El cobre y sus aleaciones (latones, bronces, cuproníquel, cobre-níquel-zinc y otros) son materiales antimicrobianos naturales. Las civilizaciones antiguas explotaron las propiedades antimicrobianas del cobre mucho antes de que se entendiera el concepto de microbios en el .Dollwet, H. H. A. and Sorenson, J. R. J. "Historic uses of copper compounds in medicine", Trace Elements in Medicine, Vol. 2, No. 2, 1985, pp. 80–87. Además de varias preparaciones medicinales de cobre, también se observó hace siglos que el agua contenida en recipientes de cobre o transportada en sistemas de transporte de cobre era de mejor calidad (es decir, poca o nula formación visible de lodo o bioincrustaciones) que el agua contenida o transportada en otros materiales.
Las propiedades antimicrobianas del cobre aún se encuentran bajo investigación activa. Los mecanismos moleculares responsables de la acción antibacteriana del cobre han sido objeto de una intensa investigación. Los científicos también están demostrando activamente la eficacia intrínseca de las "superficies táctiles" de aleación de cobre para destruir una amplia gama de microorganismos que amenazan la salud pública.Zaleski, Andrew, As hospitals look to prevent infections, a chorus of researchers make a case for copper surfaces, STAT, September 24, 2020
Las propiedades antimicrobianas del cobre han encontrado diversas aplicaciones, como su uso en superficies hopitalarias, la producción de sanitizantes domésticos, su incorporación en fibras textiles (para la fabricación de mascarillas y calcetines para pie diabético o pie de atleta, por ejemplo), e incluso la producción de arte microbiano.Barbet, André; Marcoleta, Andrés (2021). «Microbiograma: Descripción de la técnica». En:
Mecanismos de acción En 1852, Victor Burq descubrió que los que trabajaban con cobre tenían muchas menos muertes por cólera que cualquier otra persona, e hizo una investigación exhaustiva que lo confirmó. En 1867 presentó sus hallazgos a las Academias Francesas de Ciencia y Medicina, informándoles que aplicar cobre en la piel era eficaz para prevenir que alguien contrajera cólera.
El efecto oligodinámico se descubrió en 1893 como un efecto tóxico de los iones metálicos sobre células vivas, algas, mohos, esporas, hongos, virus, microorganismos procarióticos y eucarióticos, incluso en concentraciones relativamente bajas. Este efecto antimicrobiano lo demuestran los iones de cobre, así como mercurio, plata, hierro, plomo, zinc, bismuto, oro y aluminio.
En 1973, los investigadores de Battelle Columbus LaboratoriesDick, R. J.; Wray, J. A.; Johnston, H. N. (1973), "A Literature and Technology Search on the Bacteriostatic and Sanitizing Properties of Copper and Copper Alloy Surfaces", Phase 1 Final Report, INCRA Project No. 212, June 29, 1973, contracted to Battelle Columbus Laboratories, Columbus, Ohio llevaron a cabo una búsqueda exhaustiva de literatura, tecnología y patentes que trazó la historia de la comprensión de las "propiedades bacteriostáticas y desinfectantes de las superficies de cobre y aleaciones de cobre", que demostró que el cobre, en cantidades muy pequeñas, tiene el poder de controlar una amplia gama de mohos, hongos, algas y microbios dañinos. De las 312 citas mencionadas en la revisión durante el período de tiempo 1892-1973, las siguientes observaciones son dignas de mención:
El cobre inhibe Actinomucor elegans, Aspergillus niger, Bacterium linens, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, Brevibacterium erythrogenes, Candida utilis, Penicillium chrysogenum, Rhizopus niveus, Saccharomyces mandshuricus y Saccharomyces cerevisiae en concentraciones superiores a 10 g/L.Chang, S. M. and Tien, M. (1969), Effects of Heavy Metal Ions on the Growth of Microorganisms, Bulletin of the Institute of Chemistry, Academia Sinica, Vol. 16, pp. 29–39. Candida utilis (anteriormente, Torulopsis utilis) se inhibe completamente a de concentraciones de cobre 0.04 g/L. El Tubercle bacillus es inhibido por el cobre como cationes simples o aniones complejos en concentraciones de 0.02 a 0.2 g/L.Feldt, A. (no year), Tubercle Bacillus and Copper, Munchener medizinische Wochenschrift, Vol. 61, pp. 1455–1456 El cobre metálico inhibe el crecimiento de Achromobacter fischeri y Photobacterium phosphoreum. La división celular de Paramecium caudatum se reduce mediante placas de cobre colocadas sobre cubiertas de placas de Petri que contienen infusorios y medios nutritivos.Oĭvin, V. and Zolotukhina, T. (1939), Action Exerted From a Distance by Metals on Infusoria, Bulletin of Experimental Biology and Medicine USSR, Vol. 4, pp. 39–40. El poliovirus se inactiva diez minutos después de la exposición al cobre con ácido ascórbico.
Un artículo sondeó algunos de los mecanismos antimicrobianos del cobre y citó no menos de 120 investigaciones sobre la eficacia de la acción del cobre sobre los microbios. Los autores señalaron que los mecanismos antimicrobianos son muy complejos y tienen lugar de muchas formas, tanto dentro de las células como en los espacios intersticiales entre las células.
Ejemplos de algunos de los mecanismos moleculares señalados por varios investigadores incluyen los siguientes:
El cobre puede alterar la estructura tridimensional de las proteínas, por lo que las proteínas ya no pueden realizar sus funciones normales. El resultado es la inactivación de bacterias o virus. Los complejos de cobre forman radicales que inactivan los virus. El cobre puede alterar las estructuras y funciones de las enzimas al unirse a grupos de proteínas que contienen azufre o carboxilato y grupos amino. El cobre puede interferir con otros elementos esenciales, como el zinc y el hierro. El cobre facilita la actividad deletérea en los radicales superóxido. Las reacciones redox repetidas en macromoléculas específicas del sitio generan radicales HO•, lo que provoca "daños por golpes múltiples" en los sitios objetivo. El cobre puede interactuar con los lípidos, provocando su peroxidación y abriendo agujeros en las membranas celulares, comprometiendo así la integridad de las células. Esto puede provocar una fuga de solutos esenciales que, a su vez, pueden tener un efecto desecante. El cobre daña la cadena respiratoria en las células de Escherichia coli. y se asocia con alteraciones del metabolismo celular. Una corrosión más rápida se correlaciona con una inactivación más rápida de microorganismos. Esto puede deberse a una mayor disponibilidad de ion cúprico, Cu2+, que se cree que es responsable de la acción antimicrobiana. En experimentos de inactivación de la cepa de la gripe, H1N1, que es casi idéntica a la cepa aviar H5N1 y la cepa H1N1 2009 (gripe porcina), los investigadores plantearon la hipótesis de que la acción antimicrobiana del cobre probablemente ataca la estructura general del virus y, por lo tanto, tiene un efecto de amplio espectro. Los microbios requieren enzimas que contienen cobre para impulsar ciertas reacciones químicas vitales. Sin embargo, el exceso de cobre puede afectar a las proteínas y enzimas de los microbios, inhibiendo así sus actividades. Los investigadores creen que el exceso de cobre tiene el potencial de alterar la función celular tanto dentro de las células como en los espacios intersticiales entre las células, probablemente actuando sobre la envoltura externa de las células.
Actualmente, los investigadores creen que los mecanismos antimicrobianos más importantes para el cobre son los siguientes:
Los niveles elevados de cobre dentro de una célula provocan estrés oxidativo y la generación de peróxido de hidrógeno. En estas condiciones, el cobre participa en la llamada reacción de Fenton, una reacción química que causa daño oxidativo a las células. El exceso de cobre provoca una disminución en la integridad de la membrana de los microbios, lo que conduce a la fuga de nutrientes celulares esenciales específicos, como el potasio y el glutamato. Esto conduce a la desecación y posterior muerte celular. Si bien el cobre es necesario para muchas funciones de las proteínas, en una situación de exceso (como en la superficie de una aleación de cobre), el cobre se une a proteínas que no requieren cobre para su función. Esta unión "inapropiada" conduce a la pérdida de función de la proteína y/o la descomposición de la proteína en porciones no funcionales.
Estos posibles mecanismos, así como otros, son objeto de estudio continuo por parte de los laboratorios de investigación académica de todo el mundo.
Eficacia antimicrobiana de las superficies táctiles de aleación de cobre
Las superficies de aleación de cobre tienen propiedades intrínsecas para destruir una amplia gama de microorganismos. Con el fin de proteger la salud pública, especialmente en entornos sanitarios con poblaciones de pacientes susceptibles, en los últimos diez años se han realizado una gran cantidad de estudios de eficacia antimicrobiana revisados por pares con respecto a la eficacia del cobre para destruir E. coli O157:H7, Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA), Staphylococcus, Clostridium difficile, virus de la influenza A, adenovirus y hongos. También se investigó el acero inoxidable porque es un material de superficie importante en los entornos sanitarios actuales. Los estudios citados aquí, más otros dirigidos por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, dieron como resultado el registro en 2008 de 274 aleaciones de cobre diferentes como materiales antimicrobianos certificados que tienen beneficios para la salud pública.
E. coli
La E. coli O157: H7 produce potentes toxinas que provocan diarrea, dolores intensos y náuseas en las personas infectadas. Los síntomas de infecciones graves incluyen colitis hemolítica (diarrea con sangre), síndrome urémico hemolítico (enfermedad renal) y muerte. E. coli O157:H7 se ha convertido en una grave amenaza para la salud pública debido a su mayor incidencia y porque los niños de hasta 14 años, los ancianos y las personas inmunodeprimidas corren el riesgo de sufrir los síntomas más graves.
Eficacia en superficies de cobre Varios estudios han demostrado que las superficies de aleación de cobre matan a E. coli O157:H7. Más del 99,9% de los microbios de E. coli mueren después de solo 1 a 2 horas con cobre. En superficies de acero inoxidable, los microbios pueden sobrevivir durante semanas.
Los resultados de la destrucción de E. coli O157: H7 en una aleación que contiene 99,9% de cobre (C11000) demuestran que este patógeno muere rápida y casi por completo (más del 99,9% de tasa de destrucción) en noventa minutos a temperatura ambiente (20 °C). A temperaturas frías (4 °C), más del 99,9% de E. coli O157: H7 muere en 270 minutos. La destrucción de E. coli O157: H7 en varias aleaciones de cobre que contienen 99-100% de cobre (incluidos C10200, C11000, C18080 y C19700) a temperatura ambiente comienza en minutos. A bajas temperaturas, el proceso de inactivación duró aproximadamente una hora más. No se produce una reducción significativa en la cantidad de E. coli O157: H7 viable en acero inoxidable después de 270 minutos.