Università degli studi di Roma
"Foro Italico"
Dottorato di Ricerca in
Scienze del Movimento Umano e dello Sport
Laboratorio di Epidemiologia e Biotecnologie Macroarea Sanità Pubblica – SSD MED/42
(Igiene Generale ed applicata)
Evaluation of antimicrobial activity of innovative materials applied to sport:
public health issues related to the efficacy of photocatalytic nanotechnologies
Tutor Dottoranda
Prof. Vincenzo Romano Spica Lory Marika Margarucci Co-tutor
Prof.ssa Federica Valeriani
Abstract
Microbial contamination is globally representing an emerging health risk for modern societies, as recently emphasized also by the impact of COVID-19 pandemic in different human activities. Also, sport practice and related activities may present several biological risks. Ensure maximum safety is a fundamental requisite to allow users to benefit as much as possible of activities that are carried out in sport facilities. Given the increasing of number of people practicing sport activities and working in this sector, it is important to consider possible risks in these environments and apply adequate management. Environmental disinfection is a critical step to avoid spreading of infections. Several antimicrobial strategies were implemented to reduce microbial contamination. Each one has own advantages and limits. Moreover, the efficacy of most cleanings products depends on the mechanism of action, exposure time, way of application and their residual action.
Some treatments, although effective, may encourage the development of microbial resistance over time.
Presently, a public health priority is to evaluate and develop new and sustainable strategies that could be applied on a global scale.
This thesis focuses on the evaluation and implementation of an innovative system for the disinfection of different matrices related to sport activities, considering different materials, protocols and technological tools.
First objective of this work has been the identification, through bibliographic research, of main innovative strategies to contain biological risks. Among the new approaches for environmental decontamination, processes based on photocatalysis represent a promising alternative to the classic disinfectants.
Photocatalytic disinfection emerged as potential system for decontamination due to its ability to use a light source to accelerate the disinfection process mediated by a catalyst. Several photocatalysts have been proposed but the titanium dioxide (TiO2) results one of the most used due to its properties, such as wide availability, low cost, stability, high efficiency, non-corrosive properties, possibility of a green synthesis.
Second objective of this work was to test the antibacterial activity of TiO2 on different matrices: I) air, II) water, III) external coating of glass surfaces, IV) finishing of polyester fibres fabrics, and V) face masks or other personal protective equipment. The different matrices have been selected to estimate the decontaminating action in different environments that impact on the biological risk associated with sport practice.
Different factors influence the effectiveness of titanium dioxide and among these there are the exposure to specific light wavelengths and the sizes of particles of the compound. Therefore, further experimental tests were performed by modifying these parameters.
The experiment carried out in the water matrix considered the artificial contamination (Escherichia coli or Stafilococcus aureus) of an aqueous suspension treated with titanium dioxide nanoparticles. The results of these experiments showed over 90% of reduction of both bacterial concentrations after 120 minutes of exposure to treatment with TiO2 and light. The experiments conducted with same experimental protocols
but under controlled illumination, using several light sources with different wavelengths, both in the UV and visible spectrum showed a higher reduction of bacteria concentration in presence of wavelengths within of UV spectrum (63%) and with wavelengths in the visible spectrum (86%) within 120 minutes of the treatment.
Experiments conducted with different wavelengths of the visible spectrum showed a higher percentage reduction (88%) using light source with wavelengths within the range 450-455nm with respect to wavelengths higher than 455nm or in total absence of illumination. These results highlight the possibility of the activation of the photocatalytic compound based on TiO2 also with LEDs that emit in the visible spectrum in the blue light with wavelength 450-455nm.
The experiments carried out to verify the antibacterial effect of a suspension of titanium dioxide as disinfection treatment of the air was based on the application of a titanium dioxide suspension on different surfaces inside a room, using a high-pressure spraying system. The results showed a reduction of 74% and 72% after 30 minutes from the treatment both for bacteria count 37°C and 22°C and a reduction of 100%
after five days from treatment both for count at 37°C and 22° C for the sampling surfaces. A reduction of over 90% of mesophilic microbial load after 5 days from treatment on the samples collected with a microbiological air sampler. These results highlight the possibility to reduce the contamination on surface and in air nebulizing a TiO2-based product, keeping the surfaces sanified for longer times as shown by the obtained results.
The evaluation of antibacterial action of a coating of titanium dioxide on glass surfaces considered the artificial contamination of several coated surfaces with the coating compound based on titanium dioxide.
The results showed a percentage of survivors of 5% onto the surface that was previously treated immerging the surface in a TiO2 suspension respect to untreated surfaces. The experiments conducted with same experimental protocols but under controlled illumination using wavelengths in the light visible spectrum, in particular in the wavelength of blue light showed: 75% of survivors on the surface samples only exposed at wavelengths among 450-455nm; 25% of survivors for the coated surface treated rubbing the surface with a paper soaked with TiO2 suspension and exposed at blue light; 4% of survivors for the coated surface treated wetting the surface with TiO2 suspension followed by exposure under blue light wavelengths.
On textile samples were tested the antibacterial properties obtained after coating with titanium dioxide microparticles. The textile samples were contaminated with droplets of bacteria suspensions. The antibacterial effect was tested under different illumination conditions. Higher antibacterial effect was observed with a combination of wavelengths in the visible spectrum or UV light. Higher effect was observed with a combination of TiO2 and exposition at wavelengths in the visible spectrum.
The antibacterial action of the addition of photocatalytic materials combined with light exposure at specific wavelengths was tested on two kinds of face mask (surgical mask and FFP2). Face masks were prepared by depositing micrometer sized TiO2 on the external surfaces; the masks were contaminated with bacteria suspensions, simulating an external contamination by nasopharyngeal droplets. The coatings were activated
by light with wavelengths 450-455 nm (blue light). A significant reduction in the microbial load (over 90%) was observed using both Gram negative (E. coli) and Gram positive (S. aureus) bacteria within 15 minutes of irradiation with blue light and treated with titanium dioxide micrometric.
The experiments carried out to compare the antibacterial effects of titanium dioxide in form of nanoparticles and of microparticle under several light wavelengths showed that the exposition to titanium dioxide with lower diameter for less than 120 minutes of exposition induced a reduction of the percentage of survivors around 89%, 26%, 50% respectively in dark condition, under blue light (450-455 nm), under UV source. In presence of TiO2 with higher diameter of particles a reduction of percentage of survivors was observed after 15 minutes of exposition with percentage of survivors of 22%, 14%, 15% respectively in dark condition, under blue light (450-455 nm), under UV source. This result opens the possibility of obtaining an equal or greater antimicrobial efficacy even when using microparticle forms.
The whole of obtained results shows that this compound could represent a good tool in disinfection strategies for air and water purification, for antimicrobial coating for surfaces, as a bactericidal treatment of textile fibres or to regenerate face masks. Its performance is influenced by several parameters, including the type of light sources and the particle size. The experiments conducted by controlling the type of light source showed that the compound could be activated not only by wavelengths in the UV spectrum but also by wavelengths that fall within the visible spectrum (450-455nm) in the spectrum of the blue light and the Soret band. This important result opens the possibility of using disinfection systems based on photocatalytic processes using a light source that emits wavelengths of blue light. This aspect allows to reduce the use of UV light-based lamps with a consequent reduction in management costs and related risks associated with their use.
The tests conducted to verify the effectiveness of the compound both in nanometric or micrometric size have shown interesting results even in the micrometric form. This result could allow to open the possibility to use a larger particle size reducing the potential risks linked to the dispersion of nanoparticles in the environment and related possible toxicity linked to granulometry.
Photocatalytic disinfection is presented as a complex approach, to be enhanced, but already effective to contain biological risk in different environments both in sport or in others settings. Deepen all advantages linked to the use of decontaminant treatments based photocatalytic compounds and to investigate the possible risks and associated limits is necessary to make these new emerging disinfectant systems based on photocatalysis more effective, sustainable and safe for both humans and environment.
RIASSUNTO
La contaminazione microbica rappresenta un rischio sanitario emergente per le società moderne, come recentemente sottolineato anche dall'impatto della pandemia di COVID-19 in diverse attività umane. Anche la pratica sportiva e le attività ad essa connesse presentano dei rischi biologici. Garantire la massima sicurezza è un requisito fondamentale per consentire agli utenti di beneficiare al massimo delle attività che si svolgono negli impianti sportivi. Dato l'aumento del numero di persone che praticano attività sportiva e che lavorano in questi settori, è importante conoscere tutti i possibili rischi presenti in questi ambienti e applicare una corretta gestione. La disinfezione dell'ambiente inanimato è un punto critico per ridurre il rischio di infezione e continuamente vengono adottate diverse strategie per ridurre la contaminazione microbica. Ognuna ha i propri vantaggi e limiti. Inoltre, l'efficacia della maggior parte dei prodotti per la pulizia dipende dal loro meccanismo d’azione, dal tempo di esposizione, dal modo di applicazione e dalla loro azione residua. Alcuni trattamenti, sebbene efficaci, possono favorire lo sviluppo di resistenze nel tempo. Attualmente, una priorità della salute pubblica è quello di sviluppare strategie nuove e sostenibili applicabili su scala globale per contenere il rischio biologico.
Questa tesi si concentra sulla valutazione e implementazione di un sistema innovativo per la disinfezione di diverse matrici legate alle attività sportive, considerando diversi materiali, protocolli e strumenti tecnologici.
Primo obiettivo di questo lavoro è stato l'identificazione, attraverso la ricerca bibliografica, delle principali strategie innovative per il contenimento dei rischi biologici. Tra i nuovi approcci per la decontaminazione ambientale, i processi basati sulla fotocatalisi rappresentano una promettente alternativa ai classici disinfettanti. La disinfezione fotocatalitica è emersa come potenziale sistema per la decontaminazione grazie alla sua capacità di utilizzare una fonte di luce per accelerare il processo di disinfezione mediato da un catalizzatore. Sono stati proposti diversi fotocatalizzatori ma il biossido di titanio (TiO2) risulta il più vantaggioso per le sue proprietà quali ampia disponibilità, basso costo, elevata stabilità, alta efficienza, proprietà non corrosive, possibilità di una sintesi “green”.
Il secondo obiettivo è stato quello di testare l'attività antibatterica del TiO2 su diverse matrici: I) aria, II) acqua, III) rivestimento esterno di superfici in vetro, IV) rivestimento di tessuti V) trattamento rigenerante per maschere facciali. Le diverse matrici sono state selezionate allo scopo di valutare l’azione decontaminante in diversi ambienti che impattano sul rischio biologico legato alla pratica sportiva. L’efficacia del TiO2 è influenzata da diversi fattori come la necessità della presenza di specifiche lunghezze d’onda della luce per l’attivazione del composto e la dimensione delle particelle del composto. Pertanto, ulteriori prove sperimentali sono state eseguite in condizioni di illuminazione controllata, utilizzando sorgenti sia naturali che artificiali a diverse lunghezze d'onda: spettro UV e regione visibile. Inoltre, l'attività antibatterica del biossido di titanio in forma di nanoparticelle è stata confrontata con quella del medesimo composto ma con dimensione delle particelle nell’ordine dei micron.
Gli esperimenti condotti in ambiente acquoso, prevedevano la contaminazione artificiale di una sospensione acquosa di nanoparticelle di biossido di titanio. I risultati di questi esperimenti hanno mostrato una riduzione della concentrazione di batteri di oltre il 90% dopo 120 minuti di esposizione al trattamento. Esperimenti condotti con lo stesso protocollo sperimentale ma sotto il controllo dell'illuminazione, utilizzando più sorgenti luminose di diversa lunghezza d'onda sia nello spettro UV che visibile, hanno mostrato una riduzione della concentrazione di batteri sia in presenza di lunghezze d'onda all'interno dello spettro UV (63%) che con lunghezze d'onda nello spettro visibile (86%) dopo 120 minuti di esposizione. Esperimenti condotti con diverse lunghezze d'onda dello spettro visibile hanno mostrato una maggiore riduzione percentuale (88%) utilizzando sorgenti luminose con lunghezze d'onda comprese nell'intervallo 450-455 nm rispetto a lunghezze d'onda maggiori di 455 nm o in totale assenza di illuminazione dopo 120 minuti di esposizione. Questi risultati evidenziano la possibilità di attivazione del composto fotocatalitico a base di TiO2 anche con LED che emettono nello spettro visibile in particolare alla lunghezza d'onda della luce blu (450-455 nm).
Gli esperimenti effettuati per verificare l'effetto antibatterico di una sospensione di biossido di titanio come trattamento di disinfezione dell'aria si basavano sull'applicazione di una sospensione di biossido di titanio su diverse superfici all'interno di una stanza, utilizzando un sistema di nebulizzazione ad alta pressione. I risultati hanno mostrato una riduzione del 74% e del 72% dopo 30 minuti dal trattamento sia per la conta batterica a 37°C che a 22°C ed una riduzione del 100% dopo cinque giorni dal trattamento sia per la conta batterica a 37°C e 22°C per i campioni raccolti dalle superfici trattate. Una riduzione di oltre il 90% della carica microbica mesofila dopo 5 giorni dal trattamento è stata osservata per i test condotti sui campioni raccolti utilizzando un campionatore microbiologico dell’aria. Questi risultati evidenziano la possibilità di ridurre la contaminazione superficiale e in aria nebulizzando un prodotto a base di TiO2, mantenendo le superfici sanificate per tempi più lunghi come dimostrato dai risultati ottenuti.
La valutazione dell'azione antibatterica di un rivestimento di biossido di titanio su superfici in vetro prevedeva la contaminazione artificiale di più superfici rivestite con un composto a base di biossido di titanio. I risultati hanno mostrato una percentuale di sopravvissuti sulla superficie trattata del 5% rispetto alla superficie non trattata. Gli esperimenti condotti con gli stessi protocolli sperimentali ma sotto il controllo dell'illuminazione, utilizzando lunghezze d'onda della luce nello spettro visibile in particolare nella lunghezza d'onda della luce blu, hanno mostrato: 75% dei sopravvissuti sui campioni di superficie esposti solo a lunghezze d'onda di 450- 455 nm; 25% dei sopravvissuti sulla superficie trattata strofinando la superficie con una carta imbevuta di sospensione di TiO2 ed esposta a luce blu; 4% dei sopravvissuti sulla superficie trattata bagnando la superficie con sospensione di TiO2 seguita da esposizione a lunghezze d'onda della luce blu.
Su campioni di tessuti con composizione simile ai tessuti utilizzati per l’attività sportiva sono state testate le proprietà antibatteriche di un rivestimento con microparticelle di biossido di titanio. I campioni di tessuti rivestiti sono stati contaminati con goccioline di sospensioni batteriche e l’effetto antibatterico è stato valutato in presenza di diverse condizioni di illuminazione. È stato osservato un maggiore effetto
antibatterico con una combinazione di lunghezze d'onda nello spettro visibile o luce UV. È stato osservato un effetto più elevato con una combinazione di TiO2 ed esposizione alla lunghezza d'onda nello spettro visibile.
L’azione antibatterica dell’aggiunta di materiali fotocatalitici combinata con l'esposizione a sorgenti luminose con specifiche lunghezze d'onda è stata testata anche su due tipi di maschere facciale (maschera chirurgica e FFP2). Le maschere per il viso sono state preparate depositando TiO2 di dimensioni micrometriche sulle superfici esterne; le maschere sono state poi contaminate con goccioline di sospensioni batteriche simulando una contaminazione esterna da goccioline nasofaringee. I rivestimenti sono stati attivati da luce con lunghezze d'onda 450-455 nm (luce blu). Una significativa riduzione della carica microbica (oltre il 90%) è stata osservata utilizzando batteri sia Gram negativi (E. coli) che Gram positivi (S.aureus) entro 15 minuti dall'irradiazione con luce blu e trattati con biossido di titanio micrometrico.
Gli esperimenti condotti per confrontare l'effetto antibatterico del biossido di titanio in forma di nanoparticelle e del biossido di titanio in forma di microparticelle a diverse lunghezze d'onda della luce ha mostrato che l'esposizione del biossido di titanio con diametro delle particelle nell’ordine del nano ha mostrato una riduzione della percentuale di sopravvissuti dell'89%, 26% 50% rispettivamente in condizioni di oscurità, sotto illuminazione con luce blu (450-455 nm), sotto una sorgente UV. In presenza di TiO2 con diametro delle particelle nell’ordine del micron è stata osservata una riduzione della percentuale di sopravvissuti del 22%, 14% 15% rispettivamente in condizioni di oscurità, sotto illuminazione con luce blu (450-455 nm), sotto una sorgente UV, dopo 15 minuti di esposizione. Questo risultato apre la possibilità di ottenere un'efficacia antimicrobica uguale o maggiore se utilizzato in forma di microparticelle.
L'insieme dei risultati ottenuti mostra che questo composto potrebbe rappresentare un buono strumento nelle strategie di disinfezione per la purificazione dell'aria e dell'acqua, per il rivestimento antimicrobico delle superfici, come trattamento battericida delle fibre tessili o per rigenerare le mascherine. Le sue prestazioni sono influenzate da diversi parametri, tra cui il tipo di sorgente luminosa e la dimensione delle particelle. Gli esperimenti condotti controllando il tipo di sorgente luminosa hanno mostrato che il composto potrebbe essere attivato non solo dalle lunghezze d'onda dello spettro UV ma anche da lunghezze d'onda che rientrano nello spettro visibile (450-455 nm) in particolare nello spettro della luce blu e nella banda di Soret. Questo importante risultato apre la possibilità di utilizzare sistemi di disinfezione basati su processi fotocatalitici utilizzando una sorgente luminosa che emette lunghezze d'onda di luce blu. Questo aspetto consente di ridurre l'utilizzo di lampade a luce UV con conseguente riduzione dei costi di gestione e dei relativi rischi connessi al loro utilizzo.
I test condotti per verificare l'efficacia del composto sia in dimensione nanometrica che micrometrica hanno mostrato risultati interessanti anche in quest’ultima forma. Questo risultato potrebbe consentire di superare uno dei limiti dell'utilizzo del biossido di titanio legato alla dispersione di nanoparticelle nell'ambiente e relativa possibile tossicità legata alla granulometria.
La disinfezione fotocatalitica si presenta come un approccio complesso, da potenziare, ma già efficace per contenere il rischio biologico in diversi ambienti sia legati allo sport che in altri contesti. Approfondire tutti i vantaggi legati all'utilizzo di trattamenti decontaminanti a base di composti fotocatalitici e indagare sui possibili rischi e sui limiti associati è necessario per rendere questi nuovi emergenti sistemi disinfettanti basati sulla fotocatalisi più efficaci, sostenibili e sicuri sia per l'uomo che per l'ambiente.
