Acoperiri nanostructurate inovatoare de lungă durată pentru conservarea patrimoniului

Rezumat rezultate proiect

Patrimoniul cultural este esențial pentru identitatea unui popor, iar conservarea sa este responsabilitatea comunității (Rivera și colab., 2018). Tratarea substraturilor din piatra sau lemn cu substanțe antimicrobiene reprezintă o provocare continuă, având în vedere necesitatea de a găsi soluții eficiente, ecologice și sigure pentru sănătatea umană. Deși metodele actuale de curățare și tratare sunt variate, ele prezintă  o serie de limitări, inclusiv poluarea mediului, precum și apariția si diseminarea rezistenței in randul microorganismelor (Toreno și colab., 2018; Zornoza-Indart și colab., 2019; Khan și colab., 2019). Din acest motiv, nanomaterialele (NM) au devenit o soluție promițătoare datorită capacității lor de a proteja și consolida substraturile deteriorate, oferind în același timp un sistem de auto-curățare care menține aspectul inițial al obiectelor de patrimoniu. Acestea includ nanoparticule metalice (Au, Cu și Ag) și oxizi metalici (Zn, Ti, Fe și Al), recunoscute pentru eficiența lor în combaterea biodeteriorării (David și colab., 2020).

Obiectivul central al proiectului LANCET a fost dezvoltarea tehnologiilor inovatoare pentru tratarea diferitelor suprafete precum piatra, compozite pe baza de ciment, sticla, lemn, sau alte materiale, pentru a asigura capacitatea anti-aderenta, antibacteriana si antifungica, precum si posibilitatea de etansare a fisurilor.Toate obiectivele asumate prin proiectul LANCET au fost îndeplinite gradual, în conformitate cu planul de realizare și cu acordul ferm de colaborare între cei doi parteneri. În cele ce urmează vor fi prezentate rezultatele relevante conform obiectivelor atinse:

Prima etapă a proiectului a urmărit investigarea utilizării nanoparticulelor (NP) de Ag, Au, Cu şi ZnO ca soluţii pentru combatere asupra unui numǎr semnificativ de tulpini de fungi microscopici filamentoși și bacterii izolate de pe obiecte de patrimoniu cultural din lemn și din piatră din diferite regiuni din România (secolele XVII-XIX-lea). Evaluarea activitǎṭii antimicrobiene a 6 tipuri de NP de Ag (Ag1, Ag 2, Ag3), Au, Cu şi ZnO sintetizate prin metode de sinteză caracteristice fiecărui tip de nanoparticule pe un numǎr total de 75 tulpini de microfungi apartinând genurilor Aspergillus, Penicillium, Purpureocilium și Trichoderma şi respectiv 17 tulpini bacteriene apartinând genului Bacillus s-a realizat prin metode calitative ṣi cantitative; evaluarea activităţii antibiofilm s-a realizat prin metoda microtitrării cu cristal violet iar influența soluţiilor de NP asupra activității enzimatice și asupra producerii de acizi organici prin cultivarea tulpinilor microbiene tratate cu concentrație subinhibitorii de soluţii de NP (CMI/2 şi CMI/4) pe medii de cultură specifice. Ecotoxicitatea respectiv fitotoxicitatea soluţiilor de NP investigate a fost caracterizată prin testul Allium. Screening-ul calitativ al activitǎṭii antimicrobiene a soluţiilor de NP pe tulpinile de microfungi a demonstrat o eficiență mai ridicată a NP de Ag2 şi Ag3, mai ales acţiune fungistatică asupra 68 respectiv 58.57% din tulpinile fungice testate. Cele mai sensibile au fost tulpinile de Aspergillus montevidensis la NP Ag2 (CMI=0,390 µg/mL), Penicillium commune la NP Ag3 (CMI< 1µg/mL) și P. corylophylum la NP ZnO (CMI=32,55 µg/mL) iar în cazul bacteriilor printre cele mai sensibile au fost tulpinile de B. megaterium la acţiunea NP Ag2 (CMI=0,4 µg/mL); B. megaterium şi B. cereus la acţiunea NP Ag3 (CMI=9 µg/mL). Soluţiile de NP Ag 3, de Cu şi de ZnO au redus capacitatea de aderenţă a tulpinilor la substrat inert. Efectul soluţiilor de NP asupra capacităţii enzimatice şi respectiv asupra producerii de acizi organici a variat în funcţie de tipul de NP şi specia analizată.

Etapa a II-a a proiectului a urmărit: i) obținerea, caracterizarea morfologică și structurală a unor materiale pe bază de siloxan mono și difuncțional pentru modificarea suprafeței unor materiale model de tip piatră, beton, materiale pe bază de celuloză, ii) caracterizarea  morfologică și structurală prin metode fizico-chimice a materialelor model tratate cu soluții siloxanice și soluții de NP, iii) evaluarea activității antimicrobiene, antibiofilm, a impactului asupra asupra capacității enzimatice și respectiv de producere de acizi organici a unor materiale model din marmură functionalizate cu agent de silanizare, agent de silanizare și nanoparticule (NP) de Cu, ZnO și TiO2; ceramică tip MD și MC tratate cu agent de silanizare, agent de silanizare și NP de Cu, ZnO și lemn tratat cu 2 tipuri de agent de silanizare-Silan SH și APTES respectiv NP de Ag, Cu și ZnO), și iv) studiul ecotoxicității materialelor cu potențial biocid asupra unor tulpini bacteriene de Bacillus cereus și B. megaterium și respectiv de fungi filamentoși (Penicillium chrysogenum) cunoscute din prima etapă de desfășurare a proiectului ca fiind implicate în deteriorarea unor obiecte de patrimoniu cultural din România. Rezultatele obținute au demonstrat faptul că procedeul utilizat pentru tratarea materialelor model ficționalizate cu soluții de NP de Cu, ZnO, TiO₂ și Ag (calcar, travertin, marmură și lemn) menține activitatea antimicrobiană a soluțiilor de NP reducând viabilitatea microorganismelor deteriogene în urma contactului direct. În plus, tratamentul aplicat interferă cu capacitatea de aderență a tulpinilor la suprafața materialelor ceea ce subliniază rolul acestuia în prevenirea contaminării cu microorganisme biodeteriogene și cu formarea biofilmelor microbiene. Impactul soluțiilor de NP folosite pentru tratarea materialelor model investigate în această etapă a variat în funcție de tulpina testată și produșii extracelulari (enzime sau acizi organici) secretați. Impactul fitotoxic al soluțiilor de NP folosite în tratarea substraturilor model din marmură, ceramică și lemn este redus, la testele de genotoxicitate fiind observate un număr redus de celule cu aberații cromozomiale.

Etapa a III-a a urmărit i) caracterizarea  morfologică și structurală prin metode fizico-chimice a materialelor model tratate cu soluții siloxanice și soluții de NP; ii) evaluarea stabilității si eficacității tratamentului de silanizare și decorare, eliberare de ioni și nanoparticule, iii) evaluări legate de îmbătrânirea forțată, iv) evaluarea biodeteriorării diferitelor substraturi (piatră, calcar, travertin, granit, marmura, beton, mortar și lemn) prin metoda SEM și FTIR înainte și după inocularea cu microorganisme și a suprafețelor / materialelor silanizare cu nanoparticule de Ag, Au, Cu, ZnO, TiO₂) evaluarea activității antimicrobiene, antifungice și anti-biofilm a suprafeteor tratate prin experimente in situ. Rezultatele obținute au demonstrat faptul că procedeul utilizat pentru tratarea materialelor model funcționalizate cu soluții de NP de Cu, ZnO, TiO₂ și Ag (calcar, travertin, marmură și lemn) este eficient, activitatea antibacteriana si antibiofilm depinzand in mare masura de tipul NP-lor utilizate dar si de agentul de silanizare.

Proiectul abordează o cercetare experimentală și demonstrativă care urmărește dezvoltarea de noi tehnologiilor inovatoare pentru tratarea diferitelor suprafețe precum piatra, compozite pe baza de ciment, sticla, lemn, sau alte materiale, pentru a asigura capacitatea anti-aderenta; antibacteriana şi antifungica precum si posibilitatea de etanșare a fisurilor. În acest scop, se vor folosi noi acoperiri pe bază de silice (monosiloxan cu diferite grupări funcționale și disiloxan) și se vor decora în continuare cu nanoparticule de Ag, Au, Cu, ZnO, TiO₂. Soluțiile pe bază de siloxan numite agenți de cuplare pot reacționa cu nanoparticulele, prin legarea chimică a nanoparticulelor Au, Cu, Ag prin grupări tiol sau a nanoparticulelor ZnO sau TiO₂ prin agenți disiloxani, conferind suprafețe complexe cu proprietățile specifice menționate mai sus.

Rezultatele preconizate în cadrul acestui proiect sunt:
-Raport de studiu al literaturii;
-Modele experimentale de NP inovatoare cu activitate antimicrobiană potențială;
-Un raport de analiză complexă care include tehnicile presupuse;
-Modele experimentale de suprafeţe silanizate – cel puţin 2 suporturi cu compoziţie diferită cu potenţial în protejarea patrimoniului naţional şi internaţional;
-Modele experimentale: cel puţin 2 tipuri de suprafeţe tratate decorate cu cele 5 tipuri de nanoparticule = 10 suprafete decorate;
-Cel puțin 5 tehnologii de funcționalizare și decorare cu nanoparticule
-Publicarea unui review într-o jurnal ISI clasat în Q1/Q2, 3 articole ISI, 2 brevete și 4 participări la conferințe internaționale;
-Lansarea site-ului web şi updatarea acestuia la sfarsitul fiecarei etape;
-Raport transmis Agenției de finanțare la sfârşitul fiecarei etape;