Cuantificación de la supresión de la adhesión de gotas

By Dataphysics Instruments GmbH

El contacto del virus con superficies juega un papel clave en la transmisión de enfermedades respiratorias como la nueva pandemia global de la Enfermedad por Coronavirus 2019 (COVID-19). Las gotas cargadas de virus son liberadas por individuos infectados al hablar, estornudar, cantar, toser, etc. Cuando estas gotas caen sobre objetos, pueden provocar infecciones indirectas si alguien las transmite, por ejemplo, tocando la superficie y luego sus ojos. Por lo tanto, suprimir la adhesión de gotas en superficies que puedan entrar en contacto con humanos es una forma altamente eficiente de interrumpir la transmisión de materiales infecciosos. Las gotas de agua muestran buena movilidad en superficies superhidrofóbicas con una baja histéresis del ángulo de contacto (CAH < 10 °C) debido a su baja fuerza adhesiva. Dichas superficies funcionales se han utilizado ampliamente en materiales anti-incrustantes, de manipulación de gotas y autolimpiantes. Es de gran importancia desarrollar nuevas superficies superhidrofóbicas para prevenir la transmisión de materiales infecciosos. Recientemente, Zhu et al. han demostrado que nanopartículas de sílice recubiertas con superhidrofobicidad exhibieron una reducción significativa en la adhesión de gotas cargadas de virus, y confirmaron que los materiales con estas superficies superhidrofóbicas podrían ser una forma de detener las cadenas de transmisión del virus en la actual pandemia de COVID-19.

Fig. 1: Ilustración de gotas cargadas de virus en una superficie recubierta con superhidrofobicidad, rodando con el objetivo de evitar la deposición de gotas infecciosas.

En este trabajo, se aplicaron dos recubrimientos superhidrofóbicos sobre nanopartículas de sílice silanizadas (recubrimiento Glaco y recubrimiento Aerosil). Estas nanopartículas de sílice recubiertas se utilizaron como acabado superficial en diferentes sustratos. En estos recubrimientos, la gota cargada de virus muestra un estado de Cassie no humedecido (las gotas flotan sobre las estructuras recubiertas con bolsas de aire entre ellas), lo que disminuye significativamente el área de contacto sólido-líquido y la probabilidad de contacto virus-superficie (Fig. 1). Desde estas superficies, la gota cargada de virus rueda fácilmente, reduciendo la posibilidad de que el material viral se adhiera.

Fig.2: Mediciones del ángulo de contacto (CA) en superficies de vidrio sin recubrimiento, recubiertas con Glaco y recubiertas con Aerosil. Mediciones de histéresis del ángulo de contacto (CAH) (B), CA (C) y fuerza adhesiva (D) en diferentes sustratos

Para entender los efectos de los recubrimientos superhidrofóbicos en la inhibición de la formación de fómites, se estudió la mojabilidad de diversas superficies recubiertas con superhidrofobicidad. Los dos recubrimientos redujeron notablemente la mojabilidad de las superficies, como se muestra en la Fig. 2. La Fig. 2A muestra que la mojabilidad del sustrato de vidrio cambia de hidrofílica a superhidrofóbica al recubrirse con Glaco o Aerosil. En la mayoría de los casos, los ángulos de contacto (CA) en los recubrimientos de Glaco son ligeramente mayores que en los recubrimientos de Aerosil, pero mucho mayores que en las superficies sin recubrimiento (Fig. 2C). Además, como se muestra en la Fig. 2B, la histéresis del ángulo de contacto (CAH) en las superficies cubiertas con los dos recubrimientos es mucho menor que en las superficies sin recubrimiento, lo que indica que las fuerzas adhesivas de las gotas en las superficies superhidrofóbicas son mucho más bajas que en las superficies sin recubrimiento. Los resultados de las mediciones de la fuerza adhesiva en la Fig. 2D son consistentes con las mediciones de CA.

Además, la CAH y la fuerza adhesiva son parámetros importantes para caracterizar el estado de adhesividad de una superficie: cuanto menores sean la CAH y la fuerza adhesiva, menos adhesiva será la superficie. En una superficie menos adhesiva, se dejaron menos residuos líquidos cargados de virus tras el contacto, lo que se confirmó mediante la medición de las razones de residuos \(m_r/m_0\) (Fig. 3). Una menor cantidad de residuos líquidos se deja tras el contacto con superficies menos adhesivas, lo que llevaría a una mayor efectividad en la prevención de la adhesión de gotas virales.

Para entender los efectos de los recubrimientos superhidrofóbicos en la inhibición de la formación de fómites, se estudió la mojabilidad de diversas superficies recubiertas con superhidrofobicidad. Los dos recubrimientos redujeron notablemente la mojabilidad de las superficies, como se muestra en la Fig. 2. La Fig. 2A muestra que la mojabilidad del sustrato de vidrio cambia de hidrofílica a superhidrofóbica al recubrirse con Glaco o Aerosil. En la mayoría de los casos, los ángulos de contacto (CA) en los recubrimientos de Glaco son ligeramente mayores que en los recubrimientos de Aerosil, pero mucho mayores que en las superficies sin recubrimiento (Fig. 2C). Además, como se muestra en la Fig. 2B, la histéresis del ángulo de contacto (CAH) en las superficies cubiertas con los dos recubrimientos es mucho menor que en las superficies sin recubrimiento, lo que indica que las fuerzas adhesivas de las gotas en las superficies superhidrofóbicas son mucho más bajas que en las superficies sin recubrimiento. Los resultados de las mediciones de la fuerza adhesiva en la Fig. 2D son consistentes con las mediciones de CA.

Además, la CAH y la fuerza adhesiva son parámetros importantes para caracterizar el estado de adhesividad de una superficie: cuanto menores sean la CAH y la fuerza adhesiva, menos adhesiva será la superficie. En una superficie menos adhesiva, se dejaron menos residuos líquidos cargados de virus tras el contacto, lo que se confirmó mediante la medición de las razones de residuos \(m_r/m_0\) (Fig. 3). Una menor cantidad de residuos líquidos se deja tras el contacto con superficies menos adhesivas, lo que llevaría a una mayor efectividad en la prevención de la adhesión de gotas virales.

Fig. 3. A) Esquema de la medición de la relación de residuos \(m_r/m_0\), donde \(m_r\) y \(m_0\) son la masa del residuo líquido y de la gota, respectivamente. B) La relación de residuos \(m_r/m_0\) en diferentes superficies.

Para verificar este punto, se estudió la actividad viral en superficies recubiertas con superhidrofobicidad. La Fig. 4A muestra que la velocidad de copia del gen del virus es claramente más lenta en superficies superhidrofóbicas que en superficies hidrofílicas. Notablemente, como se muestra en la Fig. 4B, la actividad viral tiene una correlación positiva con la adhesión, lo que sugiere que las superficies superhidrofóbicas con menor fuerza adhesiva poseen una mejor capacidad para prevenir la propagación del virus.

Fig. 4. Correlación entre la mojabilidad de la superficie y la adhesión viral.

Este trabajo estudió la influencia de la mojabilidad de la superficie en la adhesión y actividad viral, lo que confirmó que las superficies superhidrofóbicas con baja adhesión muestran un buen rendimiento en la supresión de la formación de fómites al repeler gotas cargadas de virus. Demuestra que las superficies superhidrofóbicas pueden prevenir potencialmente la formación de fómites y ayudar en la lucha contra la pandemia de COVID-19 y otras enfermedades respiratorias.

Los ángulos de contacto, fuerzas adhesivas y relaciones de residuos líquidos se midieron con un sistema de análisis de contorno óptico de la serie OCA y un dispositivo de medición de ángulo de contacto dinámico y tensiómetro de fuerza de la serie DCAT de DataPhysics Instruments GmbH, Alemania.

 Para más información, consulte el siguiente artículo: 

"Superhidrofobicidad previniendo la contaminación de superficies como una nueva estrategia contra COVID-19"; Pingan Zhu, Yixin Wang, Hin Chu, Liqiu Wang; J. Colloid Interface Sci., 2021, 600, 613; DOI: 10.1016/j.jcis.2021.05.031.