Powierzchnia antybakteryjna

Powierzchnia przeciwdrobnoustrojowa jest pokryta środkiem przeciwbakteryjnym , który hamuje zdolność mikroorganizmów do wzrostu na powierzchni materiału. Takie powierzchnie są coraz szerzej badane pod kątem możliwego zastosowania w różnych miejscach, w tym w klinikach, przemyśle, a nawet w domu. Najczęstszym i najważniejszym zastosowaniem powłok przeciwdrobnoustrojowych w placówkach służby zdrowia jest sterylizacja urządzeń medycznych w celu zapobiegania infekcjom szpitalnym, które są przyczyną prawie 100 000 zgonów w Stanach Zjednoczonych. Oprócz wyrobów medycznych pościel i odzież mogą stanowić odpowiednie środowisko do rozwoju wielu bakterii , grzybów i wirusów w kontakcie z ludzkim ciałem, co umożliwia przenoszenie chorób zakaźnych.

Powierzchnie przeciwdrobnoustrojowe są funkcjonalizowane w wielu różnych procesach. Powłokę można nakładać na powierzchnię zawierającą związek chemiczny toksyczny dla mikroorganizmów. Alternatywnie, możliwa jest funkcjonalizacja powierzchni poprzez adsorbowanie polimeru lub polipeptydu i/lub zmianę ich mikro- i nanostruktury.

Innowacją w dziedzinie powierzchni przeciwdrobnoustrojowych jest odkrycie, że miedź i jej stopy ( mosiądz , brąz , miedzionikl , miedź-nikiel-cynk i inne) są naturalnymi materiałami przeciwbakteryjnymi , które mają nieodłączne właściwości niszczenia szerokiej gamy mikroorganizmów . Opublikowano wiele recenzowanych badań skuteczności przeciwdrobnoustrojowej dotyczących skuteczności miedzi w niszczeniu E. coli O157:H7, opornego na metycylinę Staphylococcus aureus ( MRSA ), Staphylococcus , Clostridium difficile , wirusa grypy A , adenowirusa i grzybów .

Oprócz branży medycznej, powierzchnie przeciwdrobnoustrojowe były wykorzystywane ze względu na ich zdolność do utrzymywania powierzchni w czystości. Fizyczną naturą powierzchni lub składem chemicznym można manipulować, aby stworzyć środowisko, w którym z różnych powodów nie mogą zamieszkać mikroorganizmy. Materiały fotokatalityczne zostały wykorzystane ze względu na ich zdolność do zabijania wielu mikroorganizmów i dlatego mogą być stosowane do samooczyszczania powierzchni, a także do oczyszczania powietrza, oczyszczania wody i działania przeciwnowotworowego.

Aktywność przeciwbakteryjna

Mechanizmy

Srebro

Wykazano, że jony srebra reagują z grupą tiolową w enzymach i dezaktywują je, prowadząc do śmierci komórki. Jony te mogą hamować enzymy utleniające, takie jak dehydrogenaza alkoholowa drożdży. Wykazano również, że jony srebra oddziałują z DNA w celu zwiększenia dimeryzacji pirymidyny w reakcji fotodynamicznej i prawdopodobnie zapobiegają replikacji DNA.

Zastosowanie srebra jako środka przeciwdrobnoustrojowego jest dobrze udokumentowane .

Miedź

Przeciwdrobnoustrojowe mechanizmy miedzi były badane od dziesięcioleci i nadal są badane. Podsumowanie potencjalnych mechanizmów jest dostępne tutaj: Przeciwdrobnoustrojowe właściwości miedzi#Mechanizmy antybakteryjnego działania miedzi . Naukowcy uważają dzisiaj, że najważniejsze mechanizmy obejmują:

Podwyższony poziom miedzi w komórce powoduje stres oksydacyjny i wytwarzanie nadtlenku wodoru . W tych warunkach miedź uczestniczy w tzw. reakcji typu Fentona — reakcji chemicznej powodującej oksydacyjne uszkodzenia komórek.
Nadmiar miedzi powoduje spadek integralności błon komórkowych drobnoustrojów, co prowadzi do wycieku określonych niezbędnych składników odżywczych dla komórek, takich jak potas i glutaminian . Prowadzi to do wysuszenia i późniejszej śmierci komórki.
Podczas gdy miedź jest potrzebna do wielu funkcji białek, w nadmiarze (jak na powierzchni stopu miedzi) miedź wiąże się z białkami, które nie wymagają miedzi do swoich funkcji. To „niewłaściwe” wiązanie prowadzi do utraty funkcji białka i/lub rozpadu białka na niefunkcjonalne części.

Organosilany

Organosilany tworzą na powierzchni sieć naładowanych elektrycznie cząsteczek, które w kontakcie rozrywają ścianę komórkową. Wynika to z ich struktury, która składa się z elementu hydrofobowego i elementu kationowego. Podczas gdy element hydrofobowy może przede wszystkim zapobiegać przyleganiu, może również interkalować ze ścianą komórkową, której pękanie jest wspomagane przez składnik kationowy.

Pobieranie składników odżywczych

Stwierdzono, że tempo wzrostu E. coli i S. aureus jest niezależne od stężenia składników odżywczych na powierzchniach nieprzeciwdrobnoustrojowych. Zauważono również, że środki przeciwdrobnoustrojowe, takie jak Novaron AG 300 (fosforan sodowo-srebrowy wodorocyrkonowy) nie hamują tempa wzrostu E. coli lub S. aureus, gdy stężenia składników odżywczych są wysokie, ale hamują, gdy są one zmniejszone. Wynik ten prowadzi do możliwego przeciwdrobnoustrojowego mechanizmu ograniczania pobierania przez komórkę lub wydajności wykorzystania składników odżywczych.

Czwartorzędowa amoniowa

, że czwartorzędowy związek amoniowy chlorek dimetylooktadecylo(3-trimetoksysililopropylo)amoniowy (Si-QAC) ma działanie przeciwdrobnoustrojowe, gdy jest kowalencyjnie związany z powierzchnią. Wiadomo, że wiele innych czwartorzędowych związków amoniowych ma właściwości przeciwdrobnoustrojowe (np. chlorek alkilodimetylobenzyloamoniowy i chlorek didecylodimetyloamoniowy). Te dwa ostatnie to związki aktywne błonowo; przeciwko S. aureus pierwszy tworzy pojedynczą jednowarstwową powłokę komórek S. aureus na błonie zewnętrznej, podczas gdy drugi tworzy podwójną monowarstwę. Prowadzi to do wycieku komórek i całkowitego uwolnienia wewnątrzkomórkowych pul pochłaniających potas i 260 nm w tej kolejności.

Selektywność

Z definicji „przeciwdrobnoustrojowy” odnosi się do czegoś, co jest szkodliwe dla drobnoustroju. Ponieważ definicja drobnoustroju (lub mikroorganizmu ) jest bardzo ogólna, coś, co jest „przeciwdrobnoustrojowe”, może mieć szkodliwy wpływ na szereg organizmów, od pożytecznych do szkodliwych, i może obejmować komórki ssaków i typy komórek typowo związane z chorobami, takimi jak jak bakterie, wirusy, pierwotniaki i grzyby.

Selektywność odnosi się do zdolności do zwalczania określonego typu lub klasy organizmów. W zależności od zastosowania, zdolność do selektywnego zwalczania pewnych mikroorganizmów przy niewielkim szkodliwym wpływie na inne dyktuje przydatność określonej powierzchni przeciwdrobnoustrojowej w danym kontekście.

środki bakteriobójcze

Głównym sposobem zwalczania wzrostu komórek bakteryjnych na powierzchni jest zapobieganie początkowej adhezji komórek do tej powierzchni. Niektóre powłoki, które to umożliwiają, obejmują powłoki hydroksyapatytowe zawierające chlorheksydynę, powłoki polilaktydowe zawierające chlorheksydynę na anodowanej powierzchni oraz powłoki polimerowe i fosforanowe z chlorheksydyną.

Powłoki antybiotyczne zapewniają inny sposób zapobiegania rozwojowi bakterii. Gentamycyna jest antybiotykiem o stosunkowo szerokim spektrum działania przeciwbakteryjnego. Ponadto gentamycyna jest jednym z rzadkich rodzajów antybiotyków termostabilnych i dlatego jest jednym z najczęściej stosowanych antybiotyków do powlekania implantów tytanowych. Inne antybiotyki o szerokim spektrum działania przeciwbakteryjnego to cefalotyna , karbenicylina , amoksycylina , cefamandol , tobramycyna i wankomycyna .

z miedzi i stopów miedzi są skutecznym sposobem zapobiegania rozwojowi bakterii. Obszerne, nadzorowane przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska testy skuteczności przeciwdrobnoustrojowej na Staphylococcus aureus , Enterobacter aerogenes , metycylinoopornym Staphylococcus aureus ( MRSA ), Escherichia coli 0157:H7 i Pseudomonas aeruginosa wykazały, że przy regularnym czyszczeniu około 355 różnych powierzchni stopów miedzi przeciwdrobnoustrojowej zarejestrowanych przez EPA :

Ciągłe zmniejszanie skażenia bakteryjnego, osiągając redukcję o 99,9% w ciągu dwóch godzin od narażenia;
Zabij ponad 99,9% bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich w ciągu dwóch godzin od ekspozycji;
Zapewniają ciągłe i ciągłe działanie antybakteryjne, pozostając skutecznym w zabijaniu ponad 99,9% bakterii w ciągu dwóch godzin;
Zabij ponad 99,9% bakterii w ciągu dwóch godzin i kontynuuj zabijanie 99% bakterii nawet po wielokrotnym zanieczyszczeniu;
Pomóż zahamować gromadzenie się i rozwój bakterii w ciągu dwóch godzin od narażenia między etapami czyszczenia i dezynfekcji.

Patrz: Powierzchnie dotykowe z miedzi przeciwdrobnoustrojowej dla głównego artykułu.

Inhibitory wirusów

Wirusy grypy przenoszą się z człowieka na człowieka głównie przez unoszące się w powietrzu kropelki wytwarzane podczas kaszlu lub kichania. Jednak wirusy mogą być również przenoszone, gdy osoba dotyka kropelek oddechowych osiadłych na przedmiocie lub powierzchni. To właśnie na tym etapie powierzchnia antywirusowa może odegrać największą rolę w ograniczaniu rozprzestrzeniania się wirusa. Szklane szkiełka pomalowane hydrofobowym długołańcuchowym polikationem N,N dodecylo,metylo- polietylenoiminy (N,N-dodecylo,metylo-PEI) są wysoce śmiercionośne dla przenoszonych przez wodę wirusów grypy A, w tym nie tylko dzikich szczepów ludzkich i ptasich, ale także ich mutanty neuraminidazy oporne na leki przeciw grypie.

Powierzchnie stopów miedzi zostały zbadane pod kątem ich skuteczności przeciwwirusowej. Po inkubacji przez godzinę na miedzi, aktywne cząsteczki wirusa grypy A zostały zredukowane o 75%. Po sześciu godzinach cząstki zostały zredukowane na miedzi o 99,999%. Również 75% adenowirusa zostało zdezaktywowanych na miedzi (C11000) w ciągu 1 godziny. W ciągu sześciu godzin inaktywowano 99,999% cząsteczek adenowirusa.

Inhibitory grzybów

Wykazano, że peptyd przeciwgrzybiczy pochodzący od chromograniny A (CGA 47–66, chromofungina) po osadzeniu na powierzchni ma działanie przeciwgrzybicze poprzez interakcję z błoną grzyba, a tym samym penetrację do komórki. Dodatkowo in vitro wykazały, że taka powłoka przeciwgrzybicza jest w stanie zahamować wzrost drożdży Candida albicans o 65% oraz całkowicie zatrzymać proliferację grzyba nitkowatego Neurospora crassa.

Powierzchnie miedzi i stopów miedzi wykazały wymieranie zarodników grzybów Aspergillus spp., Fusarium spp., Penicillium chrysogenum , Aspergillus niger i Candida albicans . W związku z tym potencjał zapobiegania rozprzestrzenianiu się grzybów powodujących infekcje u ludzi poprzez stosowanie stopów miedzi (zamiast metali innych niż przeciwgrzybicze) w systemach klimatyzacyjnych jest wart dalszych badań.

Modyfikacja powierzchni

Modyfikacja fizyczna

Chropowatość powierzchni

Fizyczna topologia powierzchni określi środowisko zdolne do życia dla bakterii. Może to wpływać na zdolność drobnoustroju do przylegania do jego powierzchni. Powierzchnie tekstylne są zwykle bardzo łatwe do przylegania przez drobnoustroje ze względu na obfitość międzywęzłowych odstępów między włóknami.

Rysunek 1: Model Wenzela

Model Wenzela został opracowany w celu obliczenia zależności chropowatości powierzchni od obserwowanego kąta zwilżania. Powierzchnie, które nie są atomowo gładkie, będą wykazywać obserwowany kąt zwilżania, który różni się od rzeczywistego kąta zwilżania powierzchni. Równanie wyraża się jako:

$\ Displaystyle sałata \ Theta _ {obs} = R * sałata \ Theta}$

gdzie R jest stosunkiem rzeczywistego obszaru powierzchni do obserwowanego obszaru powierzchni, a θ jest kątem zwilżania Younga określonym dla idealnej powierzchni. Zobacz Zwilżanie . W oparciu o fizyczną modyfikację powierzchni, można zaprojektować powierzchnię przeciwwirusową, dekorując mikrokolumny na powierzchni.

Modyfikacja chemiczna

Szczepienie polimerów na i/lub z powierzchni

Aktywność przeciwdrobnoustrojową można nadać powierzchni przez szczepienie polimerów sfunkcjonalizowanych, na przykład tych zakończonych czwartorzędowymi grupami funkcyjnymi aminowymi, jedną z dwóch podstawowych metod. Za pomocą tych metod — „szczepienie do” i „szczepienie z” — polimery mogą być chemicznie związane z powierzchnią ciała stałego, a tym samym można kontrolować właściwości powierzchni (tj. aktywność przeciwdrobnoustrojową). Udowodniono, że polimery zawierające czwartorzędowe jony amoniowe (PQA) skutecznie zabijają komórki i zarodniki poprzez ich interakcje z błonami komórkowymi. Bogactwo monomerów azotowych można czwartorzędować, aby były biologicznie aktywne. Te monomery, na przykład metakrylan 2-dimetyloaminoetylu (DMAEMA) lub 4-winylopirydyna (4-VP) można następnie polimeryzować z ATRP. W ten sposób powierzchnie przeciwdrobnoustrojowe można przygotować za pomocą mechanizmów „przeszczepu do” lub „przeszczepienia z”.

Szczepienie na

Szczepienie obejmuje silną adsorpcję lub chemiczne wiązanie cząsteczki polimeru z powierzchnią z roztworu. Proces ten jest zwykle osiągany za pomocą środka sprzęgającego, który łączy uchwyt na powierzchni z grupą reaktywną na jednym z końców łańcucha. Chociaż proste, podejście to ma wadę stosunkowo niskiej gęstości szczepienia w wyniku zawady przestrzennej z już przymocowanych cewek polimerowych. Po sprzężeniu, jak we wszystkich przypadkach, polimery próbują zmaksymalizować swoją entropię, zazwyczaj przyjmując konformację pędzla lub grzyba. W ten sposób potencjalne miejsca wiązania stają się niedostępne pod tą „domeną grzyba”.

Rysunek 2: Schemat gęstości szczepienia.

Wstępnie zsyntetyzowane polimery, takie jak kopolimer blokowy PDMEAMA/PTMSPMA, można immobilizować na powierzchni (np. szkle) przez proste zanurzenie powierzchni w wodnym roztworze zawierającym polimer. W przypadku takiego procesu gęstość szczepienia zależy od stężenia i masy cząsteczkowej polimeru, a także czasu zanurzenia powierzchni w roztworze. Zgodnie z oczekiwaniami istnieje odwrotna zależność między gęstością szczepienia a masą cząsteczkową. Ponieważ działanie przeciwdrobnoustrojowe zależy od stężenia czwartorzędowego związku amoniowego związanego z powierzchnią, gęstość szczepienia i masa cząsteczkowa stanowią przeciwstawne czynniki, którymi można manipulować, aby osiągnąć wysoką skuteczność.

Szczepienie od

Ograniczenie to można przezwyciężyć przez polimeryzację bezpośrednio na powierzchni. Ten proces jest określany jako szczepienie lub polimeryzacja inicjowana powierzchniowo (SIP). Jak sama nazwa wskazuje, cząsteczki inicjatora muszą być unieruchomione na powierzchni ciała stałego. Podobnie jak inne metody polimeryzacji, SIP można dostosować do mechanizmów rodnikowych, anionowych lub kationowych i można go kontrolować za pomocą odwracalnej polimeryzacji z przeniesieniem addycji (RAFT), polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu (ATRP) lub technik, w których pośredniczy nitroksyd.

Kontrolowana polimeryzacja pozwala na tworzenie struktur polimerowych o rozciągniętej konformacji, które maksymalizują gęstość szczepienia, a tym samym skuteczność biobójczą. Proces ten pozwala również na szczepienie polimeru o dużej masie cząsteczkowej z dużą gęstością, co dodatkowo poprawia skuteczność.

Powierzchnie superhydrofobowe

Powierzchnia superhydrofobowa to niskoenergetyczna, ogólnie chropowata powierzchnia, na której woda ma kąt zwilżania >150°. Materiały niepolarne, takie jak węglowodory, tradycyjnie mają stosunkowo niskie energie powierzchniowe, jednak sama ta właściwość nie wystarcza do osiągnięcia superhydrofobowości. Powierzchnie superhydrofobowe można tworzyć na wiele sposobów, jednak większość strategii syntezy jest inspirowana naturalnymi wzorami. Model Cassie-Baxtera wyjaśnia superhydropowość — powietrze uwięzione w mikrorowkach szorstkiej powierzchni tworzy „kompozytową” powierzchnię składającą się z powietrza i wierzchołków mikrowypukłości. Ta struktura jest utrzymywana wraz ze zmniejszaniem się skali cech, dlatego wiele podejść do syntezy powierzchni superhydrofobowych skupiało się na wkładzie fraktalnym. Zestalanie wosku, litografia, osadzanie z fazy gazowej, metody szablonowe, potwierdzanie polimerów, sublimacja, plazma, elektroprzędzenie, przetwarzanie zol-żel, metody elektrochemiczne, synteza hydrotermalna, osadzanie warstwa po warstwie i reakcje w jednym naczyniu to podejścia do tworzenia superhydrofobowych proponowane powierzchnie.

Nadanie powierzchni właściwości superhydrofobowych stanowi skuteczny sposób nadawania aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Bierne działanie antybakteryjne wynika ze słabej zdolności przylegania drobnoustrojów do powierzchni. Wykorzystuje to obszar tekstyliów superhydropboicznych, które mogą mieć potencjalne zastosowania jako powłoki przeciwdrobnoustrojowe.

Fluorowęglowodory

Fluorowęglowodory, a zwłaszcza perfluorowęglowodory są doskonałymi materiałami podłoża do tworzenia powierzchni superhydrofobowych ze względu na ich wyjątkowo niską energię powierzchniową. Tego typu materiały są syntetyzowane poprzez zastąpienie atomów wodoru atomami fluoru węglowodoru.

Nanomateriały

Nanocząsteczki są wykorzystywane do wielu różnych zastosowań przeciwdrobnoustrojowych ze względu na ich niezwykłe zachowanie. Prowadzonych jest więcej badań nad możliwością wykorzystania nanomateriałów w powłokach przeciwdrobnoustrojowych ze względu na ich wysoce reaktywny charakter.

Nanomateriał	Charakterystyka	Aplikacja
Dwutlenek tytanu	aktywność fotokatalityczna, niski koszt	Ochrona przed promieniowaniem UV, antybakteryjne, oczyszczanie środowiska, samooczyszczanie, wydajność ogniw słonecznych
Organosilan	zapobiegają przyleganiu przez powierzchnię ścierną, niski koszt	powłoka antybakteryjna o długotrwałym działaniu
Srebro	przewodność elektryczna, niska toksyczność	działanie przeciwdrobnoustrojowe – wiążą i niszczą błonę komórkową
Tlenek cynku	aktywność fotokatalityczna	działanie przeciwdrobnoustrojowe, stosowane w przemyśle włókienniczym
Miedź	przewodnictwo elektryczne	Właściwości ochrony przed promieniowaniem UV, dodatek antybakteryjny
Magnetyt	superparamagnetyczny	działanie przeciwdrobnoustrojowe, generują rodniki, które powodują uszkodzenia białek
Tlenek magnezu	duża powierzchnia właściwa	działanie przeciwdrobnoustrojowe, generują rodniki tlenowe, które powodują uszkodzenia białek
Złoto	przewodnictwo elektryczne	środek przeciwbakteryjny, leczący trądzik
Gal	podobny do Fe ³⁺ (niezbędny metaboliczny składnik odżywczy dla bakterii)	działa bakteriobójczo na Clostridium difficile
Nanorurki węglowe	antystatyka, przewodnictwo elektryczne, absorpcja	nanokompozyty CNT/TiO2; powierzchnie antybakteryjne, ognioodporne, antystatyczne.

Istnieje sporo cech fizycznych, które promują aktywność przeciwdrobnoustrojową. Jednak większość jonów metali ma zdolność tworzenia rodników tlenowych, tworząc w ten sposób tlen cząsteczkowy, który jest wysoce toksyczny dla bakterii.

{\ Displaystyle 2 \ \ operatorname {H_ {2} O} + {\ tfrac {1} {2}} \\mathrm {O_{2}} \ \xrightarrow {\text{jon metalu}} \ 2\ \mathrm {H_{2}O_{2}} \rightarrow \mathrm {H_{2}O} +(\mathrm { O} )}

Powłoki

Powłoki samoczyszczące

Powłoki fotokatalityczne to takie, które zawierają składniki (dodatki), które katalizują reakcje, zazwyczaj poprzez mechanizm wolnorodnikowy, gdy są wzbudzane światłem. Aktywność fotokatalityczna (PCA) materiału jest miarą jego potencjału reaktywnego, w oparciu o zdolność materiału do tworzenia pary elektron-dziura pod wpływem światła ultrafioletowego. Utworzone wolne rodniki mogą utleniać, a tym samym rozkładać materiały organiczne, takie jak spoiwa lateksowe znajdujące się w powłokach wodorozcieńczalnych. Systemy powłok przeciwdrobnoustrojowych wykorzystują to, wprowadzając do swoich preparatów związki aktywne fotokatalitycznie (tj. dwutlenek tytanu), które powodują „złuszczanie” powłoki z upływem czasu. Te płatki niosą ze sobą drobnoustroje, pozostawiając za sobą „czystą” powłokę. Systemy takie jak ten są często opisywane jako samooczyszczające się.

Dodatki przeciwdrobnoustrojowe

Zamiast bezpośredniego domieszkowania powierzchni, aktywność przeciwdrobnoustrojową można nadać powierzchni poprzez nałożenie powłoki zawierającej środki przeciwdrobnoustrojowe, takie jak biocydy lub nanocząsteczki srebra . W przypadku tych ostatnich nanocząstki mogą korzystnie wpływać na właściwości strukturalne powłoki wraz z działaniem antybakteryjnym.

Peptydy przeciwdrobnoustrojowe

Peptydy przeciwdrobnoustrojowe (AMP) zyskały duże zainteresowanie, ponieważ są znacznie mniej podatne na rozwój oporności drobnoustrojów. Inne antybiotyki mogą być podatne na oporność bakterii, na przykład wielooporny gronkowiec złocisty (MRSA), który jest znany jako powszechny relikt w branży medycznej, podczas gdy inne szczepy bakterii stają się coraz większym problemem przy oczyszczaniu ścieków w lokalnych rzekach lub zatokach. AMP można sfunkcjonalizować na powierzchni przez przyłączenie chemiczne lub fizyczne. AMP można fizycznie przyłączyć, stosując przeciwnie naładowane warstwy polimerowe i umieszczając polipeptyd między nimi. Można to powtórzyć, aby uzyskać wiele warstw AMP dla powtarzającej się aktywności przeciwbakteryjnej. Istnieje jednak kilka wad tego mechanizmu. Grubość zespołu i interakcje polimer-peptyd mogą wpływać na dyfuzję peptydu do kontaktu z bakteriami. Należy prowadzić dalsze badania w celu określenia skuteczności techniki adsorpcyjnej. Jednak chemiczne przyłączanie AMP jest również szeroko badane.

AMP mogą być kowalencyjnie związane z powierzchnią, co minimalizuje „efekt wymywania” peptydów. Peptyd jest zwykle przyłączany w bardzo egzergonicznej reakcji chemicznej, tworząc w ten sposób bardzo stabilną powierzchnię przeciwdrobnoustrojową. Powierzchnię można najpierw sfunkcjonalizować żywicą polimerową, taką jak glikol polietylenowy (PEG). Ostatnie badania koncentrowały się na produkcji syntetycznych polimerów i nanomateriałów o mechanizmach działania podobnych do endogennych peptydów przeciwdrobnoustrojowych.

Powierzchnie dotykowe

Antybakteryjne powierzchnie dotykowe obejmują wszelkiego rodzaju powierzchnie (takie jak klamki do drzwi , poręcze , stoliki na tace itp.), które są często dotykane przez ludzi w pracy lub w życiu codziennym, zwłaszcza (na przykład) w szpitalach i klinikach .

Powierzchnie dotykowe ze stopu miedzi przeciwdrobnoustrojowej to powierzchnie wykonane z metalicznej miedzi lub stopów miedzi, takich jak mosiądz i brąz . Miedź i stopy miedzi mają naturalną zdolność stosunkowo szybkiego zabijania szkodliwych mikroorganizmów – często w ciągu dwóch godzin lub krócej (tj. powierzchnie ze stopów miedzi są przeciwdrobnoustrojowe ). Wiele prac nad skutecznością przeciwdrobnoustrojową miedzi było lub jest obecnie prowadzonych na Uniwersytecie w Southampton i Uniwersytecie Northumbria (Wielka Brytania), Uniwersytecie Stellenbosch (Republika Południowej Afryki), Uniwersytecie Panjab (Indie), Uniwersytecie Chile (Chile), Kitasato University (Japonia), University of Coimbra (Portugalia) oraz University of Nebraska i Arizona State University (USA). Trwają badania kliniczne oceniające skuteczność stopów miedzi w zmniejszaniu częstości występowania zakażeń szpitalnych w szpitalach w Wielkiej Brytanii, Chile, Japonii, RPA i USA

Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) zatwierdziła rejestrację 355 różnych stopów miedzi jako „ materiałów przeciwdrobnoustrojowych ” przynoszących korzyści dla zdrowia publicznego.

Charakteryzacja

Projektowanie skutecznych powierzchni antybakteryjnych wymaga dogłębnego zrozumienia początkowych mechanizmów adhezji drobnoustrojów do powierzchni. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) jest stosowana do próbek nieożywionych. Zliczanie jednostek tworzących kolonie bakteryjne (CFU) wymaga całonocnej inkubacji i wykrywa bakterie, które łatwo rosną na podłożach stałych. Symulację dynamiki molekularnej (MD) można wykorzystać do zminimalizowania liczby eksperymentów z substratami inżynieryjnymi, z ilościową oceną obrazów mikroskopii fluorescencyjnej poklatkowej , które można przetworzyć w ciągu godziny. Pomiary kąta zwilżania można wykorzystać do scharakteryzowania zastosowania mikro/nanokolumn do rozbijania ścian komórkowych. Analiza potencjału zeta metodą strumieniowego potencjału powłoki antybakteryjnej lub materiału samodezynfekującego w kontakcie ze środowiskiem wodnym lub metodą elektroforetycznego rozpraszania światła nanocząsteczkowych dyspersji dodatków antybakteryjnych dostarcza informacji o ładunku powierzchniowym i międzyfazowym oraz pozwala przewidzieć elektrostatyczne przyciąganie lub odpychanie mikroorganizmów.

Aplikacja

Uzdatnianie wody

Peptydy przeciwdrobnoustrojowe i chitozan

Naturalnie występująca chityna i niektóre peptydy były już w przeszłości znane ze swoich właściwości przeciwdrobnoustrojowych. Obecnie materiały te są przekształcane w nanocząsteczki w celu wytwarzania tanich aplikacji dezynfekcyjnych. Naturalne peptydy tworzą kanały w skali nano w błonach komórkowych bakterii, co powoduje zapaść osmotyczną. Peptydy te są teraz syntetyzowane w celu dostosowania nanostruktur przeciwdrobnoustrojowych pod względem wielkości, morfologii, powłok, derywatyzacji i innych właściwości, co pozwala na ich zastosowanie do określonych właściwości przeciwdrobnoustrojowych zgodnie z wymaganiami. Chitozan jest polimerem otrzymywanym z chityny w skorupach stawonogów i od jakiegoś czasu jest używany ze względu na swoje właściwości antybakteryjne, ale jeszcze bardziej, odkąd polimer został przekształcony w nanocząsteczki. Chitozan okazuje się skuteczny przeciwko bakteriom, wirusom i grzybom, jednak jest bardziej skuteczny przeciwko grzybom i wirusom niż bakteriom. Dodatnio naładowane nanocząstki chitozanu oddziałują z ujemnie naładowaną błoną komórkową, co powoduje wzrost przepuszczalności błony i ostatecznie wyciekanie i pękanie składników wewnątrzkomórkowych.

Nanocząsteczki srebra

Wiadomo również, że związki srebra i jony srebra wykazują właściwości przeciwdrobnoustrojowe i są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym do uzdatniania wody. Wykazano, że jony srebra zapobiegają replikacji DNA oraz wpływają na strukturę i przepuszczalność błony komórkowej. Srebro prowadzi również do inaktywacji bakterii i wirusów przez promieniowanie UV, ponieważ jony srebra są fotoaktywne w obecności promieniowania UV-A i UV-C. Jony cysteiny i srebra tworzą kompleks, który prowadzi do inaktywacji Haemophilus influenzae i bakteriofaga MS2 .

Zastosowania medyczne i komercyjne

Urządzenia chirurgiczne

Nawet przy wszystkich środkach ostrożności podejmowanych przez personel medyczny, podobno infekcja występuje nawet u 13,9% pacjentów po stabilizacji otwartego złamania iu około 0,5-2% pacjentów otrzymujących protezy stawów. Aby zmniejszyć te liczby, powierzchnie urządzeń używanych w tych procedurach zostały zmienione w nadziei, że zapobiegną rozwojowi bakterii, które prowadzą do tych infekcji. Osiągnięto to poprzez pokrycie tytanowych urządzeń antyseptyczną kombinacją chlorheksydyny i chloroksylenolu. Ta antyseptyczna kombinacja skutecznie zapobiega wzrostowi pięciu głównych organizmów powodujących zakażenia medyczne, w tym Staphylococcus epidermidis , opornego na metycylinę Staphylococcus aureus , Pseudomonas aeruginosa , Escherichia coli i Candida albicans . Wykazano również , że powłoka żelowa na bazie peptydów o wewnętrznej aktywności przeciwbakteryjnej przeciwko opornemu na metycylinę Staphylococcus aureus hamuje kolonizację tytanowych implantów u myszy.

Powłoki fotokatalityczne

Pigmenty fotoaktywne, takie jak TiO ₂ i ZnO, były stosowane na podłożach szklanych, ceramicznych i stalowych w celach samooczyszczania i przeciwdrobnoustrojowych. Do fotokatalitycznej aktywności bakteriobójczej w zastosowaniach do uzdatniania wody zastosowano ziarniste materiały podłoża w postaci piasków podtrzymujących mieszane powłoki anatazowo - rutylowe TiO _{2 .} Półprzewodnikowe fotokatalizatory tlenkowe, takie jak TiO2, _reagują z padającym promieniowaniem przekraczającym elektroniczne pasmo wzbronione materiału, w wyniku czego powstają pary elektron-dziura (ekscytony) i wtórna generacja rodników poprzez reakcję z adsorbatami na powierzchni fotokatalizatora, dając efekt utleniający lub redukujący działanie degradujące żywe organizmy. Titania jest z powodzeniem stosowana jako powłoka antybakteryjna na płytkach łazienkowych, płytach chodnikowych, dezodorantach, samoczyszczących oknach i wielu innych.

Miedziane powierzchnie dotykowe

Powierzchnie ze stopów miedzi mają nieodłączne właściwości niszczenia szerokiej gamy mikroorganizmów .

Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA), która nadzoruje przepisy dotyczące środków i materiałów przeciwdrobnoustrojowych w tym kraju, stwierdziła, że stopy miedzi zabijają ponad 99,9% bakterii chorobotwórczych w ciągu zaledwie dwóch godzin, jeśli są regularnie czyszczone. Miedź i stopy miedzi to wyjątkowe klasy materiałów stałych, ponieważ żadne inne stałe powierzchnie dotykowe nie mają pozwolenia w USA na składanie oświadczeń dotyczących zdrowia ludzi (rejestracje EPA dotyczące zdrowia publicznego były wcześniej ograniczone tylko do produktów płynnych i gazowych). EPA przyznała status rejestracji przeciwdrobnoustrojowej 355 różnym składom stopów miedzi. W zastosowaniach medycznych zatwierdzone przez EPA produkty z miedzi przeciwdrobnoustrojowej obejmują poręcze łóżek, poręcze , stoliki nadłóżkowe, zlewozmywaki , krany , klamki do drzwi , osprzęt toaletowy , tyczki dożylne, klawiatury komputerowe itp. W zastosowaniach w obiektach użyteczności publicznej produkty z miedzi przeciwdrobnoustrojowej zatwierdzone przez EPA obejmują wyposażenie klubów fitness , wyposażenie wind , uchwyty wózków sklepowych itp. W zastosowaniach w budynkach mieszkalnych, produkty z miedzi przeciwbakteryjnej zatwierdzone przez EPA obejmują powierzchnie kuchenne , poręcze łóżek, podnóżki , przyciski do drzwi, wieszaki na ręczniki, osprzęt toaletowy, płytki ścienne itp. W transporcie masowym obiektów, produkty z miedzi przeciwdrobnoustrojowej zatwierdzone przez EPA obejmują poręcze , poręcze schodów , krzesła , ławki itp. Pełną listę produktów powierzchniowych ze stopów miedzi, którym EPA przyznała status rejestracji środków przeciwdrobnoustrojowych wraz z oświadczeniami dotyczącymi zdrowia publicznego, można znaleźć tutaj: Środki przeciwdrobnoustrojowe powierzchnie dotykowe ze stopu miedzi#Zatwierdzone produkty .

badania kliniczne na szczepach drobnoustrojów charakterystycznych dla poszczególnych placówek służby zdrowia na całym świecie, aby ocenić, w jakim stopniu stopy miedzi mogą zmniejszyć częstość występowania infekcji w środowisku szpitalnym. Wczesne wyniki ujawnione w 2011 roku z badań klinicznych finansowanych przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych , które odbywają się na oddziałach intensywnej terapii (OIOM) w Memorial Sloan-Kettering Cancer Center w Nowym Jorku, na Uniwersytecie Medycznym Południowej Karoliny oraz w szpitalu im. Ralpha H. Johnson VA Medical Center w Charleston w Południowej Karolinie wskazuje, że pokoje, w których wspólne powierzchnie dotykowe zastąpiono miedzią, wykazały 97% redukcję patogenów powierzchniowych w porównaniu z pokojami niemiedzianymi, a pacjenci w miedzianych pokojach OIOM mieli o 40,4% mniejsze ryzyko zarażenia zakażenie szpitalne w porównaniu z pacjentami przebywającymi w niemiedzianych salach OIT.

Powłoki przeciwporostowe

Biofouling morski jest opisywany jako niepożądane gromadzenie się mikroorganizmów, roślin i zwierząt na sztucznych powierzchniach zanurzonych w wodzie. Znaczne nagromadzenie biofoulingu na statkach morskich może być problematyczne. Tradycyjnie biocydy , substancje chemiczne lub mikroorganizmy, które mogą kontrolować wzrost organizmów szkodliwych za pomocą środków chemicznych lub biologicznych, są stosowane w celu zapobiegania biofoulingowi morskiemu. Biocydy mogą być syntetyczne, takie jak tributylocyna (TBT), lub naturalne, które pochodzą z bakterii lub roślin. TBT był historycznie głównym środkiem biobójczym stosowanym w powłokach przeciwporostowych, ale ostatnio związki TBT zostały uznane za toksyczne chemikalia, które mają negatywny wpływ na ludzi i środowisko, i zostały zakazane przez Międzynarodową Organizację Morską. Wczesna konstrukcja powłok przeciwporostowych składała się z aktywnych składników (np. TBT) rozproszonych w powłoce, z których „wyciekały” do wody morskiej, zabijając wszelkie drobnoustroje lub inne organizmy morskie, które przyczepiły się do statku. Szybkość uwalniania biocydu była jednak zwykle niekontrolowana i często szybka, pozostawiając powłokę skuteczną tylko przez 18 do 24 miesięcy, zanim cały biocyd wypłukał się z powłoki.

Rysunek 3: Uwalnianie biocydu w czasie

Problem ten został jednak rozwiązany przy użyciu tak zwanych farb samopolerujących, w których biocyd uwalniał się wolniej, gdy woda morska reagowała z powierzchniową warstwą farby. Niedawno zastosowano farby przeciwporostowe na bazie miedzi, ponieważ są one mniej toksyczne niż TBT w środowisku wodnym, ale są skuteczne tylko przeciwko zwierzętom morskim, a nie tak bardzo wzrostowi chwastów. Powłoki nieprzywierające nie zawierają biocydów, ale mają wyjątkowo śliskie powierzchnie, co zapobiega większości zabrudzeń i ułatwia czyszczenie niewielkich zabrudzeń, które się pojawiają. Naturalne środki biobójcze znajdują się w organizmach morskich, takich jak koralowce i gąbki, a także zapobiegają porastaniu, jeśli zostaną zastosowane na statku. Tworzenie różnicy w ładunku elektrycznym między kadłubem a wodą morską jest powszechną praktyką w zapobieganiu zanieczyszczeniom. Ta technologia okazała się skuteczna, ale łatwo ją uszkodzić i może być droga. Wreszcie, do powłoki można dodać mikroskopijne kolce, które w zależności od długości i rozmieszczenia wykazały zdolność zapobiegania przyczepianiu się większości zanieczyszczeń biologicznych.

Zobacz też