L'incorporazione di tali agenti antimicrobici e anti-COVID ? stata ottenuta rivestendo la superficie da proteggere con uno strato polimerico con funzione di ?ospite? e successivamente depositandovi sopra mediante spruzzatura delle nanoparticelle con propriet? antimicrobiche e anti-COVID.

Scopo del trovato ? anche quello di proporre un nuovo procedimento di fabbricazione di coating antibatterici e anti-COVID, basato sul metodo di deposizione mediante spruzzatura. A tale scopo ? stato utilizzato un polimero, con funzione di strato ?ospite?, depositato sulla superficie da trattare, sul quale sono state depositate, mediante spruzzatura, delle nanoparticelle con propriet? antimicrobiche e anti-COVID in modo da evitare un loro completo inglobamento.

Soluzione proposta

L?invenzione in oggetto riguarda il procedimento di produzione di un rivestimento innovativo con propriet? antibatteriche e anti-COVID, depositabile su differenti superfici mediante spruzzatura, per applicazioni di disinfezione di superfici nosocomiali. L?invenzione riguarda, inoltre, sia il procedimento di preparazione della superficie antibatterica e anti-COVID, in qualit? di rivestimento multistrato, sia il procedimento di successiva spruzzatura del coating sui differenti substrati. Il termine ?struttura multistrato?, cos? come usato nel seguito, si riferisce ad una progettazione del rivestimento in cui gli elementi costituenti vengono disposti su due o pi? strati successivi. I differenti strati vengono spruzzati sulla superficie da rivestire in base alle loro propriet? di adesione sullo specifico substrato considerato ed in base alle loro propriet? antibatteriche e anti-COVID.

Inoltre, i componenti attivi degli elementi costituenti il coating (cio? le nanoparticelle che conferiscono le propriet? antibatteriche e anti-COVID) possono essere disposti sulla superficie da proteggere considerando diverse combinazioni e quantitativi delle differenti tipologie di nanoparticelle, al fine di ottimizzare le propriet? finali del coating.

Nell?ambito delle sperimentazioni effettuate, il coating antibatterico e anti-COVID ? stato applicato su tre differenti superfici: metallo, plastica e tessuto.

Tale coating antibatterico e anti-COVID innovativo, depositato mediante spruzzatura, presenta le seguenti caratteristiche:

? Buona resistenza all'umidit?;

? Utilizzo del grafene come agente antibatterico e anti-COVID;

? Elevate propriet? antibatteriche;

? Buona adesione alla superficie da rivestire ; ? Utilizzo del PVP per garantire un?elevata adesione tra il metallo ed il polimero ?ospite? principale (PCL);

? Utilizzo, durante il processo di produzione, di solventi ecologici, come l?etanolo e l?acetone;

? Facile da produrre;

? Facile da applicare mediante spruzzatura;

? Procedimento di produzione veloce;

? Produzione a basse temperature;

? Rimozione facile e veloce con etanolo o acetone oppure frizionando con acqua in abbondanza; ? Economico

? Non tossico per l?uomo

Elenco figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, facendo riferimento alle tavole di disegni allegate in cui:

La Figura 1 mostra la configurazione del coating doppio strato su substrato di alluminio senza (a) e con (b) nano strutture.

La Figura 2 mostra il trattamento antimicrobico e anti-COVID oggetto della presente invenzione, spruzzato su sottile strato di PCL depositato su resina e tessuto.

La Figura 3 mostra delle immagini al SEM della superficie del materiale antimicrobico e anti-COVID disposto su differenti substrati.

La Figura 4 mostra il confronto tra le curve di viscosit? ottenute per il PVP in soluzione alcolica nelle due concentrazioni minima e massima, c1= 9% in peso e c2 = 15% in peso, considerate in questo studio.

La Figura 5 mostra il confronto tra le curve di viscosit? ottenute per campioni costituiti da soluzioni in acetone di PCL con concentrazioni crescenti, dalla minima alla massima considerate in questo studio: 3% in peso, 5% in peso e 7% in peso.

La Figura 6 mostra le curve di viscosit? misurate sullo stesso campione di PCL con concentrazione massima del 7% in peso, in intervalli temporali successivi. Tra la prima e l'ultima prova intercorrono 3200s.

La Figura 7 mostra un dettaglio dell?immagine al SEM della superficie del coating polimerico bistrato con nanoparticelle di GNP e di ZnO.

La Figura 8 ? una rappresentazione grafica degli angoli di contatto su differenti superfici.

La Figura 9 ? un?immagine al SEM della superficie antimicrobica e anti-COVID PCL+ nanorod di ZnO e GNP.

La Figura 10 mostra i valori degli angoli di contatto per diverse superfici antimicrobiche e anti-COVID con PCL su tessuto.

La Figura 11 mostra un?immagine e le caratteristiche tecniche del nastro adesivo #600 della 3M utilizzato per i test di adesione.

La Figura 12 mostra un?immagine AFM (sx) e profilo superficiale (dx) del binder (legante) polimerico PCL su substrato di tessuto.

La Figura 13 mostra un?immagine AFM (sx) e profilo superficiale (dx) del binder polimerico PCL su substrato di resina.

La Figura 14 mostra un?immagine AFM (sx) e profilo superficiale (dx) del binder polimerico PVP+PCL su substrato metallico.

La Figura 15 mostra delle immagini al SEM su substrato di alluminio prima del test (a) e dopo il test (b).

La Figura 16 mostra delle immagini al SEM su substrato di resina prima del test (a) e dopo il test (b).

La Figura 17 mostra delle immagini al SEM su substrato di tessuto prima del test (a) e dopo il test (b).

La Figura 18 mostra i test antimicrobici del binder polimerico oggetto della presente invenzione su superficie metallica contaminata da due differenti tipologie di batteri. Nell?immagine viene riportata la carica microbica di ogni campione considerando come 100% il valore della superficie rivestita solo dal binder polimerico al tempo zero.

La Figura 19 riporta la sopravvivenza delle cellule di S. aureus esposte a superfici di tessuto rivestite con il prodotto oggetto del presente brevetto, utilizzando differenti nanomateriali miscelati al binder polimerico a diverse tempistiche. Nell?immagine la carica microbica di ogni campione ? riportata considerando come 100% il valore del substrato tessutale rivestito solo dal binder polimerico al tempo zero.

La Figura 20 riporta i test antimicrobici del binder oggetto della presente invenzione su substrato resinico contaminato da due differenti tipologie di batteri. Nell?immagine la carica microbica di ogni campione ? riportata considerando come 100% il valore del substrato rivestito dal binder polimerico privo dei nanomateriali al tempo zero.

La Figura 21 riporta la valutazione dell?effetto antimicrobico del trattamento oggetto dell?invenzione depositato sulla superficie di provini di tessuto (a sinistra) e resina (a destra) in ambiente chiuso. I dati sono espressi considerando i substrati con solo polimero come controllo. P value < 0,05.

La Figura 22 riporta la valutazione dell?effetto antimicrobico del trattamento oggetto dell?invenzione depositato sulla superficie di provini di tessuto (a sinistra) e resina (a destra) nella UOC di odontostomatologia pediatrica. I dati sono espressi considerando i substrati con solo polimero come controllo. P value < 0,05.

Descrizione particolareggiata dell?invenzione Come gi? detto il trovato consiste in un rivestimento innovativo costituito da un coating polimerico su cui sono depositate per spruzzatura nanoparticelle di grafene e che presenta propriet? antibatteriche e anti-COVID. Nel prosieguo della descrizione viene illustrata, a titolo esemplificativo, l?applicazione del trovato su tre differenti tipologie di superfici.

Nello specifico, ? stato valutato il grado di inibizione batterica dovuto a nano-placchette di grafene e nano-rod di ossido di zinco - una particolare nanostruttura di ZnO caratterizzata da forma a bacchetta e diametro compreso tra 25 nm e 40 nm e lunghezza compresa tra 100 nm e 1 ?m spruzzati su un polimero ?ospite? a sua volta depositato su substrato di diversa natura: metallo, plastica e tessuto. Le sospensioni sono state applicate ai substrati mediante una tecnica di spruzzatura.

Il principale meccanismo antimicrobico esibito da tali nanostrutture si basa sulla perforazione della parete batterica. Questo meccanismo di danno ? tipico delle nano-placchette di grafene e dei nanofili di ossido di zinco.

L?attivit? antimicrobica del coating (rivestimento) ? stata valutata in relazione ai batteri Gram-positivi (Staphylococcus aureus) ed ai Gramnegativi (Pseudomonas aeruginosa), che rappresentano i principali patogeni associati alle infezioni nosocomiali.

I risultati ottenuti dal test effettuato tramite il metodo del ?colony forming units count? (CFU) evidenziano un ottimo comportamento antimicrobico dei coating oggetto del presente brevetto.

In generale il rivestimento oggetto della presente invenzione ? composto da un polimero ospitante la cui funzione principale ? quella di favorire la parziale dispersione delle nanoparticelle, senza permetterne l?inglobamento totale nella matrice polimerica.

Una seconda funzione del polimero ? quella di garantire l?adesione alla superficie da rivestire, favorendo la formazione di un film continuo.

A seconda della superficie su cui viene applicato pu? rendersi necessario l?utilizzo di un secondo polimero, in sostituzione o in azione combinata con il polimero ospitante, in modo che siano garantite al contempo sia la creazione della barriera di nanoparticelle, sia l?adesione alla superficie da rivestire, sia la creazione di un film continuo.

La prima fase dello studio ? stata finalizzata alla scelta dei polimeri.

Per la realizzazione del coating antimicrobico e anti-COVID sono stati utilizzati due differenti polimeri commerciali, la cui scelta dipende dalla tipologia di superficie su cui deve aderire il rivestimento antibatterico e anti-COVID, ovvero sia questa una superficie metallica piuttosto che una resina od un tessuto; detti polimeri sono entrambi biocompatibili ed atossici, e sono impiegati come binder (legante) per le nano-particelle di GNP e ZnO, al fine di garantirne una buona adesione al substrato.

Il primo polimero utilizzato, di seguito indicato come polimero 1 o POL1, ? il Polycaprolactone (PCL), un polimero semicristallino con un punto di fusione basso, pari a circa 60?C ed una temperatura di transizione vetrosa di circa -60?C e che presenta un'eccellente adesione su superfici in resina ed in tessuto.

Il secondo polimero utilizzato, di seguito indicato come polimero 2 o POL2, ? il Polyvinylpyrrolidone (PVP) che presenta un'eccellente adesione sulle superfici metalliche.

Il PCL presenta una scarsa solubilit? in acqua.

Il polimero 2 (i.e. PVP) ? stato disciolto in etanolo a temperatura ambiente (25?C) mediante l?utilizzo di un agitatore magnetico, mentre il polimero 1 (i.e. PCL) ? stato disciolto in acetone alla temperatura controllata di 30?C mediante l?utilizzo di un agitatore magnetico.

La scelta di solventi quali l?etanolo ed l?acetone ? stata suggerita dalla rapida evaporazione a temperatura ambiente che li caratterizza e dall?ottimo comportamento reologico dei due polimeri verso tali solventi, come verificato mediante prove reologiche apposite. Quest?ultimo aspetto garantisce ottime propriet? di spruzzabilit? delle miscele ottenute.

La seconda fase di studio ha riguardato la selezione delle nanostrutture utilizzate per la produzione dei trattamenti e l?ottenimento delle propriet? antimicrobiche e anti-COVID.

Le nanostrutture disperse nelle sospensioni attive sono di quattro diverse tipologie, e sono utilizzate in un range di concentrazione tra i 2 mg e 10 mg rispetto a 100 mg di solvente.

Dette nanostrutture sono:

(i) Nanoplacchette di graphene (GNP);

(ii) Nanorod di ossido di zinco (ZNO), dove con nanorod si indica un morfologia di oggetti su nanoscala con forma a bacchetta, in cui il diametro medio ? compreso tra 20 nm e 50 nm e la lunghezza ? compresa tra 100 nm e 1 ?m;

(iii) GNP decorati con nanorod di ossido di zinco (ZNG);

(iv) GNP ZNO.

La combinazione di GNP e ZNO ? stata considerata in sostituzione alle nanoplacchette di grafene decorate con nanorod di ossido di zinco, al fine di minimizzare i costi ed i tempi di produzione dei nanomateriali.

La fase successiva ha riguardato il processo di produzione del trattamento e la sua caratterizzazione attraverso microscopia SEM (scanning electron microscope), microscopia AFM (Atomic Force Microscopy) e prove funzionali (di adesione e antimicrobiche).

Per quanto riguarda la preparazione delle nanoparticelle per la spruzzatura, in un primo momento, il grafene intercalato ? stato espanso termicamente e successivamente sonicato per 20 minuti in acetone, mediante un sonicatore a sonda; successivamente le nanorod di ZnO sono state sonicate in acetone per 3 minuti, mediante un bagno ad ultrasuoni.

Come gi? detto, le superfici (altrimenti indicate come substrati nel seguito) sulle quali sono stati spruzzati i coating antibatterici e anti-COVID sono costituite da materiali che meglio rappresentano gli oggetti/dispositivi comunemente utilizzati negli ospedali: il metallo, il tessuto e la plastica o resina polimerica.

Per quanto riguarda il tessuto e la resina polimerica sono stati utilizzati campioni di substrati effettivamente utilizzati in ambiente ospedaliero; per i metalli ? stato utilizzato l?alluminio.

Infatti, le problematiche di adesione che si presentano sul substrato metallico, da parte di rivestimenti sottili di nanoparticelle anche con binder polimerico, sono ben diverse da quelle che si presentano su substrato di tipo plastico (quali i tessuti sintetici ed i substrati in resina polimerica).

Pertanto, al fine di mettere a punto e testare un rivestimento con le adeguate caratteristiche di adesione per substrato metallico, si ? deciso di effettuare i test su film metallico a base di alluminio, in quanto sufficientemente rappresentativi ai fini della soluzione delle problematiche di adesione.

Sono state realizzate diverse miscele di solvente e polimero con diverse concentrazioni di polimero, tra l?1% ed il 15% in peso, al fine di individuare la composizione ottimale che con il minimo contenuto di polimero consentisse la realizzazione di un film continuo, con buone propriet? di adesione sul substrato e buone caratteristiche di idrorepellenza.

Si sono ottenute ottime propriet? di adesione del polimero 1 sui substrati di tipo polimerico (il tessuto sintetico ed il substrato in resina) presentando anche ottime propriet? di idrorepellenza.

Si sono inoltre ottenute ottime propriet? di adesione su alluminio del polimero 2, ma le propriet? di idrorepellenza non sono risultate altrettanto buone.

Quindi per quanto riguarda le superfici metalliche, si ? scelto di operare sfruttando in modo combinato i due polimeri, esaltando quindi le propriet? di entrambi. Si ? realizzato cos? un film a due strati, sovrapponendo allo strato di alluminio prima il polimero 2, sfruttando la sua ottima adesione sul metallo, anche se scarsamente idrofobico, e poi sovrapponendo a questo strato di polimero 2, il polimero 1 utilizzato come binder, in modo da ottenere ottime caratteristiche di idrofobicit? ed ottima adesione sul substrato polimerico.

Le nanostrutture (GNP, ZNO o la combinazione delle due, o ZNG) sono state poi spruzzate sul film polimerico 1 che ha quindi funzione di coating adesivo per le nanoparticelle.

La figura 1 mostra la configurazione ottimizzata del bilayer di polimero 1 e polimero 2 con nanostrutture su substrato di allumino.

In particolare, mentre il polimero 1 presenta una buona adesione solo su tessuto e resina ed ha caratteristiche e propriet? tali da poter essere utilizzato come agente antimicrobico e anti-COVID (potendo inglobare sulla superficie GNP e nanorod di ZnO), il polimero 2 ha una buona adesione sull?acciaio ma presenta una scarsissima adesione su resina e tessuto.

Per quanto riguarda il rivestimento di superfici di resina o di tessuto, date le ottime propriet? di aderenza e di idrofobicit? del polimero 1 verso queste superfici, non si ? ritenuto necessario l?utilizzo di un secondo polimero.

Il polimero 1, che ha un'eccellente adesione sia su tessuto che sulla resina, ? stato utilizzato come binder ed ? stato depositato direttamente sul substrato. L?operazione di spruzzatura del polimero 1 ? stata eseguita in modo tale da garantire la realizzazione di una superficie omogenea ed assicurare una buona adesione delle nanoparticelle ad esso. Successivamente, sono state spruzzate le nanoparticelle GNP e ZnO (figura 2).

I campioni sono stati preparati spruzzando sui tre substrati differenti combinazioni di polimeri e nanostrutture. Sui campioni preparati a diverse concentrazioni di nanomateriali nel range 2-10 mg (solo polimero, polimero GNP, polimero GNP ZNO) sono state effettuate caratterizzazioni SEM, misure reologiche, test di bagnabilit? e prove di vitalit? batterica.

Di seguito sono riportate, a solo titolo esemplificativo ma non limitativo, alcune prove effettuate con una concentrazione di nanostrutture pari a 5 mg.

Le immagini ottenute dall?analisi SEM per i vari campioni preparati mostrano la superficie morfologica del substrato modificato mediante l?inserimento di nanoparticelle per scopi antimicrobici e anti-COVID.

Le immagini a) e b) in figura 3 mostrano la morfologia del polimero 2 applicato sul substrato di alluminio: come evidenziato da dette immagini, il polimero 2 risulta applicato sul substrato metallico in modo omogeneo ed uniforme, ricoprendone l?intera superficie. Sempre dalle immagini si evince che il polimero 2 presenta una superficie liscia ed idonea per la spruzzatura dello strato successivo (polimero 1).

Le immagini c) e d) della figura 3 mostrano la superficie morfologica del polimero 1 relativa alla configurazione multilayer (POL2+POL1+GNP+ZNO) su substrato di alluminio.

A conferma delle ipotesi fatte, l?analisi ha dimostrato che il polimero 1 ricopre omogeneamente l?intera superficie e le nanoparticelle depositate sono ben adese ad esso.

Inoltre, sulla base di quanto osservabile dalle immagini SEM, le nanoparticelle di GNP e ZnO sono state spruzzate in modo omogeneo sull?intera superficie.

Le immagini e) ed f) di figura 3 mostrano la superficie del polimero 1 con nanoparticelle di GNP+ZNO sul substrato in tessuto.

L?intera superficie del tessuto ? stata ricoperta omogeneamente dal polimero 1. Le nanoparticelle di GNP e di ZnO sono state anch?esse spruzzate in modo uniforme sul polimero 1 e risultano perfettamente adese ad esso.

Da un?indagine visiva dei rivestimenti prodotti si osserva che entrambe le tipologie presentano ottime caratteristiche di adesione al substrato. Il colore ? bianco trasparente. La presenza delle nanostrutture di grafene conferisce una leggera sfumatura di colore grigia.

Le misure reologiche sono state eseguite in regime rotazionale ed in controllo di shear rate (velocit? di taglio), utilizzando un reometro rotazionale Anton Paar MCR 302, equipaggiato con geometria a cilindri concentrici, disponibile presso l?SNN-Lab della Universit? di Roma ?La Sapienza?.

Il peculiare sistema di misura utilizzato consente lo studio del comportamento reologico delle soluzioni/sospensioni realizzate in un range di gradienti di velocit? molto elevato, in modo da poter simulare anche i valori di shear rate corrispondenti al processo di spruzzatura utilizzato. Le misure sono state eseguite su un minimo di tre campioni per ciascuna tipologia, nell?intervallo di shear rate tra 0,1 e 45000 s-1. Tutte le misure sono state eseguite a 23?C, controllando la temperatura tramite una cella Peltier integrata nella geometria inferiore del sistema di misura.

Le misure eseguite sul PVP solubilizzato in etanolo alla minima concentrazione del 9% in peso, che ha consentito di ottenere un film uniforme sul substrato metallico con ottime caratteristiche di adesione, hanno mostrato un comportamento di tipo pseudo-Newtoniano (viscosit? indipendente dallo shear rate) nell?intervallo di gradienti di velocit? investigato.

In particolare, la viscosit? della soluzione ? risultata variare tra 4,78 mPa?s, per i pi? bassi shear rate, per salire lievemente a 5,77 mPa?s, per gli shear rate pi? elevati (45000 s-1), evidenziando, quindi, la pressoch? virtuale indipendenza della viscosit? dallo shear rate.

Le misure eseguite sul PVP solubilizzato in etanolo con una concentrazione superiore (pari a 15% in peso), hanno mostrato un comportamento quasi perfettamente Newtoniano nell?intervallo di gradienti velocit? investigato.

In particolare, la viscosit? della soluzione ? risultata variare tra 6,52 mPa?s per i pi? bassi shear rate, per salire lievemente a 6,77 mPa?s al massimo shear rate imposto (45000 s-1).

In Fig.4 ? riportato un confronto tra le curve di viscosit? del PVP solubilizzato in etanolo alle due concentrazioni considerate (la minima e la massima compatibili con la realizzazione di un film uniforme che essicchi in pochi secondi).

Le misure eseguite sul PCL solubilizzato in acetone alla concentrazione minima del 3% in peso considerata in questo studio e sufficiente a generare un film uniforme e, con buon propriet? di adesione su substrato polimerico, hanno mostrato un comportamento lontano dal regime Newtoniano: in particolare, al crescere dello shear rate si osserva dapprima un aumento di viscosit? che poi diminuisce per gli shear rate maggiori, dopo aver raggiunto un massimo a 32000 s-1.

La viscosit? della soluzione varia tra 3,22 mPa?s ad inizio prova per salire fino al massimo di 14,08 mPa?s a 32000 s-1, fino a scendere, successivamente, fino a 4,48 mPa?s a 45000 s-1. L?aumento di viscosit? riscontrato per gli shear rate intermedi ? dovuto alla formazione di un film di polimero per separazione dal solvente organico, come mostrato in Fig.4.

Si ? prodotto quindi un nuovo campione nel quale il polimero 1 (PCL) ? solubilizzato in acetone ad una concentrazione maggiore e pari al 5% in peso.

Dalle analisi effettuate su questo campione si osserva un consistente aumento della viscosit? iniziale che raggiunge il valore di 12,94 mPa?s a 0,1 s-1. Anche in questo caso si osserva, al crescere dello shear rate, un aumento di viscosit?, che raggiunge un primo massimo di 19,23 mPa?s a 33000 s-1; successivamente la viscosit? decresce per poi aumentare nuovamente e raggiungere un secondo massimo, di intensit? inferiore rispetto a quello precedente e corrispondente a 17,85 mPa?s a 39800 s-1; infine la viscosit? decresce fino al valore finale di 15,87 mPa?s a 45000 s-1.

Infine, ? stato prodotto un terzo campione nel quale il polimero 1 ? solubilizzato in acetone in concentrazione pari al 7% in peso. La curva di viscosit? presenta la comparsa di un massimo, anche se, in questo caso, la viscosit? massima si registra per shear rate leggermente inferiori.

Il valore di viscosit? iniziale, a shear rate di 0,1 s-1, ? pari a 21,44 mPa?s risultando, come prevedibile, superiore ai campioni con concentrazioni inferiori di polimero in soluzione. Il massimo di 25,57 mPa?s si riscontra a 30000 s-1, valore leggermente inferiore agli shear rate registrati in corrispondenza ai massimi relativi dei campioni precedenti, mentre la viscosit? finale (a 45000 s-1) ? di 22,59 mPa?s.

In Fig.5 ? riportato un confronto tra le curve di viscosit? misurate per i tre campioni realizzati variando la frazione in peso di PCL in acetone.

Come gi? detto, soltanto nel caso del polimero 1 a concentrazione minima (3%) sul peso di solvente (acetone) si ? riscontrata la formazione di un film polimerico durante la misura reologica. Tuttavia, misure reologiche ripetute anche sui campioni a concentrazione maggiore, ad intervalli di 10? dal termine di ogni prova, hanno mostrato dapprima un innalzamento delle curve di viscosit? (con valori di viscosit? maggiori su tutto l?intervallo di shear rate) e successivamente, per l?ultima misurazione, la formazione di un film polimerico.

Le curve di viscosit? misurata sullo stesso campione alla concentrazione massima di polimero considerata (7%), ad intervalli successivi in cui ogni prova ha una durata totale di 200 s, sono mostrate in Fig.6.

Per la misura eseguita al tempo t0+40? (essendo t0 il tempo di inizio della prima prova), la formazione del film ? indicata da valori di viscosit? molto pi? elevati di quelli precedentemente rilevati. Questa formazione del film ? ben visibile nei risultati mostrati in Fig.6, ed ? imputata alla continua evaporazione di solvente nel corso delle misure.

Per quanto riguarda la bagnabilit? dei rivestimenti prodotti, i risultati della misura dell?angolo di contatto su differenti coating antimicrobici e anti-COVID, applicati sui tre substrati precedentemente descritti, sono di seguito riportati.

Test su substrato di alluminio e alluminio con rivestimento di polimero 2 polimero 1 e nano strutture

1? provino: substrato in alluminio rivestito con polimero 2 polimero 1

Lo strato di polimero 2 viene spruzzato per primo sul foglio di alluminio e successivamente viene spruzzato lo strato di polimero 1. La presenza del polimero 2 permette una buona adesione al substrato in Al.

Nella tabella 1 sono riportati i valori dell?angolo di contatto misurati sulle 5 gocce di acqua distillata.

Numero di goc- Angolo di contatto ?

ce (?)

1 70.68

2 73.76

3 72.90

4 73.46

5 74.70

Media 73.10

Tabella 1

2? provino: substrato in alluminio rivestito con polimero 2 polimero 1 GNP

Dopo aver spruzzato sul substrato i due binder (prima il polimero 2 e poi il polimero 1) il GNP viene distribuito sopra in modo uniforme. Il valore medio dell?angolo di contatto ? leggermente superiore rispetto al caso senza GNP. Anche in questo caso si osserva come la presenza del GNP aumenti il valore dell?angolo di contatto.

I risultati sono presentati in tabella 2.

Numero di goc- Angolo di contatto ? ce (?)

1 78.36

2 79.92

3 77.08

4 79.31

5 77.04

Media 78.34

Tabella 2

3? provino: substrato in alluminio rivestito con polimero 2 polimero 1 GNP e nanorod di ZnO La superficie antimicrobica e anti-COVID ? costituita da polimero 2 polimero 1 contenenti GNP e nanorod di ZnO. La superficie di polimero 2 polimero 1 GNP e nanorod di ZNO risulta maggiormente idrofobica di quella con solo GNP, anche se l?angolo di contatto si mantiene sempre inferiore a 90?. Tale effetto ? prodotto dal combinato disposto delle due tipologie di nanostrutture depositate sulla superficie del polimero, le nanoplacchette di grafene che sono notoriamente idrofobiche e i nanorod di ZnO che conferiscono una nano-rugosit? della superficie tale da determinare una leggera riduzione dell?energia di superficie che porta ad un au-

mento dell?idrofobicit? e quindi ad un maggior va-

lore dell?angolo di contatto [9,10].

I risultati sono presentati in tabella 3.

Numero di goc- Angolo di contatto ?

ce (?)

1 80.80

2 84.24

3 82.30

4 81.10

5 82.13

Media 82.11

Tabella 3

La morfologia del coating multistrato osserva-

ta al SEM (figura 7) conferma che GNP e ZnO sono

ben adese al binder polimerico e quindi al substra-

to in alluminio. La spruzzatura di GNP e ZnO risul-

ta uniforme ed omogenea sull?intera superficie.

I risultati ottenuti sono riportati nella fi-

gura 8 e mostrano l?ottima idrofobicit? del coating

con i nanomateriali utilizzati.

I risultati mostrati precedentemente indicano

che gli ZNO+GNP si distribuiscono uniformemente ed

in modo omogeneo sul binder in polimero 1 e questo

comporta una diminuzione dell?energia di superficie

in quanto esse ricoprono l?intera superficie polimerica. Di conseguenza il valore dell?angolo di contatto aumenta.

Test su substrato di tessuto sintetico e di tessuto sintetico con rivestimento di polimero 1 e nano strutture

Come ? stato gi? detto il polimero 2 non ha una buon adesione su substrati in tessuto ed in resina, a differenza del polimero 1, che aderisce perfettamente ad essi. Nel seguito vengono mostrati i risultati dei test per la misura dell?angolo di contatto effettuati sul substrato in tessuto, con coating antimicrobico e anti-COVID di GNP e di GNP+ZnO distribuiti sul binder in polimero 1.

? 1? provino: superficie modificata ? polimero 1 su substrato in tessuto

Dopo la preparazione della soluzione di polimero 1, questa ? stata spruzzata sul substrato in tessuto. Visto che il tessuto ? pi? idrofobico rispetto all?alluminio, l?angolo di contatto misurato in questo caso risulta essere maggiore.

I risultati sono mostrati in tabella 4.

Media 86.97

Tabella 4

? 2? provino: substrato in tessuto rivestito con polimero 1 GNP

Il polimero 1 agisce come un legante per le nanoparticelle di grafene spruzzate sul tessuto. Le nanoparticelle sono quindi ben adese e connesse al substrato di tessuto e ci? porta ad un aumento del valore dell?angolo di contatto, rispetto alla presenza di solo polimero 1. L?angolo di contatto aumenta leggermente rispetto alla sola presenza del polimero 1. Il comportamento idrofobico aumenta se si incorpora GNP nel binder polimerico.

I risultati sono mostrati in tabella 5.

Tabella 5

? 3? provino: substrato in tessuto rivestito con polimero 1 GNP e nanorod di ZnO su

Sul substrato in tessuto ? stato spruzzato il polimero 1 e quindi la sospensione contenente GNP e nanorod di ZnO. Il rivestimento cos? ottenuto ha un comportamento idrofobico in quanto l?angolo di contatto misurato risulta superiore a 90? (valore medio pari a 94,57?).

I risultati sono presentati nella tabella 6.

Tabella 6

Dai risultati precedentemente mostrati, risulta evidente che la superficie modificata costituita da polimero 1 GNP e nanorod di ZnO risulta quella con il maggior valore medio dell?angolo di contatto, che pertanto rappresenta la superficie con migliore comportamento idrofobico sul substrato di tessuto.

La morfologia del coating multistrato osservata al SEM (figura 9) conferma che GNP e ZnO sono ben adese al binder polimerico e quindi al substrato in tessuto. La spruzzatura di GNP e ZNO risulta uniforme ed omogenea sull?intera superficie.

I risultati ottenuti sono riportati nella figura 10 e mostrano l?ottima idrofobicit? del coating con i nanomateriali utilizzati.

Per garantire il mantenimento nel tempo delle propriet? antimicrobiche e anti-COVID dei coating sviluppati ? necessario verificare che essi aderiscano in maniera efficace ai substrati su cui devono essere applicati.

Per la verifica di tali caratteristiche sono stati condotti i test di adesione sui seguenti coating, a titolo esemplificativo ma non esaustivo vengono riportati i dati corrispondenti a 5mg di nanostrutture:

1) Coating su substrato metallico:

a) PVP PCL

b) PVP PCL GNP (5mg)

c) PVP PCL GNP (5mg) ZNO (5mg)

2) Coating su substrato di tessuto:

a) PCL

b) PCL GNP (5mg)

c) PCL GNP (10mg)

d) PCL GNP (5mg) ZNO (5mg)

3) Coating su substrato di resina:

a) PCL

b) PCL GNP (5mg)

c) PCL GNP (10mg)

d) PVP PCL GNP (5mg) ZNO (5mg)

Per l?esecuzione dei test di adesione ? stato utilizzato il nastro adesivo trasparente pressuresensitive numero ?#600? della 3M (ASTM D3359), di larghezza pari a 25.4 mm e forza di adesione (su substrato di alluminio) pari a 3,5 N/cm.

Le caratteristiche tecniche del nastro adesivo utilizzato sono riassunte in Figura 11.

Il test di adesione ? stato eseguito secondo quanto prescritto dallo standard AST D3330, che prevede, dopo l?applicazione del nastro adesivo sul provino, la rimozione dello stesso con un angolo di 180? rispetto all?orizzontale.

Nei paragrafi successivi si riportano i risultati dei test di adesione effettuati. In particolare, sono state eseguite analisi con Microscopio a Forza Atomica (AFM) per la misura quantitativa del grado di adesione su ciascun substrato del binder polimerico costituente il coating ed analisi tramite SEM per determinare se ci sia stato un distacco delle nanostrutture dal binder stesso durante l?esecuzione del test.

Sono state condotte analisi AFM per valutare l?adesione della matrice polimerica ai diversi substrati.

Le figure 12, 13 e 14 rappresentano la morfologia della superficie del campione in corrispondenza del confine tra la superficie del coating tal quale e la superficie del coating sulla quale ? stato effettuato il test di adesione di cui si riportano le immagini AFM ed i rispettivi grafici relativi ad un solo binder polimerico per ogni substrato. I grafici rappresentano il profilo del campione a cavallo delle due aree sopra menzionate in tre differenti sezioni.

Osservando tali risultati ? possibile affermare che il PCL aderisce sia al substrato di resina che a quello di tessuto, in quanto a seguito del test di adesione il coating risulta essere stato rimosso per uno spessore trascurabile, pari a circa 800 nm. Si osserva inoltre che, la parte centrale pi? chiara, caratteristica delle immagini in Fig.12 e Fig.13, rappresenta la zona di frontiera tra l?area soggetta al test di adesione e l?area del coating tal quale. In corrispondenza di questa zona si verifica un leggero sollevamento del coating, che avviene durante la rimozione del nastro adesivo.

Il binder costituito da PVP+PCL su substrato di alluminio risulta aderire completamente ad esso al punto tale che diviene impossibile osservare nettamente il limite di separazione tra le due aree precedentemente menzionate.

Al fine di determinare se il test di adesione abbia causato un distacco delle nanostrutture dalla matrice polimerica, sono state effettuate delle analisi SEM, le cui immagini sono riportate nelle figure successive per quanto riguarda a titolo esemplificativo la concentrazione di 5 mg per le diverse nannostrutture. Esse mostrano un confronto tra la morfologia del coating prima e dopo l?esecuzione del test di adesione.

I campioni analizzati al SEM sono i seguenti: ? Substrato di alluminio (Fig. 15): PVP PCL GNP (5mg) ZNO (5 mg)

? Substrato di resina (Fig. 16): PCL+ GNP (10mg) ? Substrato di tessuto sintetico (Fig. 17): PCL GNP (5mg) ZNO (5mg)

Dalle figure 15, 16 e 17 si evince che, anche dopo l?esecuzione del test di adesione, le nanostrutture restano adese al binder polimerico.

In conclusione, si pu? affermare che i coating polimerici caricati con nanostrutture a base grafene ed ossido di zinco aderiscono a tutti e tre i substrati sui quali sono stati depositati, mostrando risultati soddisfacenti.

Per quanto riguarda i binder polimerici, il PCL aderisce bene sia alla resina che al tessuto, mentre il binder costituito da PVP+PCL garantisce una buona adesione del coating al substrato metallico.

Dalle analisi SEM si evince inoltre che anche le nanostrutture sono ben adese al polimero e pertanto rimangono ancorate al substrato.

La misura degli spessori di ciascun coating ? stata ricavata come differenza tra la misura totale dello spessore substrato+coating e la misura dello spessore del substrato tal quale. A tal fine i provini sono stati precedentemente preparati coprendo una porzione della loro superficie totale con del kapton, successivamente rimosso dopo la deposizione del coating.

La misura degli spessori dei coating ? stata effettuata tramite micrometro analogico della Mitutoyo, con livello di accuratezza pari a ?1?m.

Nelle due tabelle successive sono riassunti i valori degli spessori di ciascun coating depositato su substrato di tessuto e di plastica (Tabella 7) e su substrato metallico (Tabella 8).

Tabella 7

Tabella 8

Per valutare l?efficacia antimicrobica dei trattamenti multistrato delle diverse superfici sono stati effettuati test con diversi batteri, i risultati di seguito riportati sono stati ottenuti utilizzando a titolo esemplificativo ma non esaustivo la concentrazione di 5 mg per le nanostrutture utilizzate. Una volta trattate, le superfici sono state prima sterilizzate tramite raggi UV e successivamente contaminate con diverse tipologie di batteri patogeni, a titolo esemplificativo ma non esaustivo vengono qui riportati i dati riguardanti il batterio Staphylococcus aureus per i Grampositivi e per i Gram-negativi il batterio Pseudomonas aeruginosa.

A tal riguardo, una sospensione acquosa di batteri ? stata applicata sia sul materiale trattato solo con binder polimerico, sia con la miscela di binder e nanomateriali oggetto della presente invenzione. I materiali inoculati sono stati poi incubati in condizioni di temperatura ed umidit? ambientale a diverse tempistiche. L?estrazione della carica batterica dalle superfici testate, siano esse metalliche, plastiche che tessutali, ? stata effettuata apportando alcune modifiche alla normativa ISO22196, la quale definisce il metodo standard per la valutazione dell?efficacia di trattamenti antibatterici su materiali porosi e non porosi.

Dopo il periodo di incubazione stabilito, la carica batterica residua ? stata recuperata dalle superfici dei provini mediante strofinamento per mezzo di un tampone sterile, il quale a sua volta ? stato immerso in una soluzione fisiologica. Il numero di unit? formanti colonie (CFU) presenti nella sospensione risultante ? stato quindi ottenuto utilizzando tecniche standard per la determinazione delle unit? formanti colonie. La sopravvivenza delle singole specie batteriche sulle superfici dei materiali rivestiti dal solo polimero al tempo zero di esposizione ? stata valutata come il 100%, a cui sono state poi successivamente rapportate le vitalit? ottenute nei campioni ricoperti dalle nanostrutture con o senza nanorod di ZnO miscelate al polimero ai diversi tempi di trattamento.

La figura 18 riporta gli andamenti della sopravvivenza dei due batteri prelevati da substrati metallici rivestiti dal binder polimerico: la diminuzione di carica microbica a livello delle superfici trattate con i nanomateriali rispetto a quelle prive, ? evidente gi? a partire dalla prima ora di esposizione in entrambe le tipologie di batteri, risultato che appare pi? marcato nel caso di P. aeruginosa, avente una percentuale di vitalit? del 60% fin dal tempo iniziale di contaminazione.

I test antimicrobici, condotti invece, su substrati di tessuto rivestiti dal binder con o senza i nanomateriali, mostrano come il trattamento, oggetto della presente invenzione, risulta avere uno spiccato effetto antibatterico nei confronti del Gram-positivo S. aureus rispetto al controllo con solo polimero gi? dopo una sola ora di esposizione (con circa il 60% di mortalit?), continuando ad aumentare con il passare del tempo (Figura 19).

Differenze meno significative si ottengono con il Gram-negativo P. aeruginosa, dove l?andamento delle curve di sopravvivenza ? pressoch? simile (dato non mostrato).

Dalla contaminazione batterica di superfici di resina recanti la matrice polimerica in esame supplementata o meno con le nanostrutture, si ottiene un recupero di cellule ancora vitali nettamente inferiore dai substrati di resina trattati rispetto ai campioni di controllo, sin dai primi istanti di contatto. Come illustra la figura 20, tale risultato si osserva per entrambe le tipologie di batteri saggiati.

E? stata inoltre, valutata la capacit? di controllo e limitazione del rischio biologico eventualmente presente sulle tipologie di superfici analizzate precedentemente e presenti in ambienti interni. Campioni di plastica e tessuto ricoperti dal binder oggetto di tale invenzione sono stati analizzati valutando la carica microbica totale presente sulle superfici dopo 15 giorni di esposizione. A titolo esemplificativo, ma non esaustivo riportiamo i dati riguardanti come base nanostrutturale le nanoplacchete di grafene. I campioni di materiale rivestito con il solo polimero o il binder oggetto della presente invenzione, sono stati sterilizzati ed in seguito collocati su un piano d?appoggio all?interno di una stanza ed esposti all?aria per 15 giorni. Trascorso questo periodo di tempo, sono stati processati come descritto in precedenza e le relative conte microbiche sono riportate in figura 21. E? evidente, sia a livello del tessuto che della resina, un notevole effetto antimicrobico del trattamento oggetto della presente invenzione, il quale si dimostra essere valido anche dopo due settimane di esposizione.

Esperimenti analoghi sono stati effettuati anche in ambiente ospedaliero. In particolare, il monitoraggio della capacit? antimicrobica del trattamento, oggetto della presente invenzione, ? avvenuto in due diversi ambienti della UOC di Odontoiatria Pediatrica del Policlinico Umberto I, che ha una intensa attivit? ambulatoriale, con pi? di 15000 accessi all?anno.

I risultati dei test effettuati sul trattamento depositato su substrato di plastica nei due diversi ambienti della clinica, riportati a titolo esemplificativo ma non esaustivo, mostrano anche in questo caso un?elevata capacit? antimicrobica del trattamento oggetto della presente invenzione verso i microrganismi presenti nell?ambiente (Figura 22).

Claims (13)

RIVENDICAZIONI

1) Procedimento per la realizzazione di un rivestimento multistrato rimovibile, resistente all?acqua, avente propriet? antibatteriche e anti-COVID, caratterizzato dal fatto che ? applicabile mediante spruzzatura su diverse superfici da contatto, in metallo, tessuto o plastica e che utilizza, come agente antibatterico e anti-COVID, delle nano particelle di grafene e dei nanorod di ossido di zinco o nanoparticelle di grafene decorate con nanorod di ossido di zinco, il procedimento prevedendo le seguenti fasi:

a) preparazione di almeno una soluzione polimerica spruzzabile da utilizzare come rivestimento sulla superficie da trattare, avente una prima funzione di ?strato ospite? per favorire l?ottima dispersione e distribuzione superficiale di dette nanoparticelle quando vengono spruzzate su detto rivestimento come agente antibatterico e anti-COVID, senza permetterne l?inglobamento totale nella matrice polimerica una volta spruzzate; ed una seconda funzione che ? quella di garantire l?adesione alla superficie da rivestire, favorendo la formazione di un film continuo su detta superficie da rivestire;

b) preparazione delle nanoparticelle da spruzzare su detto rivestimento, espandendo termicamente il grafene intercalato e successivamente sonicato per 20 minuti in acetone, mediante un sonicatore a sonda e successivamente sonicando le nanorod di ZnO in acetone per 3 minuti, mediante un bagno ad ultrasuoni;

c) spruzzare la soluzione polimerica ottenuta nella fase a) sulla superficie da trattare per formare un film continuo e adeso sulla stessa superficie detto ?strato ospite?; e

d) deporre superficialmente delle nanostrutture a base di grafene e di ossido di zinco o di grafene decorato con nanorod di ossido di zinco, mediante spruzzatura, su detto film polimerico continuo e adeso su detta superficie, senza permetterne l?inglobamento totale nella matrice polimerica, per formare una barriera antibatterica e anti-COVID su detta superficie.

2) Procedimento per la produzione di un rivestimento come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che a seconda della superficie su cui viene applicato risulta necessario l?utilizzo di un secondo polimero, in sostituzione od in azione combinata con il primo polimero che costituisce lo ?strato ospite?, in modo che siano garantite al contempo sia la creazione della barriera di nanoparticelle, sia l?adesione alla superficie da rivestire, sia la creazione di un film continuo.

3) Procedimento secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che il polimero che costituisce lo ?strato ospite? ? selezionato fra il Polyvinylpyrrolidone (PVP), o polimero 2, che presenta un'eccellente adesione sulle superfici metalliche ed il Polycaprolactone (PCL), o polimero 1, che ? un polimero semicristallino con un punto di fusione basso, pari a circa 60?C ed una temperatura di transizione vetrosa di circa -60?C, il quale presenta un'eccellente adesione su superfici in resina polimerica ed in tessuto, il polimero 1 presentando una scarsa solubilit? in acqua.

4) Procedimento secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che si utilizza come solvente per il PVP l?etanolo a temperatura ambiente con l?utilizzo di un agitatore magnetico mentre il PCL viene disciolto in acetone alla temperatura di 30?C e con l?utilizzo di un agitatore magnetico.

5) Procedimento secondo una qualunque delle rivendicazioni da 2 in poi, caratterizzato dal fatto che nelle miscele di solvente e polimero le diverse concentrazioni di polimero, variano tra l?1% ed il 15% in peso.

6) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le nanostrutture disperse sulla superficie dello ?strato ospite? polimerico sono di tre diverse tipologie utilizzate in un range di concentrazione tra i 2 mg e 10 mg su 100 mg di polimero che realizza lo strato ospite:

a) Nano placchette di grafene (GNP),

b) Nanorod di ossido di zinco (ZNO), dove con nanorod si indica una morfologia di oggetti su nanoscala, con forma a bacchetta, in cui il diametro medio ? compreso tra 20 nm e 50 nm e la lunghezza ? compresa tra 100 nm e 1 ?m; e

c) nano placchette di grafene decorate con nanorod di ossido di zinco;

o in sostituzione, per minimizzare i costi ed i tempi di produzione dei nano materiali, nanostrutture di GNP e ZNO,

7) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti in cui nelle nanoparticelle utilizzate per la spruzzatura, il grafene intercalato ? stato espanso termicamente e successivamente sonicato per 20 minuti in acetone, mediante un sonicatore a sonda, mentre i nanorod di ZnO vengono sonicati in acetone per 3 minuti, mediante un bagno ad ultrasuoni.

8) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti in cui il film polimerico ? un film multistrato in cui gli elementi costituenti vengono disposti su due o pi? strati successivi, i differenti strati essendo spruzzati sulla superficie da rivestire in base alle loro propriet? di adesione al substrato, di idrorepellenza ed in base alle loro propriet? antibatteriche e anti-COVID.

9) Rivestimento multistrato rimovibile, resistente all?acqua, avente propriet? antibatteriche e anti-COVID, caratterizzato dal fatto di essere costituito da almeno un film polimerico con funzione di ?strato ospite? su cui vengono spruzzate, come agente antibatterico, delle nano particelle di grafene e dei nanorod di ossido di zinco, senza permetterne l?inglobamento totale nella matrice polimerica, detto materiale polimerico essendo direttamente adeso per spruzzatura alla superficie da rivestire o spruzzato su un secondo polimero, a sua volta spruzzato sulla superficie da rivestire, che viene utilizzato come elemento per promuovere l?adesione del primo polimero costituente il rivestimento antibatterico e anti-COVID a detta superficie da rivestire.

10) Rivestimento multistrato avente propriet? antibatteriche e anti-COVID secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che il film polimerico utilizzato come rivestimento ? costituito da Polycaprolactone (PCL), o polimero 1, che ? utilizzato singolarmente su superfici di tessuto o resina e funge anche da binder per le nano particelle, e che viene utilizzato in combinazione ad un film di Polyvinylpyrrolidone (PVP), o polimero 2, su superfici metalliche, in cui il Polyvinylpyrrolidone (PVP) funge da coating e da supporto al Polycaprolactone (PCL) e quest?ultimo funge da binder per le nanoparticelle.

11) Rivestimento multistrato avente propriet? antibatteriche e anti-COVID secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che le nanostrutture disperse nelle sospensioni attive sono di tre diverse tipologie utilizzate in un range di concentrazione tra i 2 mg e 10 mg:

a) Nano placchette di grafene (GNP),

b) Nanorod di ossido di zinco (ZNO), dove con nanorod si indica un morfologia di oggetti su nanoscala, con forma a bacchetta, in cui il diametro medio ? compreso tra 20 nm e 50 nm e la lunghezza ? compresa tra 100 nm e 1 ?m; e

c) nano placchette di grafene decorate con nanorod di ossido di zinco;

o, in sostituzione,

nanostrutture di GNP e ZNO, dove la combinazione di GNP e ZNO ? utilizzabile in sostituzione alle nanoplacchette di grafene decorate con nano rod di ossido di zinco, al fine di minimizzare i costi ed i tempi di produzione dei nanomateriali.

12) Rivestimento multistrato come ad ognuna delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che nel caso di una superficie di alluminio ? costituito da un film a tre strati, sovrapponendo allo strato di alluminio prima il polimero 2, sfruttando la sua ottima adesione sul metallo, anche se scarsamente idrofobico, e poi sovrapponendo a questo strato di polimero 2, il polimero 1 utilizzato come binder, in modo da ottenere ottime caratteristiche di idrofobicit? ed ottima adesione su substrato polimerico, le nanostrutture GNP e ZNO o la combinazione delle due, essendo poi spruzzate su detto film polimerico 1.

13) Rivestimento multistrato, come ad ognuna delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che nel caso di substrato in tessuto, ? costituito da un unico film antimicrobico e anti-COVID formato da GNP e di GNP nanorod di ZnO distribuiti sul binder in polimero 1.