Polimer przeciwdrobnoustrojowy
Polimery mające zdolność zabijania lub hamowania wzrostu mikroorganizmów, takich jak bakterie , grzyby lub wirusy , są klasyfikowane jako środki przeciwdrobnoustrojowe . Ta klasa polimerów składa się z naturalnych polimerów o naturalnej aktywności przeciwbakteryjnej i polimerów zmodyfikowanych tak, aby wykazywały aktywność przeciwdrobnoustrojową. Polimery są na ogół nielotne, stabilne chemicznie i mogą być modyfikowane chemicznie i fizycznie, aby wykazywały pożądane właściwości i aktywność przeciwdrobnoustrojową. Polimery przeciwdrobnoustrojowe są głównym kandydatem do stosowania w przemyśle spożywczym w celu zapobiegania zanieczyszczeniu bakteryjnemu oraz w sanitacji wody w celu zahamowania wzrostu mikroorganizmów w wodzie pitnej.
Mechanizm akcji
Polimery przeciwdrobnoustrojowe hamują wzrost komórek i inicjują śmierć komórek poprzez dwa podstawowe mechanizmy. Pierwszy mechanizm jest wykorzystywany przez polimery kontaktowe. Aktywne kontaktowo polimery wykorzystują oddziaływania elektrostatyczne , efekt hydrofobowy i efekt chelatowania . Przyciąganie elektrostatyczne to powszechna początkowa interakcja polimeru przeciwdrobnoustrojowego z drobnoustrojem . Efekty chelatujące i hydrofobowe są częstymi wtórnymi interakcjami polimerów przeciwdrobnoustrojowych z drobnoustrojami.
Kationowo naładowane polimery przeciwdrobnoustrojowe są przyciągane do anionowo naładowanych ścian komórkowych bakterii. Zewnętrzna ściana komórek bakteryjnych posiada ładunek ujemny netto. Błona cytoplazmatyczna komórek bakteryjnych ma ładunek ujemny i zawiera niezbędne białka. Wtórna interakcja, efekt chelatujący, obejmuje wiązanie polimeru przeciwdrobnoustrojowego z komórką drobnoustroju. Te interakcje prowadzą do przerwania błony komórkowej i ostatecznie zahamowania wzrostu lub śmierci komórek.
Błona cytoplazmatyczna komórki jest błoną półprzepuszczalną, która kontroluje transport substancji rozpuszczonych do komórki. Dwuwarstwa fosfolipidowa jest ważnym składnikiem błony komórkowej, która składa się z hydrofilowych głów i hydrofobowego ogona. Hydrofilowe głowy tworzą wewnętrzną i zewnętrzną wyściółkę błony komórkowej, podczas gdy hydrofobowe ogony tworzą wnętrze błony. Oddziaływanie wtórne, efekt hydrofobowy, polega na gromadzeniu się niepolarnych z dala od wody. Niepolarne składniki polimerów przeciwdrobnoustrojowych wprowadzają się do niepolarnego wnętrza błony komórkowej.
Polimery o dużej masie cząsteczkowej zwykle indukują śmierć lub hamowanie komórek poprzez kontaktowo czynne interakcje z powierzchnią komórek. Śmierć i zahamowanie komórek wynikają z upośledzenia normalnej funkcji komórkowej. Reszty dodatnie na polimerze oddziałują elektrostatycznie z ładunkami ujemnymi na komórce i indukują wtórne efekty komórkowe. Penetracja błony komórkowej jest powszechna w polimerach o niskiej masie cząsteczkowej. Początkowe oddziaływanie elektrostatyczne i hydrofobowe polimeru przeciwdrobnoustrojowego i polimeru biomimetycznego powoduje rozerwanie błony i śmierć komórki. Hydrofobowy ogon polimeru penetruje dwuwarstwę fosfolipidową do obszaru hydrofobowego, co powoduje rozerwanie błony i denaturację białek i enzymów , a także inne skutki uboczne. Efekty wtórne obejmują zakłócenie transportu substancji rozpuszczonej i elektronów , a także zaburzenia szlaków produkcji energii, co prowadzi do śmierci komórki.
Drugi mechanizm charakteryzuje się uwalnianiem środków przeciwdrobnoustrojowych o małej masie cząsteczkowej z polimerów. Środki przeciwdrobnoustrojowe uwalniane z polimerów indukują śmierć komórki poprzez wiązanie się ze ścianą komórkową lub jej penetrację. Kiedy środki przeciwdrobnoustrojowe wiążą się z białkami, zachodzą zmiany strukturalne w błonie komórkowej, powodując śmierć komórki. Wnikanie nanocząstek środków przeciwdrobnoustrojowych do ściany komórkowej umożliwia im interakcję z DNA komórki. Śmierć drobnoustrojów wynika z wpływu na transkrypcję DNA i syntezę mRNA , gdy nanocząsteczki polimeru łączą się z DNA.
Podstawowe właściwości polimerów przeciwdrobnoustrojowych
Istnieją różne podstawowe właściwości polimerów przeciwdrobnoustrojowych, w zależności od mechanizmu działania. Dwie podstawowe cechy kontaktowo czynnych polimerów przeciwdrobnoustrojowych to ładunek kationowy i hydrofobowość. Reszty kationowe są niezbędne do wywołania interakcji ze ścianą komórkową drobnoustrojów. Polikationy, takie jak czwartorzędowa amoniowa, czwartorzędowa fosfoniowa i guanidyniowa, są często spotykane w przeciwdrobnoustrojowych polimerach. Reszty hydrofobowe poprawiają wiązanie z dwuwarstwą lipidową i są wykorzystywane do wstawiania do ściany komórkowej drobnoustrojów. Niekontaktowe polimery przeciwdrobnoustrojowe wymagają dodania środków przeciwdrobnoustrojowych w celu wywołania aktywności. Typowe dodawane środki obejmują związki N-halaminy, tlenek azotu oraz nanocząsteczki miedzi i srebra.
Klasy polimerów przeciwdrobnoustrojowych
Polimery przeciwdrobnoustrojowe są ogólnie podzielone na dwie kategorie w zależności od tego, w jaki sposób nadawana jest aktywność przeciwdrobnoustrojowa. Pierwszą z nich są polimery o nieodłącznym działaniu przeciwdrobnoustrojowym, które nie wymagają żadnych modyfikacji w celu pobudzenia działania przeciwdrobnoustrojowego. Druga klasa wymaga modyfikacji, aby umożliwić działanie przeciwdrobnoustrojowe i można ją rozróżnić na podstawie rodzaju modyfikacji. Polimery mogą być modyfikowane chemicznie w celu wywołania działania przeciwdrobnoustrojowego lub mogą być stosowane jako szkielet do dodawania związków organicznych lub nieorganicznych.
Wrodzona aktywność przeciwdrobnoustrojowa
Polimery o naturalnej aktywności przeciwbakteryjnej obejmują chitozan, poli-ε-lizynę, czwartorzędowe związki amoniowe, polietylenoiminę i poliguanidyny. Chitozan jest nietoksycznym polimerem, który wykazuje szerokie spektrum działania przeciwdrobnoustrojowego. Mechanizm działania chitozanu obejmuje oddziaływanie elektrostatyczne, efekt chelatowania i efekt hydrofobowy. Oddziaływanie elektrostatyczne jest pierwotną interakcją początkową, gdy pH jest niższe, podczas gdy efekty chelatujące i hydrofobowe są głównymi interakcjami początkowymi, gdy pH jest wyższe. Zahamowanie wzrostu i śmierć grzybów, bakterii i drożdży obserwowano w przypadku chitozanu. Działanie przeciwdrobnoustrojowe chitozanu jest silniejsze w stosunku do grzybów niż drożdży i bardziej skuteczne w przypadku bakterii Gram-ujemnych niż bakterii Gram-dodatnich.
Poli-ε-lizyna jest biodegradowalnym, nietoksycznym, jadalnym polimerem przeciwbakteryjnym. Polimer ten wykorzystuje oddziaływania elektrostatyczne do przyczepiania się do ściany komórkowej, zakłócając w ten sposób integralność ściany komórkowej. Poli-ε-lizyna przenika przez ścianę komórkową, powodując fizjologiczne uszkodzenie komórki i śmierć. W porównaniu z podobnym syntetycznym polimerem, poli-ε-lizyna jest bardziej skuteczna przeciwko bakteriom Gram-dodatnim niż Gram-ujemnym. Poli-ε-lizyna jest również skuteczna przeciwko Bacillus coagulans, Bacillus stearothermophilus i Bacillus subtilis .
Chlorek benzalkoniowy, chlorek stearalkoniowy i cetrimonium to czwartorzędowe związki amoniowe zawierające azot. Na działanie przeciwbakteryjne tych związków ma wpływ liczba atomów węgla oraz długość łańcucha zawierającego azot. Optymalne działanie przeciwdrobnoustrojowe na ogół obserwuje się w czwartorzędowych związkach amoniowych o długim łańcuchu, zawierających 8-18 atomów węgla. Zwiększoną aktywność wobec bakterii Gram-dodatnich obserwuje się w polimerach o długości łańcucha 12-14 atomów węgla, podczas gdy lepszą aktywność wobec bakterii Gram-ujemnych obserwuje się w polimerach o długości łańcucha 14-16 atomów węgla. Polimerowe czwartorzędowe związki amoniowe zawierające azot indukują śmierć komórki poprzez oddziaływania elektrostatyczne i efekt hydrofobowy. Ta grupa polimerów wykazuje ograniczoną aktywność hemolityczną, co czyni je korzystnymi do stosowania w kosmetyce i ochronie zdrowia.
Polietylenoimina to syntetyczny, niebiodegradowalny polimer zawierający azot. Ten polimer indukuje śmierć komórki poprzez pęknięcie błony komórkowej. Po przyczepieniu do unieruchomionych powierzchni, w tym szkła i plastiku, N-alkilo-polietylenoimina powodowała inaktywację komórek prawie 100% bakterii i grzybów przenoszonych drogą powietrzną i wodną. Zaletą tego polimeru jest to, że jest on nietoksyczny dla komórek ssaków. Polietylenoimina została zastosowana w przemyśle medycznym do stosowania w protezach. Wzrost bakterii został zmniejszony o 92%, gdy polietylenoimina została przetestowana jako powłoka powierzchni urządzeń medycznych. Na aktywność polietylenoiminy wpływa masa cząsteczkowa polimeru; polietylenoimina o niskiej masie cząsteczkowej wykazuje znikomą aktywność, podczas gdy w postaci o wysokiej masie cząsteczkowej wykazuje dużą aktywność przeciwdrobnoustrojową.
Poliguanidyny to kolejna klasa przeciwdrobnoustrojowych polimerów zawierających azot. Ta klasa polimerów przeciwdrobnoustrojowych jest nietoksyczna i wykazuje wysoką rozpuszczalność w wodzie. Poliguanidyny wykazują szerokie spektrum działania przeciwbakteryjnego i początkowo oddziałują z drobnoustrojami za pomocą sił elektrostatycznych. Większą aktywność przeciwko bakteriom Gram-dodatnim zaobserwowano w przypadku poliguanidyn niż w przypadku bakterii Gram-ujemnych. Przyczynę różnicy w aktywności porównuje się do różnych struktur bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych. Bakterie Gram-ujemne mają cieńszą warstwę peptydoglikanu niż bakterie Gram-dodatnie. Ponadto bakterie Gram-ujemne mają zewnętrzną błonę lipidową, której nie mają bakterie Gram-dodatnie. Polimery o dużej masie cząsteczkowej są zdolne do penetracji bakterii Gram-dodatnich.
Aktywność przeciwdrobnoustrojowa poprzez modyfikację chemiczną
Ta klasa polimerów nie ma żadnej naturalnej aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Aby wywołać działanie przeciwdrobnoustrojowe, polimery są ponownie modyfikowane chemicznie w celu włączenia substancji czynnych. Aktywne grupy boczne są przyłączone do szkieletu polimeru w celu wytworzenia aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Wiszące grupy, antybiotyki lub cząstki nieorganiczne mogą przylegać do polimeru.
Wiszące grupy, które są przyłączone do szkieletu polimeru, obejmują czwartorzędowe grupy amoniowe, grupy hydroksylowe z kwasem organicznym i inne. Polimery przeciwdrobnoustrojowe zawierające czwartorzędową grupę amoniową jako grupę boczną są powszechnie syntetyzowane z monomerów metakrylowych. Zaletą tych monomerów jest to, że można manipulować hydrofobowością, masą cząsteczkową i ładunkiem powierzchniowym. Hydrofobowość polimeru ma silny wpływ na aktywność przeciwdrobnoustrojową. Polisiloksany, które mają czwartorzędową amoniową grupę boczną, wykazały aktywność przeciwko kilku szczepom bakterii, w tym Enterococcus hirae, E. coli i P. aeruginosa . Elastyczność i amfifilowy charakter tego polimeru zwiększa aktywność przeciwdrobnoustrojową. Gdy benzaldehyd, grupa hydroksylowa zawierająca kwas organiczny, jest stosowany jako grupa boczna z polimerami metakrylanu metylu, wykazano pięciokrotne zahamowanie wzrostu powierzchni kontrolnych. Benzaldehyd ma nieodłączną aktywność przeciwdrobnoustrojową i został włączony do polimerów w celu poprawy działania. Polimery z czwartorzędowymi grupami amoniowymi lub hydroksylowymi z kwasem organicznym jako grupą boczną wykazały aktywność przeciwko wielu typom bakterii, grzybów i alg.
Aktywność przeciwdrobnoustrojową można również wywołać poprzez dodanie do polimeru cząstek nieorganicznych, takich jak nanocząsteczki srebra, miedzi i dwutlenku tytanu. Nanocząstki metali są wprowadzane do polimeru, tworząc nanokompozyty polimerowe. Srebro jest wykorzystywane w polimerach przeciwdrobnoustrojowych ze względu na jego stabilność oraz szerokie spektrum aktywności przeciwbakteryjnej. Dodatnie jony srebra powstają w środowisku sprzyjającym rozwojowi bakterii. Te dodatnie jony srebra fizycznie oddziałują z białkami ściany komórkowej, powodując przerwanie błony i śmierć komórki. Nanocząsteczki srebra osadzone w polimerze kationowym wykazały aktywność przeciwko E. coli i S. aureus . Nanocząstki miedzi i dwutlenku tytanu są rzadziej stosowane w polimerach przeciwdrobnoustrojowych niż nanocząstki srebra. Nanocząsteczki miedzi osadzone w nanokompozytach polipropylenowych wykazały zdolność zabijania 99,9% bakterii. Dwutlenek tytanu jest nietoksycznym materiałem o działaniu przeciwbakteryjnym, który jest fotoaktywowany. Dwutlenek tytanu został osadzony w polipropylenie w celu wytworzenia fotoaktywnych polimerów przeciwdrobnoustrojowych. Aktywność przeciwbakteryjna kompozytu polimerowego jest inicjowana przez źródło światła. Źródło światła powoduje utlenianie dwutlenku tytanu, co powoduje uwolnienie wysoce reaktywnych form hydroksylowych, które niszczą bakterie. Skuteczność fotoaktywnego polimeru przeciwdrobnoustrojowego została wykazana przeciwko bakteriom E. coli .
Inna klasa polimerów przeciwbakteryjnych obejmuje te, których aktywność jest wprowadzana przez włączenie antybiotyków do matrycy polimerowej. Chemiczny triklosan jest powszechnie stosowany ze względu na swoje właściwości antybakteryjne. Triklosan zmieszany z kopolimerem styren-akrylan wykazuje działanie przeciwbakteryjne wobec E. faecalis . Ponadto triklosan połączony z polimerowym alkoholem poliwinylowym ma zwiększoną aktywność przeciwbakteryjną w porównaniu z triklosanem niewbudowanym w polimer. Polimer polietylenoiminy został również zmodyfikowany tak, aby zawierał antybiotyki. Polietylenoimina służy do zwiększania przepuszczalności ścian komórkowych bakterii, zwiększając w ten sposób wrażliwość bakterii na antybiotyki. Polietylenoimina zwiększa skuteczność antybiotyków, w tym ampicyliny, ryfampicyny, cefotaksymu i innych.
Polimery naśladujące białka
Matainina i defensyna to naturalne peptydy, krótkie polimery zbudowane z aminokwasów, które wykazują wyjątkową aktywność przeciwdrobnoustrojową. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa jest pochodną struktury peptydów, w tym bardzo sztywnego szkieletu. Te peptydy mają zorganizowane grupy wiszące, dzięki czemu jedna strona polimeru jest hydrofobowa, a druga kationowa. Ta grupa polimerów skutecznie indukuje śmierć komórki poprzez penetrację ściany komórkowej. Opracowano polimerowe mimetyki tych peptydów przeciwdrobnoustrojowych. Polimery naśladujące białka naśladują strukturę magaininy i defensyny. Przykłady polimerów naśladujących białka obejmują polimery na bazie poli(fenylenoetynylenu) i N-karboksybezwodnika. Wyprodukowano polimery poli(fenylenoetynylenowe) z bocznymi grupami aminokwasowymi tak, aby miały dodatnio naładowane grupy boczne i sztywny szkielet. Syntetyczny polimer charakteryzował się niską toksycznością i silną aktywnością przeciwdrobnoustrojową. Ponadto opracowano polimery na bazie N-karboksybezwodnika z hydrofilowym aminokwasem lizyną i różnymi hydrofobowymi aminokwasami. Polimery wykazywały aktywność przeciwdrobnoustrojową przeciwko E. coli, C. Albicans i innym.
Czynniki wpływające na aktywność przeciwdrobnoustrojową
Waga molekularna
Masa cząsteczkowa polimeru jest prawdopodobnie jedną z najważniejszych właściwości, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu właściwości przeciwdrobnoustrojowych, ponieważ aktywność przeciwdrobnoustrojowa jest wyraźnie zależna od masy cząsteczkowej. Stwierdzono, że optymalną aktywność uzyskuje się, gdy polimery mają masę cząsteczkową w zakresie od 1,4x104 Da do 9,4x104 Da . Wagi większe niż ten zakres wskazują na spadek aktywności. Tę zależność od wagi można przypisać kolejności etapów niezbędnych do działania biobójczego. Polimery o bardzo dużej masie cząsteczkowej będą miały trudności z dyfuzją przez ścianę komórkową i cytoplazmę bakterii. Tak więc wiele wysiłków skierowano na kontrolowanie masy cząsteczkowej polimeru.
Licznik jonów
Większość ścian komórkowych bakterii jest naładowana ujemnie, dlatego większość polimerów przeciwdrobnoustrojowych musi być naładowana dodatnio, aby ułatwić proces adsorpcji. Struktura przeciwjonu lub jonu związanego z polimerem w celu zrównoważenia ładunku również wpływa na aktywność przeciwdrobnoustrojową. Przeciwaniony, które tworzą silną parę jonową z polimerem, utrudniają działanie przeciwdrobnoustrojowe, ponieważ przeciwjon zapobiega interakcji polimeru z bakteriami. Jednak jony, które tworzą luźną parę jonową lub łatwo dysocjują z polimeru, wykazują pozytywny wpływ na aktywność, ponieważ umożliwiają swobodne oddziaływanie polimeru z bakteriami.
Długość elementu dystansowego/długość łańcucha alkilowego
Długość odstępnika lub długość łańcucha alkilowego odnosi się do długości łańcucha węglowego, który tworzy szkielet polimeru. Zbadano długość tego łańcucha, aby sprawdzić, czy wpływa on na aktywność przeciwdrobnoustrojową polimeru. Wyniki ogólnie wykazały, że dłuższe łańcuchy alkilowe skutkowały wyższą aktywnością. Istnieją dwa podstawowe wyjaśnienia tego efektu. Po pierwsze, dłuższe łańcuchy mają więcej miejsc aktywnych dostępnych do adsorpcji ze ścianą komórkową bakterii i błoną cytoplazmatyczną. Po drugie, dłuższe łańcuchy agregują inaczej niż krótsze łańcuchy, co ponownie może zapewnić lepsze środki do adsorpcji. Jednak krótsze łańcuchy łatwiej się rozpraszają.
Niedogodności
Główną wadą polimerów przeciwdrobnoustrojowych jest to, że makrocząsteczki są bardzo duże, a zatem mogą nie działać tak szybko, jak środki małocząsteczkowe. Polimery biobójcze, które wymagają czasu kontaktu rzędu godzin, aby zapewnić znaczną redukcję patogenów, tak naprawdę nie mają praktycznej wartości. Sekundy lub co najwyżej minuty powinny być docelowym czasem kontaktu dla rzeczywistej aplikacji. Ponadto, jeśli strukturalna modyfikacja polimeru spowodowana funkcjonalizacją biobójczą niekorzystnie wpłynie na zamierzone zastosowanie, polimer nie będzie miał praktycznej wartości. Na przykład, jeśli włókno, które musi być wystawione na działanie wodnego wybielacza, aby stało się przeciwdrobnoustrojowe (polimer N-halaminy), zostanie osłabione przez tę ekspozycję lub jego barwnik zostanie wybielony, będzie miało ograniczone zastosowanie.
Metody syntetyczne
Synteza z monomerów przeciwdrobnoustrojowych
Ta metoda syntezy obejmuje kowalencyjne łączenie środków przeciwdrobnoustrojowych, które zawierają grupy funkcyjne o wysokiej aktywności przeciwbakteryjnej, takie jak grupy hydroksylowe , karboksylowe lub aminowe , z różnymi polimeryzowalnymi pochodnymi lub monomerami przed polimeryzacją. Działanie przeciwdrobnoustrojowe substancji czynnej może być zmniejszone lub wzmocnione przez polimeryzację. Zależy to od tego, w jaki sposób środek zabija bakterie, albo przez wyczerpanie bakteryjnego zapasu pokarmu, albo przez rozerwanie błony bakteryjnej i rodzaj użytego monomeru. Odnotowano różnice, gdy porównano homopolimery z kopolimerami . Przykłady polimerów przeciwdrobnoustrojowych syntetyzowanych z monomerów przeciwdrobnoustrojowych przedstawiono w tabeli 2:
Tabela 2: Polimery zsyntetyzowane z monomerów przeciwdrobnoustrojowych i ich właściwości przeciwdrobnoustrojowe
| Monomer | Zahamowane gatunki drobnoustrojów | Mechanizm antybakteryjny | Porównanie polimerów z monomerem |
|---|---|---|---|
 |
Grzyb : C. albicans ; A. niger | Powolne uwalnianie 4-amino-N-(5-metylo-3-izoksazoli)benzenosulfonamidu | Homopolimer jest bardziej skuteczny niż monomer we wszystkich stężeniach. |
 |
Bakterie : Gram-dodatnie ; Gram-ujemne | cyny na powierzchni polimeru oddziałuje ze ścianą komórkową. | Kopolimeryzacja przeciwdrobnoustrojowego monomeru i styrenu zmniejsza siłę działania monomeru. |
 |
Bakterie : S. aureus ; P. aeruginosa ; E. coli ; | Obecność pochodnych benzimidazolu hamuje monooksygenazę cytochromu P-450 | Homopolimer jest bardziej skuteczny niż monomer. |
 |
Bakterie : Gram-dodatnie; Gram-ujemne | Uwalnianie norfloksacyny , która hamuje bakteryjną gyrazę DNA i wzrost komórek. | ---- |
 |
Bakterie : Pseudomonas aeruginosa ; Staphylococcus | eter 2,4,4'-trichloro-2'-hydroksydifenylowy | Homopolimer i kopolimery z metakrylanem metylu , styrenem są mniej skuteczne niż monomer. |
 |
Bakterie : S. złocisty; P. aeruginosa; | Czynnikiem aktywnym jest grupa fenolowa. | Polimeryzacja znacznie zmniejsza aktywność przeciwdrobnoustrojową monomerów. |
 |
Bakterie : E-coli | Bezpośredni transfer utleniającego halogenu z polimeru do ściany komórkowej organizmu. | ---- |
 |
Bakterie : E. coli;S. złocisty; S. typhimurium | Uwalnianie ugrupowań 8-hydroksychinoliny | homopolimer, jak i kopolimery z akryloamidem są mniej skuteczne niż monomer. |
 |
Bakterie : bakterie Gram-dodatnie | Substancją czynną jest sól sulfoniowa | Homopolimer jest bardziej skuteczny niż odpowiedni związek modelowy (tetrafluoroboran p-etylobenzylotetrametylenosulforu). |
 |
Bakterie : paciorkowce jamy ustnej | Bezpośrednie wiązanie kationów ze ścianą komórkową, co prowadzi do przerwania ściany komórkowej i śmierci komórki. | ---- |
.png) |
Bakterie : S. aureus; E coli | Biocydy kationowe działają na błony cytoplazmatyczne ; Podobieństwa grup wiszących polimeru i warstwy lipidowej zwiększają dyfuzję do ściany komórkowej | Monomery nie są aktywne, natomiast homopolimery wykazują umiarkowaną aktywność w stężeniach od 1 mg/mL do 3,9 mg/mL. |
 |
Bakterie : S. aureus; E coli | Zakłócenie błony | ---- |
 |
Bakterie : Staphylococcus ;E. coli | Unieruchamianie wysokich stężeń chloru w celu umożliwienia szybkiego działania biobójczego i uwalniania bardzo małych ilości żrącego wolnego chloru do wody | ---- |
Synteza poprzez dodanie środków przeciwdrobnoustrojowych do wstępnie uformowanych polimerów
Ta metoda syntezy obejmuje najpierw syntezę polimeru, a następnie modyfikację aktywnymi formami. Następujące rodzaje monomerów są zwykle używane do tworzenia szkieletu homopolimerów lub kopolimerów: chlorek winylobenzylu , metakrylan metylu , eter 2-chloroetylowinylowy, alkohol winylowy , bezwodnik maleinowy . Polimery są następnie aktywowane przez zakotwiczenie związków przeciwdrobnoustrojowych, takich jak sole fosfoniowe, sole amonowe lub grupy fenolowe poprzez czwartorzędowanie, podstawienie chlorku lub hydrolizę bezwodnika . Przykłady polimerów zsyntetyzowanych tą metodą podano w tabeli 3:
Tabela 3: Polimery przeciwdrobnoustrojowe zsyntetyzowane z wstępnie uformowanych polimerów i właściwości przeciwdrobnoustrojowe
| Polimer | Zahamowane gatunki drobnoustrojów | Mechanizm antybakteryjny |
|---|---|---|
 |
Grzyb : Candida albicans ; Aspergillus flavus ; Bakterie : S. aureus ; E. coli ; B. subtilis ; Fusarium oxysporum | Grupa aktywna: Grupy fosfoniowe . |
 |
Grzyb : Aspergillus fumigatus ; Penicillium pinophilum | Uwalnianie ugrupowania m-2-benzimidazolokarbamoilowego. |
 |
Bakterie : E. coli; S. aureus | Grupy aktywne: fenolowa grupa hydroksylowa . |
| Bakterie : E. coli ; S. aureus | Grupa aktywna: Czwartorzędowa grupa amoniowa. | |
 |
Grzyb : Trichophyton rubrum ; Bakterie : Bakterie Gram-ujemne | Grupy aktywne: fosfoniowe i czwartorzędowe grupy amoniowe. |
Synteza poprzez dodanie środków przeciwdrobnoustrojowych do naturalnie występujących polimerów
Chityna jest drugim najczęściej występującym biopolimerem w przyrodzie. Stwierdzono , że deacetylowany produkt chityny — chitozan ma działanie przeciwdrobnoustrojowe bez toksyczności dla ludzi. Ta technika syntezy polega na wytwarzaniu pochodnych chitozanu w celu uzyskania lepszej aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Obecnie prace obejmują wprowadzenie alkilowych do grup aminowych w celu wytworzenia czwartorzędowanych pochodnych N-alkilochitozanu, wprowadzenie dodatkowych czwartorzędowych szczepionek amoniowych do chitozanu oraz modyfikację fenolowymi ugrupowaniami hydroksylowymi .
Synteza poprzez wprowadzenie środków przeciwdrobnoustrojowych do szkieletu polimeru
Ta metoda polega na zastosowaniu reakcji chemicznych w celu włączenia środków przeciwdrobnoustrojowych do szkieletów polimerowych. Pożądane są polimery z biologicznie aktywnymi grupami, takie jak poliamidy , poliestry i poliuretany , ponieważ mogą ulegać hydrolizie do aktywnych leków i małych, nieszkodliwych cząsteczek. Na przykład zsyntetyzowano i zbadano szereg poliketonów , które wykazują hamujący wpływ na wzrost B. subtilis i P. fluorescens , a także grzybów, A. niger i T. viride. Istnieją również badania, które włączają antybiotyki do szkieletu polimeru.
Wymagania polimeru przeciwdrobnoustrojowego
Aby polimer przeciwdrobnoustrojowy był realną opcją dystrybucji i stosowania na dużą skalę, należy najpierw spełnić kilka podstawowych wymagań:
- Synteza polimeru powinna być łatwa i stosunkowo niedroga. Droga syntezy, która ma być produkowana na skalę przemysłową, powinna idealnie wykorzystywać techniki, które zostały już dobrze rozwinięte.
- Polimer powinien mieć długi okres przydatności do spożycia lub być stabilny przez długi czas. Powinien nadawać się do przechowywania w temperaturze, w której jest przeznaczony do użytku.
- Jeśli polimer ma być stosowany do dezynfekcji wody, powinien być nierozpuszczalny w wodzie, aby zapobiec problemom z toksycznością (jak ma to miejsce w przypadku niektórych obecnych małocząsteczkowych środków przeciwdrobnoustrojowych).
- Polimer nie powinien rozkładać się podczas użytkowania ani wydzielać toksycznych pozostałości.
- Polimer nie powinien być toksyczny ani drażniący dla osób podczas manipulacji.
- Aktywność przeciwdrobnoustrojowa powinna być zdolna do regeneracji po utracie aktywności.
- Polimery przeciwdrobnoustrojowe powinny działać biobójczo na szeroką gamę mikroorganizmów chorobotwórczych w krótkim czasie kontaktu.
Aplikacje
Uzdatnianie wody
Polimerowe środki dezynfekujące są idealne do zastosowań w ręcznych filtrach do wody, powłokach powierzchniowych i włóknistych środkach dezynfekujących , ponieważ mogą być wytwarzane różnymi technikami i mogą być nierozpuszczalne w wodzie. Pożądane jest zaprojektowanie nierozpuszczalnych kontaktowych środków dezynfekcyjnych, które mogą inaktywować, zabijać lub usuwać docelowe mikroorganizmy przez zwykły kontakt bez uwalniania jakichkolwiek reaktywnych środków do dezynfekowanej fazy masowej. Chlorowe lub rozpuszczalne w wodzie środki dezynfekujące mają problemy z toksycznością resztkową, nawet jeśli stosowane są minimalne ilości substancji. Toksyczne pozostałości mogą koncentrować się w żywności, wodzie i środowisku. Ponadto, ponieważ wolne jony chloru i inne powiązane chemikalia mogą reagować z substancjami organicznymi w wodzie, dając analogi trihalometanu , co do których podejrzewa się, że są rakotwórcze , należy unikać ich stosowania. Wady te można rozwiązać, usuwając mikroorganizmy z wody za pomocą substancji nierozpuszczalnych.
Aplikacje spożywcze
Substancje przeciwdrobnoustrojowe zawarte w materiałach opakowaniowych mogą kontrolować skażenie mikrobiologiczne poprzez zmniejszanie tempa wzrostu i maksymalnego wzrostu populacji. Odbywa się to poprzez wydłużenie fazy lag (ang. lagphase) docelowego mikroorganizmu lub poprzez inaktywację mikroorganizmów w kontakcie. Jednym z takich zastosowań jest wydłużenie okresu przydatności do spożycia żywności i promowanie bezpieczeństwa poprzez zmniejszenie tempa wzrostu mikroorganizmów, gdy opakowanie styka się z powierzchnią stałej żywności, np. mięsa, sera itp. Po drugie, antybakteryjne materiały opakowaniowe znacznie zmniejszają możliwość ponownego zanieczyszczenia przetworzonych produktów i upraszczają obróbkę materiałów w celu wyeliminowania zanieczyszczenia produktu. Na przykład opakowania samosterylizujące mogą wyeliminować konieczność stosowania nadtlenku w aseptycznych . Polimery przeciwdrobnoustrojowe mogą być również stosowane do pokrywania powierzchni sprzętu do przetwarzania żywności jako środek samodezynfekujący . Przykłady obejmują uszczelki filtrów, przenośniki, rękawice, odzież i inny do higieny osobistej .
Niektóre polimery są z natury przeciwdrobnoustrojowe i były stosowane w filmach i powłokach. Polimery kationowe, takie jak chitozan, sprzyjają adhezji komórek. Dzieje się tak, ponieważ naładowane aminy oddziałują z ładunkami ujemnymi na błonie komórkowej i mogą powodować wyciek składników wewnątrzkomórkowych. Chitozan był używany jako powłoka i wydaje się chronić świeże warzywa i owoce przed degradacją przez grzyby. Chociaż działanie przeciwdrobnoustrojowe przypisuje się przeciwgrzybiczym chitozanu, możliwe jest, że chitozan działa jako bariera między składnikami odżywczymi zawartymi w produkcie a mikroorganizmami.
Medycyna i opieka zdrowotna
Polimery przeciwdrobnoustrojowe są silnymi kandydatami do kontrolowanych systemów dostarczania i implantów w dentystycznych materiałach do wypełnień ze względu na ich wysoką aktywność. Można to przypisać ich charakterystycznemu charakterowi przenoszenia dużej lokalnej gęstości ładunku grup aktywnych w sąsiedztwie łańcuchów polimerowych. Na przykład, elektroprzędzone włókna zawierające chlorowodorek tetracykliny na bazie poli(etyleno-ko-octanu winylu), poli(kwasu mlekowego) i mieszanki zostały przygotowane do zastosowania jako przeciwdrobnoustrojowy opatrunek na rany. Pochodne celulozy są powszechnie stosowane w kosmetyce jako odżywki do skóry i włosów. Czwartorzędowe amoniowe pochodne celulozy są szczególnie interesujące jako odżywki w produktach do włosów i skóry.
Przyszła praca w tym zakresie
Dziedzina polimerów przeciwdrobnoustrojowych rozwijała się stale, ale powoli w ostatnich latach i wydaje się, że jest na skraju szybkiego rozwoju. Dowodem na to jest szeroka gama nowych klas związków, które zostały przygotowane i zbadane w ciągu ostatnich kilku lat.
Modyfikacja polimerów i powierzchni włóknistych oraz zmiana porowatości, zwilżalności i innych właściwości podłoży polimerowych powinna dać implanty i urządzenia biomedyczne o większej odporności na adhezję drobnoustrojów i tworzenie biofilmu . Opracowano szereg polimerów, które można włączyć do celulozy i innych materiałów, co powinno zapewnić znaczny postęp w wielu dziedzinach, takich jak opakowania żywności, tekstylia, opatrunki na rany, powlekanie rurek cewnika i koniecznie sterylne powierzchnie . Większe zapotrzebowanie na materiały zwalczające infekcje zachęci do odkrywania i stosowania polimerów przeciwdrobnoustrojowych.
Bibliografia
- Cowie, JMG Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials , Chapman and Hall, wydanie 3 (2007);
- Stany Zjednoczone. Kongres. Biuro Oceny Technologii. Biopolimery: wytwarzanie materiałów sposobem natury , Washington, DC: The Office, (1993);
- Marsh, J. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe , J. Wiley, (1994);
- Wełna, RP Biopolimery i kompozyty , Elsevier Academic Press, (2005).
Linki zewnętrzne
- Technologie polimerów przeciwdrobnoustrojowych do zastosowań w żywności
- Materiały antybakteryjne
- Antybakteryjne powierzchnie polimerowe