Il controllo della biocontaminazione in ambito ospedaliero, sia per quanto riguarda gli ambienti sia in generale riguardo generici substrati (superfici interne degli impianti idrici e aeraulici e/o dispositivi biomedici) è di fondamentale importanza. L'impiego di mezzi fisici, in particolare di radiazioni elettromagnetiche e acustiche, è diffuso a vari livelli, per la disinfezione di aria e acqua e per la pulizia di dispositivi. Il Progetto intende proseguire e approfondire lo studio già intrapreso dalla proponente sull'efficacia della radiazione ultravioletta direttamente impiegata sui filtri assoluti degli impianti di condizionamento dell'aria, sia in termini di abbattimento della carica microbica nella corrente d'aria immessa negli ambienti, sia in termini di prolungamento della vita operativa dei filtri. Poiché gran parte delle infezioni nosocomiali si sviluppa a partire dalla presenza di biofilm batterico, la ricerca si propone altresì di valutare l'impiego della radiazione ultrasonora, sia per la caratterizzazione di tale complesso aggregato, sia come strumento di inibizione alla sua formazione e al suo sviluppo su superfici non ancora colonizzate e di distruzione e/o distacco in caso di biofilm esistenti.
La ricerca si avvale di apparati in parte già disponibili, di cui va ripristinata l'operatività, e di sezioni di prova da realizzare. Parte degli strumenti di misura è messa a disposizione dalle/i componenti il gruppo di ricerca, mentre parte andrà a costituire la dotazione della strumentazione del "Lab. per le attività di ricerca e didattica integrate in Ing. Clinica e Biomedica".
Sono infine previste attività di modellazione matematica e numerica dello sviluppo dei biofilm e dell'interazione di questi con la radiazione, in particolare ultrasonora. Alcuni parametri descrittivi del tasso riproduttivo o dell'interazione col campo acustico si potranno essere calibrati a partire dall'analisi dei risultati sperimentali mediante tecniche di ingegneria inversa.
Per quanto riguarda l'impiego della radiazione ultravioletta, nel caso in cui le lampade siano montate all'interno delle canalizzazioni, sia trasversalmente sia longitudinalmente, il tempo di irradiazione, e perciò la dose ricevuta, è funzione della velocità di efflusso dell'aria nei canali, che non può essere arbitrariamente bassa per garantire il trasporto della portata d'aria con ingombri non eccessivi. Nel caso di installazione nella parte superiore della stanza, le lampade UV-C sono montate a muro o sospese dal soffitto, a circa 2,4 m. La configurazione delle lampade è tale per cui la radiazione non è diretta verso il basso e il dispositivo è schermato per proteggere le persone. La disinfezione dell'aria, per cui la sorgente di contaminazione, costituita dai pazienti, si trova in basso, è garantita dai moti convettivi che permettono all'aria di fluire nella zona occupata dalle lampade, dove le particelle infette, aerotrasportate, verranno efficacemente irradiate. Poiché la convezione naturale spesso non è sufficiente, i moti convettivi sono intensificati da ventilatori a soffitto. Numerosi studi sperimentali e numerici sono dedicati alla verifica dei tempi di irradiazione delle particelle relativi a tali configurazioni. L'irradiazione diretta del filtro assoluto è una soluzione innovativa per la quale i risultati preliminari delle precedenti ricerche sono promettenti. Sia per quanto riguarda la ridotta carica batterica rilasciata a valle dei filtri nella corrente d'aria sia per l¿incremento della durata della vita operativa dei filtri, la ricerca proposta porterà informazioni aggiuntive sul comportamento di vari microrganismi, non indagato nei precedenti lavori, e per l'analisi del ciclo di vita dei filtri con i relativi costi di manutenzione degli impianti.
Nel caso di impiego di radiazione ultracustica, in letteratura vi sono alcuni studi sulla possibilità di usare le onde elastiche di alta frequenza per monitorare lo sviluppo e lo spessore di un biofilm. Un numero crescente di lavori, anche recenti, è dedicato all'indagine degli effetti degli ultrasuoni (di alta e bassa potenza) per inibire lo sviluppo di biofilm e/o per inattivare le popolazioni di microganismi; altri lavori sono dedicati all'intensificazione della penetrazione di biocidi e all'aumento dell'effetto degli antibiotici nel trattamento di biofllm di batteri in presenza di onde elastiche di alta frequenza (1-3). La competenza sviluppata all'interno del Laboratorio di Acustica Fisica e la strumentazione ivi presente garantiranno l'ottenimento di un contributo significativo a tale filone di ricerca che potrà avere applicazioni anche per il condizionamento dell'aria.
Per la comprensione in dettaglio della crescita di un biofilm, sono importanti i modelli matematici. La letteratura degli ultimi 30 anni è estesa e sempre in crescita.
I modelli comprendono quelli monodimensionali, con equazioni di reazione-diffusione per i nutrienti, quelli multidimensionali, discreti e basati su automi cellulari, quelli pienamente continui, che trattano il biofilm come un materiale viscoelastico, quelli multifase, che descrivono l'interazione tra il biofilm e il fluido (4-6)
E' raro che i modelli proposti siano verificati sperimentalmente, o per limitazioni del modello, o per la carenza di dati sperimentali rilevanti o per la carenza di parametri disponibili in letteratura. Lo studio dei processi relativi alla scala dai micron ai centimetri all'interno dei biofilm è alla base della comprensione del ruolo del biofilm nell'intero campo fluido. In tale contesto, anche gli approcci del tipo lattice Boltzmann si rivelano buoni candidati, descrivendo bene l'interazione fluido-struttura per materiali porosi e potendosi accoppiare per esempio alle equazioni per le reazioni chimiche. Il progetto intende costruire un modello matematico di crescita a partire, tra l'altro, dai dati sperimentali relativi alla misura dello spessore.
L'alto grado di multidisciplinarità del progetto, il quale spazia dai fondamenti della fisica alle applicazioni della fisica tecnica, alle implicazioni biomediche dell¿interazione della materia vivente con i campi acustici ed elettromagnetici (e alla loro modellazione matematica), naturale veicolo di formazione continua per i partecipanti, produrrà nell'assegnista di ricerca una competenza unica su temi di varia competenza e specificità nel contempo aggregati dal fattore unificante relativo all'impiego di metodologie fisiche per la sanificazione, nell'ambito delle tecnologie biomediche.
1 Erriu et al. Ultras Sonochemi, 21, 2014
2 Carmen at al Am J Infect Control. 33 2005.
3 Qian et al Biomaterials 17 1996
4 Creber et al. Food and Bioproducts Processing 88, 2010
5Tang et al. Water Resources Res. 49 2013
6 Schulz et al. Math. Methods Appl. Sc. 40 2017