Il controllo della biocontaminazione, negli ambienti di lavoro e in ambito ospedaliero, riguardo sia l'aria ambiente sia generici substrati (superfici degli impianti idrici e aeraulici e/o dispositivi biomedici) è di fondamentale importanza. L'uso di mezzi fisici, quali radiazioni elettromagnetiche e acustiche, è diffuso a vari livelli, per la disinfezione di aria e acqua e la pulizia di dispositivi. Il Progetto intende approfondire e ampliare lo studio già intrapreso dai/lleproponenti sull'efficacia della radiazione ultravioletta direttamente impiegata sui filtri assoluti degli impianti di condizionamento dell'aria (HVAC), sia per l'abbattimento della carica microbica nel flusso d'aria immesso negli ambienti, sia per il prolungamento della vita operativa dei filtri. Poiché buona parte delle infezioni si sviluppa a partire dalla presenza di biofilm batterico nonché dalla disponibilità di supporti di ancoraggio per le popolazioni di microrganismi, la ricerca si propone altresì di valutare l'uso della radiazione ultrasonora come strumento sia di inibizione (all'ancoraggio di popolazioni e alla formazione e allo sviluppo di biofilm su superfici e supporti non ancora colonizzati) sia 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, anche con la collaborazione di SagiCofim s.p.a., azienda leader nel settore della qualità dell'aria (IAQ).
Si prevedono attività di modellazione matematica e numerica dei flussi attraverso mezzi porosi (filtrazione) e dell'interazione di questi con la radiazione, in particolare ultrasonora. Alcuni parametri relativi al tasso riproduttivo del biofilm o all¿interazione col campo acustico saranno calibrati a partire dai risultati sperimentali (reverse engineering).
Si procederà a verifica della prestazione di eventuali innovazioni impiantistiche mediante un modello di analisi di rischio quantitativa.
Riguardo l'impiego di radiazione UV, nel caso di montaggio delle lampade nelle canalizzazioni, trasversalmente o longitudinalmente, il tempo di irradiazione, e perciò la dose ricevuta, dipende dalla velocità di efflusso dell'aria nei canali, che non può essere troppo bassa per garantire il trasporto della portata d'aria con ingombri non eccessivi. Nel caso di installazione in stanza, le lampade UV sono montate a muro o sospese al soffitto, a circa 2,4 m. La radiazione non è diretta in basso e il dispositivo è schermato per proteggere le persone. La disinfezione dell'aria, per cui la sorgente di contaminazione (gli occupanti) è in basso, è garantita dai moti convettivi che permettono all'aria di fluire nella zona occupata dalle lampade, dove le particelle infette, aerotrasportate, saranno efficacemente irradiate. Poiché la convezione naturale spesso non è sufficiente, i moti convettivi sono intensificati da ventilatori a soffitto. Numerosi studi sperimentali e numerici descrivono i tempi di irradiazione delle particelle per tali configurazioni. L'irradiazione diretta del filtro è una soluzione innovativa per la quale i precedenti risultati preliminari sono promettenti. Sia riguardo la ridotta carica rilasciata nel flusso d¿aria a valle dei filtri sia per l'incremento 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 (anche non HEPA) di impiego sia in ambito ospedaliero sia in ambito più generale, con i relativi costi di manutenzione degli impianti.
Riguardo gli ultrasuoni, in letteratura vi sono studi sull'uso di onde elastiche di alta frequenza per monitorare lo sviluppo e lo spessore di biofilm. Numerosi lavori, anche recenti, indagano gli effetti degli ultrasuoni (di alta e bassa potenza) per inibire lo sviluppo di biofilm e/o inattivare le popolazioni di microrganismi; altri lavori descrivono l'aumento di penetrazione di biocidi e di efficacia di antibiotici su biofilm di batteri in presenza di onde elastiche di alta frequenza [1-3]. Le competenze presenti nel Lab. di Acustica Fisica e la strumentazione disponibile garantiranno un contributo significativo in tale contesto che potrà avere applicazioni in ambito IAQ.
Per comprendere in dettaglio la crescita di un biofilm, sono importanti i modelli matematici. La letteratura degli ultimi 30 anni è ampia e in veloce crescita.
I modelli comprendono i monodimensionali, con equazioni di reazione-diffusione per i nutrienti, i multidimensionali, discreti e basati su automi cellulari, i pienamente continui, che trattano il biofilm come materiale viscoelastico, i multifase, che descrivono l'interazione tra biofilm e fluido [4-6].
La verifica sperimentale per i modelli proposti è rara, per limitazioni del modello o per carenza di dati sperimentali rilevanti o di parametri disponibili in letteratura. Lo studio dei processi a scale dal micron al centimetro nel biofilm è alla base della comprensione del suo ruolo nell'intero campo fluido. In tale contesto, gli approcci LBM sono ottimi 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 allo spessore. Grazie alla descrizione del flusso attraverso elementi filtranti, con le particelle trasportanti biocontaminazione trattate come scalare passivo (flusso monofase) o come fase solida dispersa nella fase fluida (flusso bifase), i modelli LBM possono simulare l¿interazione con la radiazione UV o con il campo ultrasonoro.
L'eventuale introduzione degli agenti fisici di sterilizzazione indagati come elementi innovativi in comuni configurazioni di impianto HVAC, con conseguenti ipotesi di modifica, per es. dei protocolli di sostituzione dei filtri o delle tipologie di filtri installati, dovrà necessariamente accompagnarsi a una valutazione del rischio; il progetto si propone di impostare un'analisi di rischio per l'introduzione di un processo innovativo precipuamente in tale contesto.
L'alto grado di multidisciplinarità del progetto, che spazia dai fondamenti della fisica alle applicazioni della fisica tecnica, alle implicazioni biomediche dell'interazione tra materia vivente e 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, aggregati dal fattore unificante dell'impiego di metodologie fisiche per la sanificazione, in ambito impiantistico e biomedico.
1 Erriu et al Ultras Sonochem 2014
2 Carmen at al Am J Infect Control 2005.
3 Qian et al Biomat 1996
4 Creber et al. Food Bioproducts Proc 2010
5Tang et al Water Resources Res 2013
6 Schulz et al Math. Meth Appl Sc 2017