ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES DE ALEACIONES DE COBRE BACTERICIDAS REGISTRADAS POR EPA

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1 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES DE ALEACIONES DE COBRE BACTERICIDAS REGISTRADAS POR EPA R. Palma, A. Sepúlveda, R. Mannheim, E. Zumelzu y G. Hernandez Departamento Ingeniería Mecánica, Departamento de Metalurgia, Universidad de Santiago Instituto de Materiales y Proc. Termomecánicos, Universidad Austral Santiago 20 de Octubre de 2010.

2 Contenidos del estudio de las aleaciones de cobre Características, atributos y análisis de las aleaciones de cobre bactericida Selección de aleaciones y proceso de fabricación para objetos críticos en contaminación cruzada en un Hospital Estudio de degradación de aleaciones de cobre bactericidas Necesidad de estudios sobre el efecto de la composición y microestructura de las aleaciones de cobre sobre su efecto bactericida

3 CARACTERÍSTICAS, ATRIBUTOS Y ANÁLISIS DE LAS ALEACIONES DE COBRE BACTERICIDA

4 Criterios de selección de aleaciones de cobre Resistencia mecánica Resistencia a la corrosión Resistencia al desgaste Aspecto Facilidad de fabricación Costo Disponibilidad

5 Disponibilidad De las 275 aleaciones de cobre aprobadas inicialmente, sólo 62 están disponibles comercialmente en EE.UU. Existen en ciertos formatos: tubos, planchas, etc. Condición de fabricación: Fundidas y Coladas: Cu y Cu con Ni, Al, Bi, Se, Sn Conformadas: Todas Las aleaciones pueden tener distintos grados de Temper Grado de deformación en frío Envejecimiento

6 Aleaciones seleccionadas de acuerdo a distintos requerimientos Requerimiento Bactericida Disponibilidad Maquinabilidad Elongación Resistencia al rayado Resistencia corrosión nitrato de amonio C ,99%Cu C %Cu, ETP C14500 Cu-0,55%Te C52400 Bronce al P 90-10%Sn C17000 Cu-1.8%Be max C70600 Aleaciones seleccionadas. C10100 C ,99%Cu-OFLP C22000 Latón 90-10%Zn C14700 Cu-0.5%S max C52100 Bronce al P 92-8%Sn C17200 Cu-2%Be max C %Cu-DLP C23000 Laton rojo 85-15%Zn C89520 (colado) Latón rojo bajo en Pb C26000 Latón cartuchería 70-30%Zn C17410 Cu-0.5%Be max - 0.6%Co max C72500 Cu-10%Ni Cu-20%Ni Cu-10%Ni-2.8%Sn max Resistencia corrosión solución jabón, agua potable, hipoclorito de sodio y alcohol. Excelente (todas las aleaciones)

7 ESTUDIO DE DEGRADACIÓN DE ALEACIONES DE COBRE BACTERICIDAS

8 Ensayos realizados Cámara de climatización Cambio de coloración Efecto de los ciclos de limpieza

9 Composición de las aleaciones Cu Cu-Ni-Si (3-1) Cu-Zn (10) Cu-Ni-Sn (10-2) Cu-Zn (15) Cu-Ni-Al (6-2) Cu-Al (7) Cu-Zn-Sn (8-2) Cu-Ni (25) Cu-Zn-Sn (10-2) Armat (Chile)

10 Cámara de climatización Pérdida de masa Ensayo simulado en Cámara de Climatización (30ºC-60%HR) Se forman finos óxidos superficiales Hay pérdida de masa que no es significativa dado el espesor de las muestras en las aplicaciones. Mayor velocidad de pérdida de masa Menor velocidad de pérdida de masa

11 Cambio de coloración Mayor Menor C23000 Cu-15%Zn C71300 Cu-25%Ni Inicial Final

12 Rugosidad de la capa de óxido superficial

13 Efecto del líquido de limpieza sobre el color Solución 1: - Limpieza con detergente no espumante Nobla - Limpieza con agua potable - Desinfección con cloro Solución 2: - Limpieza con detergente no espumante Nobla - Limpieza con agua potable - Desinfección con solución de Quick Fill 920 Solución 3: - Sólo desinfección con alcohol isopropílico

14 Ciclos de limpieza Existe efecto de las soluciones con cloro (1) y Quil Fill (2) sobre la superficie en las muestras El efecto de la solución con alcohol isopropílico (3) es insignificante. La solución 1 y 2 degradan selectivamente más a las muestras Cu- Zn (III y IV) y en mínima proporción a las Cu-Al-Ni (I, V y X). Menor desempeño Mejor desempeño Inicial Final Cu-10Zn Cu-7Al

15 SELECCIÓN DE ALEACIONES Y PROCESO DE FABRICACIÓN PARA OBJETOS CRÍTICOS EN CONTAMINACIÓN CRUZADA EN UN HOSPITAL

16 Selección de objetos La empresa Evalueserve realizó un estudio de Mercado a nivel mundial para determinar los objetos de mayor responsabilidad en la propagación de infecciones intrahospitalarias Sala UCI Baranda lateral de cama. Brazos de apoyo. Mesa. Timbre de llamado. En Sanitarios Manilla y botón desagüe WC. Barra seguridad ducha. Grifería.

17 Requerimientos generales Ser bactericida. Debe estar disponible en la composición requerida (código UNS), y en una forma y estado de tratamiento (temper, dureza) adecuado para la fabricación y servicio.

18 Baranda lateral de cama. Requerimientos Resistencia al rayado, resistencia al doblado y alta ductilidad para su fabricación. Selección Latón CuZn15 UNS C23000 y Latón CuZn30 UNS C Disponibilidad Fleje: 1,5 2 mm de espesor por 90 mm de ancho. Temper: ½ duro. Proceso de manufactura Para recubrimiento interior y exterior de la baranda: Platinas; perfiles U, con las tapas correspondientes. Latones CuZn15 y CuZn30 pueden necesitar un recocido previo. La unión U-tapa: remache, tornillos y soldadura suave

19 Mesa Requerimientos Resistente al rayado Resistencia a la deformación plástica Resistencia al manchado, Selección: todas las aleaciones CuNi se comportan de mejor manera en corrosión (orina, ácidos, grasas, etc). Cobre CuNi25 C71300 CuNi6Al2 C61550 Disponibilidad Flejes, 1 mm de espesor por 50 x 80 cm de ancho x largo. Temper: duro Proceso de Manufactura Recubrimiento de la base de la mesa: doblar los flejes 1 cm y usar dos tornillos por cada cara. Además se deberían usar todos los flejes en un estado duro (hard) para mejorar la resistencia a la abrasión.

20 Grifería Requerimientos y del material Se debe obtener por fusión y colada, por lo que el principal requerimiento que debe cumplir es que sea colable. Selección CuZnBiSe C Proceso de manufactura La grifería se obtiene directamente de colada y se le realiza un pulido final.

21 NECESIDAD DE ESTUDIOS SOBRE EL EFECTO DE LA COMPOSICIÓN Y MICROESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES DE COBRE SOBRE SU EFECTO BACTERICIDA

22 El contenido de cobre en la aleación no es el único factor que determina la capacidad bactericida Depende también de: Tipo de Bacteria Cantidad inicial de bacteria Métodos de medición Características de la Aleación

23 El efecto del cobre y latón depende del tipo de bacteria: MRSA Escherichia coli

24 Inactivación bacteria [min] Inactivación bacteria [min] Positivo efecto bactericida del contenido de cobre en la aleación Cobre E. coli O157 NCTC MRSA(NCTC 10442) % 60% 70% 80% 90% 100% %at Cu Nota: a iguales % de Cu, existen distintos resultados The survival of Escherichia coli O157 on a range of metal surfaces. S.A. Wilks, H. Michels, C.W. Keevil % 60% 70% 80% 90% 100% %at Cu Potential use of copper surfaces to reduce survival of epidemic meticillin-resistant Staphylococcus aureus in the healthcare environment. J.O. Noyce, H. Michels, C.W. Keevil

25 Inactivación bacteria [min] Inactivación bacteria [min] Nulo efecto bactericida del contenido de cobre en la aleación A. baumannii C. albicans % 60% 70% 80% 90% 100% %at Cu 0 50% 60% 70% 80% 90% 100% %at Cu The antimicrobial activity of copper and copper alloys against nosocomial pathogens and Mycobacterium tuberculosis isolated from healthcare facilities in the Western Cape: an in-vitro study. S. Mehtar, I. Wiid, S.D. Todorov

26 Inactivación bacteria [min] Aunque las aleaciones de cobre aniquilan las bacterias, este efecto es mayor al disminuir el contenido de cobre en la aleación Inactivación bacteria [min] MRSA P. aeruginosa % 60% 70% 80% 90% 100% 0 50% 60% 70% 80% 90% 100% %at Cu %at Cu The antimicrobial activity of copper and copper alloys against nosocomial pathogens and Mycobacterium tuberculosis isolated from healthcare facilities in the Western Cape: an in-vitro study. S. Mehtar, I. Wiid, S.D. Todorov

27 Los resultados muestran que: Aleaciones con un mismo contenido de Cu, demoran distintos tiempos en aniquilar bacterias Dependiendo de la bacteria, el contenido de cobre en la aleación no tiene efecto sobre el tiempo de aniquilación Estos resultados deben ser explicados por variables no consideradas hasta aquí.

28 Acción del cobre sobre las bacterias (CDA) Existe una diferencia de potencial (voltaje) entre la parte exterior e interior de la membrana de la bacteria que produce una micro-corriente. Se sospecha que cuando una bacteria toma contacto con la superficie de cobre, ocurre un corto-circuito que crea hoyos en la membrana. En este caso, debe afectar la conductividad de la capa de óxido de la superficie del cobre.

29 Acción del cobre sobre las bacterias (CDA) Otra forma de generar hoyos en la membrana es por oxidación localizada. Esto ocurre cuando una molécula de cobre o iones de cobre se libera desde la superficie de cobre e impacta una proteína o un ácido graso de la membrana. Los cationes de cobre obstaculizan el metabolismo de la bacteria. En este otro caso, la actividad bactericida debe depender de la facilidad con que se puedan extraer cationes de cobre desde la superficie oxidada del cobre.

30 Aspectos cuyos efectos sobre la capacidad bactericida del cobre, deberían analizarse Tipo de elemento aleante (Ni, Zn, etc.) Cantidad de elemento aleante Deformación en frío previo al uso Tratamientos térmicos (envejecimientos) Tamaño de grano Presencia de partículas

31 Tamaño del grano de cobre Un trozo de cobre está constituido por granos, con millones de átomos de cobre en su interior. Los átomos situados en los límites entre los granos, pueden ser extraídos más facílmente.

32 La deformación en frío crea defectos en la red cristalina del cobre: Dislocaciones Dislocaciones en un acero inoxidable Los átomos ubicados en estos defectos, son más fácilmente extraídos Las dislocaciones se ven como líneas obscuras en esta imagen de un microscopio electrónico.

33 Dislocaciones en la unión entre cobre y una partícula de óxido de aluminio

34 Problema-Oportunidad Problema. Los estudios realizados a la fecha no evalúan la importancia o la no influencia de las características del material (composición y microestructura) sobre su efecto bactericida y sólo se centran en el porcentaje de cobre que contiene la aleación, siendo que en su procesamiento se modifica el material. No toman en cuenta el tipo de elemento aleante Oportunidad Generar conocimiento en el área de caracterización del cobre y su probable efecto sobre su capacidad bactericida permitirá diseñar nuevas aleaciones o seleccionar las mejores para esta aplicación.

35 Por ello, es necesario : Estudiar el efecto de la composición y de variables microestructurales de cobre y de aleaciones de cobre sobre su capacidad bactericida en superficies de contacto.

36 En particular, Estudiar el efecto de la composición y de variables microestructurales del material; del tiempo; y del ambiente sobre la composición y espesor de la capa de óxido superficial y la velocidad de generación de Cu+2 Estudiar el efecto del espesor y composición de la capa de óxido y de la velocidad de generación de Cu+2 sobre la actividad bactericida del cobre y de las distintas aleaciones

37 Se espera que este conocimiento en el área de caracterización del cobre y su probable efecto sobre su capacidad bactericida permita diseñar nuevas aleaciones o seleccionar las mejores para esta aplicación Muchas gracias.