Antimikrobiell polymer

Polymerer med förmågan att döda eller hämma tillväxten av mikroorganismer såsom bakterier , svampar eller virus klassificeras som antimikrobiella medel. Denna klass av polymerer består av naturliga polymerer med inneboende antimikrobiell aktivitet och polymerer modifierade för att uppvisa antimikrobiell aktivitet. Polymerer är i allmänhet icke-flyktiga, kemiskt stabila och kan modifieras kemiskt och fysikaliskt för att uppvisa önskade egenskaper och antimikrobiell aktivitet. Antimikrobiella polymerer är en utmärkt kandidat för användning inom livsmedelsindustrin för att förhindra bakteriell kontaminering och i vattensanering för att hämma tillväxten av mikroorganismer i dricksvatten.

Handlingsmekanism

Antimikrobiella polymerer hämmar celltillväxt och initierar celldöd genom två primära mekanismer. Den första mekanismen utnyttjas av kontaktaktiva polymerer. Kontaktaktiva polymerer använder elektrostatiska interaktioner , den hydrofoba effekten och kelateffekten . Elektrostatisk attraktion är en vanlig initial interaktion mellan en antimikrobiell polymer och en mikrob . De kelatbildande och hydrofoba effekterna är vanliga sekundära interaktioner mellan antimikrobiella polymerer och mikrober.

Katjoniskt laddade antimikrobiella polymerer attraheras till de anjoniskt laddade bakteriecellväggarna. Den yttre väggen av bakterieceller har en negativ nettoladdning. Det cytoplasmatiska membranet i bakterieceller har en negativ laddning och innehåller essentiella proteiner. Den sekundära interaktionen, den kelatbildande effekten, involverar bindningen av den antimikrobiella polymeren till den mikrobiella cellen. Dessa interaktioner leder till membranavbrott och i slutändan hämmade celltillväxt eller död.

Det cytoplasmatiska membranet i en cell är ett semipermeabelt membran, som kontrollerar transporten av lösta ämnen in i cellen. Fosfolipiddubbelskiktet är en viktig komponent i cellmembranet, som består av hydrofila huvuden och en hydrofob svans . De hydrofila huvudena bildar cellmembranets inre och yttre foder, medan de hydrofoba svansarna utgör det inre av membranet. Den sekundära interaktionen, den hydrofoba effekten, involverar ackumulering av opolära föreningar borta från vatten. Opolära komponenter av antimikrobiella polymerer sätter sig in i det opolära inre av cellmembranet.

Elektrostatisk och hydrofob interaktion mellan en antimikrobiell polymer och biomimetisk polymer, vilket orsakar membranavbrott och celldöd.

Polymerer med hög molekylvikt inducerar vanligen celldöd eller inhibering genom kontaktaktiva interaktioner med cellytan. Celldöd och hämning beror på försämring av normal cellulär funktion. Positiva rester på polymeren interagerar elektrostatiskt med negativa laddningar på cellen och inducerar sekundära cellulära effekter. Cellulär membranpenetrering är vanlig i polymerer med låg molekylvikt. Den initiala elektrostatiska och hydrofoba interaktionen mellan en antimikrobiell polymer och biomimetisk polymer orsakar membranavbrott och celldöd. Den hydrofoba svansen av polymeren penetrerar fosfolipiddubbelskiktet in i den hydrofoba regionen, vilket resulterar i membranavbrott och denaturering av proteiner och enzymer , såväl som andra sekundära effekter. Sekundära effekter inkluderar störningar av transport av lösta ämnen och elektroner samt störningar i energiproduktionsvägar, vilket leder till celldöd.

Schematisk över den antimikrobiella verkningsmekanismen, som visar den antimikrobiella mekanismen hos polymerer

Den andra mekanismen kännetecknas av frisättningen av antimikrobiella medel med låg molekylvikt från polymerer. Antimikrobiella medel som frigörs från polymerer inducerar celldöd genom att binda till eller penetrera cellväggen. När antimikrobiella medel binder till proteiner uppstår strukturella förändringar i cellmembranet vilket resulterar i celldöd. Penetreringen av nanopartiklar i cellväggen gör att de antimikrobiella medlen kan interagera med cell-DNA. Mikrobdöd beror på effekterna på DNA-transkription och mRNA- syntes när polymernanopartiklar kombineras med DNA.

Primära egenskaper hos antimikrobiella polymerer

Det finns olika primära egenskaper hos antimikrobiella polymerer, beroende på verkningsmekanismen. De två primära egenskaperna hos kontaktaktiva antimikrobiella polymerer är katjonisk laddning och hydrofobicitet. Katjoniska rester är nödvändiga för att inducera interaktionen med den mikrobiella cellväggen. Polykatjoner såsom kvaternärt ammonium, kvartärt fosfonium och guanidinium finns ofta i antimikrobiella polymerer. Hydrofoba rester förbättrar bindningen till lipiddubbelskiktet och används för införande i den mikrobiella cellväggen. Icke-kontaktaktiva antimikrobiella polymerer kräver tillsats av antimikrobiella medel för att inducera aktivitet. Vanliga tillsatta medel inkluderar N-halaminföreningar, kväveoxid och nanopartiklar av koppar och silver.

Klasser av antimikrobiella polymerer

Antimikrobiella polymerer klassificeras i allmänhet i två kategorier baserat på hur antimikrobiell aktivitet tilldelas. De första är polymerer med inneboende antimikrobiellt medel som inte kräver några modifieringar för att framkalla antimikrobiellt beteende. Den andra klassen kräver modifiering för att möjliggöra antimikrobiell aktivitet och kan särskiljas efter typ av modifiering. Polymerer kan modifieras kemiskt för att inducera antimikrobiellt beteende eller så kan de användas som ryggrad för tillsats av organiska eller oorganiska föreningar.

Inneboende antimikrobiell aktivitet

Polymerer med inneboende antimikrobiell aktivitet inkluderar kitosan, poly-ε-lysin, kvartära ammoniumföreningar, polyetylenimin och polyguanidiner. Kitosan är en icke-toxisk polymer som har uppvisat bredspektrum antimikrobiell aktivitet. Verkningsmekanismen för kitosan inkluderar elektrostatisk interaktion, kelateffekten och den hydrofoba effekten. Elektrostatisk interaktion är den primära initiala interaktionen när pH är lägre, medan de kelatbildande och hydrofoba effekterna är de primära initiala interaktionerna när pH är högre. Tillväxthämning och död av svampar, bakterier och jästsvampar har setts från kitosan. Den antimikrobiella effekten av kitosan är större på svampar än jästsvampar och mer effektiv på gramnegativa bakterier än grampositiva bakterier.

Poly-ε-lysin är en biologiskt nedbrytbar, ogiftig, ätbar antimikrobiell polymer. Denna polymer använder elektrostatiska interaktioner för att fästa till cellväggen, vilket stör cellväggens integritet. Poly-ε-lysin penetrerar cellväggen och orsakar fysiologisk skada på cellen och död. I jämförelse med en liknande syntetisk polymer är poly-ε-lysin effektivare mot grampositiva än gramnegativa bakterier. Poly-ε-lysin är också effektivt mot Bacillus coagulans, Bacillus stearothermophilus och Bacillus subtilis .

Bensalkoniumklorid, stearalkoniumklorid och cetrimonium är alla kvartära ammoniumföreningar som innehåller kväve. Den antibakteriella aktiviteten hos dessa föreningar påverkas av antalet kolatomer och längden på den kvävehaltiga kedjan. Optimal antimikrobiell aktivitet ses i allmänhet i kvartära ammoniumföreningar med lång kedjelängd, innehållande 8-18 kolatomer. Ökad aktivitet ses mot grampositiva bakterier i polymerer med en kedjelängd på 12-14 kolatomer, medan förbättrad aktivitet mot gramnegativa bakterier ses i polymerer med en kedjelängd på 14-16 kolatomer. Polymera kvartära ammoniumföreningar som innehåller kväve inducerar celldöd genom elektrostatiska interaktioner och den hydrofoba effekten. Denna grupp av polymerer uppvisar begränsad hemolytisk aktivitet, vilket gör dem fördelaktiga för användning inom kosmetika och hälsovård.

Polyetylenimin är en syntetisk, icke biologiskt nedbrytbar polymer som innehåller kväve. Denna polymer inducerar celldöd genom cellmembranruptur. När den fästes på immobiliserade ytor inklusive glas och plast, orsakade N-alkyl-polyetylenimin cellinaktivering i nästan 100 % av luftburna och vattenburna bakterier och svampar. En fördel med denna polymer är att den är ogiftig för däggdjursceller. Polyetylenimin har använts inom den medicinska industrin för användning i proteser. Bakterietillväxten minskade med 92 % när polyetylenimin testades som beläggningsyta för medicintekniska produkter. Aktiviteten hos polyetylenimin påverkas av polymerens molekylvikt; lågmolekylär polyetylenimin uppvisar försumbar aktivitet, samtidigt som den uppvisar stor antimikrobiell aktivitet i sin högmolekylära form.

Polyguanidiner är en annan klass av antimikrobiella polymerer som innehåller kväve. Denna klass av antimikrobiella polymerer är ogiftig och uppvisar hög vattenlöslighet. Polyguanidiner uppvisar bredspektrum antimikrobiell aktivitet och interagerar initialt med mikrober med hjälp av elektrostatiska krafter. Större aktivitet mot grampositiva bakterier har setts med polyguanidiner än mot gramnegativa bakterier. Orsaken till skillnaden i aktivitet liknas vid de olika strukturerna hos grampositiva och gramnegativa bakterier. Gramnegativa bakterier har ett tunnare peptidoglykanlager än grampositiva bakterier. Dessutom har gramnegativa bakterier ett yttre lipidmembran, vilket grampositiva bakterier inte har. Polymerer med hög molekylvikt kan penetrera grampositiva bakterier.

Antimikrobiell aktivitet genom kemisk modifiering

Denna klass av polymerer har inte någon inneboende antimikrobiell aktivitet. För att inducera antimikrobiell aktivitet modifieras polymerer kemiskt för att inkludera aktiva medel. Aktiva sidogrupper är fästa vid polymerskelettet för att generera antimikrobiell aktivitet. Hängande grupper, antibiotikaläkemedel eller oorganiska partiklar kan anslutas till polymeren.

Hängande grupper som är fästa vid polymerskelettet inkluderar kvartärt ammonium, hydroxylgrupper med en organisk syra och andra. Antimikrobiella polymerer innehållande kvartärt ammonium som en sidogrupp syntetiseras vanligtvis från metakrylmonomerer. Fördelen med dessa monomerer är att hydrofobiciteten, molekylvikten och ytladdningen alla kan manipuleras. Hydrofobiciteten hos polymeren har en stark effekt på antimikrobiell aktivitet. Polysiloxaner, som har en kvartär ammoniumhängande grupp, har visat aktivitet mot flera bakteriestammar inklusive Enterococcus hirae, E. coli och P. aeruginosa . Flexibiliteten och den amfifila naturen hos denna polymer ökar den antimikrobiella aktiviteten. När bensaldehyd, en hydroxylgrupp innehållande organisk syra, används som en sidogrupp med metylmetakrylatpolymerer, har tillväxtinhibering fem gånger högre än kontrollytor visats. Bensaldehyd har inneboende antimikrobiell aktivitet och har inkorporerats i polymerer för att förbättra aktiviteten. Polymerer med kvartära ammonium- eller hydroxylgrupper med en organisk syra som vidhängande grupp har visat aktivitet mot många typer av bakterier, svampar och alger.

Antimikrobiell aktivitet kan också induceras genom tillsats av oorganiska partiklar såsom silver-, koppar- och titandioxidnanopartiklar till en polymer. Metallnanopartiklar införlivas i polymeren för att bilda polymera nanokompositer. Silver används i antimikrobiella polymerer på grund av dess stabilitet såväl som bredspektrum antimikrobiell aktivitet. Positiva silverjoner produceras i miljöer som är gynnsamma för tillväxten av bakterier. Dessa positiva silverjoner interagerar fysiskt med cellväggsproteiner vilket resulterar i membranavbrott och celldöd. Silver nanopartiklar inbäddade i en katjonisk polymer har visat aktivitet mot E.coli och S.aureus . Koppar- och titandioxidnanopartiklar är mindre vanliga i antimikrobiella polymerer än silvernanopartiklar. Kopparnanopartiklar inbäddade i nanokompositer av polypropen har visat förmågan att döda 99,9 % av bakterierna. Titandioxid är ett ogiftigt material med antimikrobiell aktivitet som är fotoaktiverat. Titandioxid har bäddats in i polypropen för att skapa fotoaktiva antimikrobiella polymerer. Den antimikrobiella aktiviteten hos polymerkompositen initieras av en ljuskälla. Ljuskällan gör att titandioxiden oxideras, vilket resulterar i frisättning av mycket reaktiva hydroxylämnen som stör bakterier. Effektiviteten av den fotoaktiva antimikrobiella polymeren har visats mot bakterien E.coli .

En annan klass av antibakteriella polymerer inkluderar de vars aktivitet introduceras genom inkorporering av antibiotika i polymermatrisen. Kemikalien triclosan används ofta för sina antibakteriella egenskaper. Triclosan blandat med sampolymeren styren-akrylat uppvisar antibakteriell aktivitet mot E. faecalis . Dessutom har triklosan i kombination med polymeren polyvinylalkohol ökad antibakteriell aktivitet jämfört med triklosan som inte ingår i en polymer. Polymeren polyetylenimin har också modifierats för att inkludera antibiotika. Polyetylenimin används för att göra bakteriecellsväggar mer permeabla, vilket ökar bakteriernas känslighet för antibiotika. Polyetylenimin ökar effektiviteten av antibiotika inklusive ampicillin, rifampin, cefotaxim, såväl som andra.

Proteinhärmare polymerer

Magainin och defensin är naturliga peptider, korta polymerer som består av aminosyror, som uppvisar exceptionell antimikrobiell aktivitet. Den antimikrobiella aktiviteten är en produkt av peptidernas struktur, inklusive dess mycket stela ryggrad. Dessa peptider har organiserade vidhängande grupper, vilket gör ena sidan av polymeren hydrofob och den andra sidan katjonisk. Denna grupp av polymerer inducerar effektivt celldöd genom cellväggspenetration. Polymerhärmar av dessa antimikrobiella peptider har utvecklats. Proteinhärmar polymerer emulerar strukturen av magainin och defensin. Exempel på proteinhärmande polymerer inkluderar poly(fenylene-etynylen)-baserade och N-karboxyanhydrid-baserade polymerer. Poly(fenylene etynylen) polymerer med aminosyra vidhängande grupper tillverkades för att ha positivt laddade sidogrupper och en styv ryggrad. Den syntetiska polymeren hade låg toxicitet och stark antimikrobiell aktivitet. Dessutom utvecklades N-karboxianhydridbaserade polymerer med den hydrofila aminosyran lysin och olika hydrofoba aminosyror. Polymererna uppvisade antimikrobiell aktivitet mot E. coli, C. Albicans och andra.

Faktorer som påverkar antimikrobiell aktivitet

Molekylvikt

Polymerens molekylvikt är kanske en av de viktigaste egenskaperna att beakta vid bestämning av antimikrobiella egenskaper eftersom antimikrobiell aktivitet är markant beroende av molekylvikten. Det har fastställts att optimal aktivitet uppnås när polymerer har en molekylvikt inom området 1,4x104 ^Da till 9,4x104 ^Da . Vikter större än detta intervall visar en minskad aktivitet. Detta viktberoende kan tillskrivas den sekvens av steg som är nödvändiga för biocidverkan. Polymerer med extremt stor molekylvikt kommer att ha problem med att diffundera genom den bakteriella cellväggen och cytoplasman. Sålunda har mycket ansträngning riktats mot att kontrollera polymerens molekylvikt.

Motjon

De flesta bakteriecellväggar är negativt laddade, därför måste de flesta antimikrobiella polymerer vara positivt laddade för att underlätta adsorptionsprocessen. Strukturen av motjonen , eller jonen som är associerad med polymeren för att balansera laddningen, påverkar också den antimikrobiella aktiviteten. Motanjoner som bildar ett starkt jonpar med polymeren hindrar den antimikrobiella aktiviteten eftersom motjonen kommer att förhindra polymeren från att interagera med bakterierna. Men joner som bildar ett löst jonpar eller som lätt dissocierar från polymeren, uppvisar en positiv inverkan på aktiviteten eftersom det tillåter polymeren att interagera fritt med bakterierna.

Spacer Längd/Alkyl Kedjelängd

Spacerlängden eller alkylkedjelängden hänvisar till längden på kolkedjan som utgör polymerryggraden. Längden på denna kedja har undersökts för att se om den påverkar polymerens antimikrobiella aktivitet. Resultaten har generellt visat att längre alkylkedjor har resulterat i högre aktivitet. Det finns två primära förklaringar till denna effekt. För det första har längre kedjor mer aktiva platser tillgängliga för adsorption med bakteriens cellvägg och cytoplasmatiska membran. För det andra aggregerar längre kedjor annorlunda än kortare kedjor, vilket återigen kan ge ett bättre sätt för adsorption. Kortare kedjelängder diffunderar dock lättare.

Nackdelar

En stor nackdel med antimikrobiella polymerer är att makromolekyler är mycket stora och därför kanske inte verkar lika snabbt som småmolekylära medel. Biocidpolymerer som kräver kontakttider i storleksordningen timmar för att ge avsevärda minskningar av patogener, har egentligen inget praktiskt värde. Sekunder, eller högst minuter, bör vara kontakttidsmålet för en riktig applikation. Vidare, om den strukturella modifieringen av polymeren orsakad av biocidfunktionalisering negativt påverkar den avsedda användningen, kommer polymeren inte att ha något praktiskt värde. Till exempel, om en fiber som måste utsättas för vattenhaltigt blekmedel för att göra den antimikrobiell (en N-halaminpolymer) försvagas av den exponeringen, eller dess färgämne blekas, kommer den att ha begränsad användning.

Syntetiska metoder

Syntes från antimikrobiella monomerer

Denna syntetiska metod involverar kovalent koppling av antimikrobiella medel som innehåller funktionella grupper med hög antimikrobiell aktivitet, såsom hydroxyl- , karboxyl- eller aminogrupper , till en mängd olika polymeriserbara derivat eller monomerer före polymerisation. Den antimikrobiella aktiviteten hos det aktiva medlet kan antingen reduceras eller förstärkas genom polymerisation. Detta beror på hur medlet dödar bakterier, antingen genom att tömma den bakteriella matförsörjningen eller genom att bakteriemembranet störs och vilken typ av monomer som används. Skillnader har rapporterats när homopolymerer jämförs med sampolymerer . Exempel på antimikrobiella polymerer syntetiserade från antimikrobiella monomerer ingår i tabell 2:

Tabell 2: Polymerer syntetiserade från antimikrobiella monomerer och deras antimikrobiella egenskaper

Hämmade mikrobiella arter	Antimikrobiell mekanism	Jämförelse av polymerer med monomerer
Svamp : C. albicans ; A. niger	Långsam frisättning av 4-amino-N-(5-metyl-3-isoxazoly)bensensulfonamid	Homopolymeren är mer effektiv än monomeren i alla koncentrationer.
Bakterier : Gram-positiva ; Gram-negativ	Tenndel på polymerytan interagerar med cellväggen.	Sampolymerisation av antimikrobiell monomer och styren minskar styrkan hos monomeren.
Bakterier : S. aureus ; P. aeruginosa ; E. coli ;	Närvaron av bensimidazolderivat hämmar cytokrom P-450 monooxygenas	Homopolymeren är effektivare än monomeren.
Bakterier : Gram-positiva; Gram-negativ	Frisättning av norfloxacin som hämmar bakteriellt DNA- gyras och celltillväxt.	----
Bakterier : Pseudomonas aeruginosa ; Stafylokock	Aktivt ämne är 2,4,4'-triklor-2'- hydroxidifenyleter	Homopolymeren och sampolymererna med metylmetakrylat , styren är alla mindre effektiva än monomeren.
Bakterier :S. aureus; P. aeruginosa;	Det aktiva medlet är en fenolgrupp.	Polymerisation minskar signifikant den antimikrobiella aktiviteten hos monomererna.
Bakterier : E-coli	Direkt överföring av oxidativ halogen från polymer till organismens cellvägg.	----
Bakterier : E. coli;S. aureus; S. typhimurium	Frisättning av 8-hydroxikinolindelar	Homopolymeren och sampolymererna med akrylamid är båda mindre effektiva än monomeren.
Bakterier : Grampositiva bakterier	Det aktiva medlet är Sulfoniumsalt	Homopolymeren är mer effektiv än motsvarande modellförening (p-etylbensyltetrametylensulforiumtetrafluorborat).
Bakterier : Orala streptokocker	Direkt katjonisk bindning till cellväggen, vilket leder till störning av cellväggen och celldöd.	----
Bakterier : S. aureus; E coli	Katjoniska biocider riktar sig mot de cytoplasmatiska membranen ; Likheter mellan de vidhängande polymergrupperna och lipidskiktet förbättrar diffusionen in i cellväggen	Monomererna är inte aktiva, medan homopolymerer visar måttliga aktiviteter i koncentrationer från 1 mg/ml till 3,9 mg/ml.
Bakterier : S. aureus; E coli	Membranstörning	----
Bakterier : Staphylococcus ;E. coli	Immobilisering av höga koncentrationer av klor för att möjliggöra snabba biocidaktiviteter och frigöring av mycket små mängder frätande fritt klor i vatten	----

Syntes genom att tillsätta antimikrobiella medel till förformade polymerer

Denna syntetiska metod innebär att först syntetisera polymeren, följt av modifiering med en aktiv substans. Följande typer av monomerer används vanligtvis för att bilda ryggraden i homopolymerer eller sampolymerer: vinylbensylklorid , metylmetakrylat , 2-kloroetylvinyleter, vinylalkohol , maleinsyraanhydrid . Polymererna aktiveras sedan genom att förankra antimikrobiella arter, såsom fosfoniumsalter , ammoniumsalter eller fenolgrupper via kvaternisering, substitution av klorid eller hydrolys av anhydrid . Exempel på polymerer syntetiserade från denna metod ges i tabell 3:

Tabell 3: Antimikrobiella polymerer syntetiserade från förformade polymerer och antimikrobiella egenskaper

Polymer	Hämmade mikrobiella arter	Antimikrobiell mekanism
	Svamp : Candida albicans ; Aspergillus flavus ; Bakterier : S. aureus ; E. coli ; B. subtilis ; Fusarium oxysporum	Aktiv grupp: Fosfoniumgrupper .
	Svamp : Aspergillus fumigatus ; Penicillium pinophilum	Frisättningen av m-2-bensimidazolkarbamoyldelen.
	Bakterier : E. coli; S. aureus	Aktiva grupper: fenolisk hydroxylgrupp .
	Bakterier : E. coli ; S. aureus	Aktiv grupp: Kvartär ammoniumgrupp .
	Svamp : Trichophyton rubrum ; Bakterier : Gramnegativa bakterier	Aktiva grupper: Fosfonium- och kvartära ammoniumgrupper.

Syntes genom att tillsätta antimikrobiella medel till naturligt förekommande polymerer

Kvaterniserad N-alkylkitosan

Kitin är den näst vanligaste biopolymeren i naturen. Den deacetylerade produkten av kitin- kitosan har visat sig ha antimikrobiell aktivitet utan toxicitet för människor. Denna syntetiska teknik involverar framställning av kitosanderivat för att erhålla bättre antimikrobiell aktivitet. För närvarande har arbetet involverat införandet av alkylgrupper till amingrupperna för att göra kvaterniserade N-alkylkitosanderivat, införande av extra kvaternära ammoniumtransplantat till kitosanet och modifiering med fenoliska hydroxylgrupper .

Syntes genom införande av antimikrobiella medel i polymerryggraden

Införlivande av bitionol i polymerstommen

Denna metod involverar användning av kemiska reaktioner för att införliva antimikrobiella medel i de polymera ryggraden. Polymerer med biologiskt aktiva grupper, såsom polyamider , polyestrar och polyuretaner är önskvärda eftersom de kan hydrolyseras till aktiva läkemedel och små ofarliga molekyler. Till exempel har en serie polyketoner syntetiserats och studerats, som visar en hämmande effekt på tillväxten av B. subtilis och P. fluorescens samt svampar, A. niger och T. viride. Det finns också studier som införlivar antibiotika i polymerens ryggrad.

Krav på en antimikrobiell polymer

För att en antimikrobiell polymer ska vara ett gångbart alternativ för storskalig distribution och användning finns det flera grundläggande krav som först måste uppfyllas:

Syntesen av polymeren bör vara enkel och relativt billig. För att tillverkas i industriell skala bör syntetisk väg helst använda tekniker som redan är väl utvecklade.
Polymeren bör ha lång hållbarhet eller vara stabil under långa tidsperioder. Den ska kunna förvaras vid den temperatur som den är avsedd att användas för.
Om polymeren ska användas för desinfektion av vatten, bör den vara olöslig i vatten för att förhindra toxicitetsproblem (som är fallet med vissa nuvarande antimikrobiella medel med små molekyler).
Polymeren bör inte sönderdelas under användning eller avge giftiga rester.
Polymeren bör inte vara giftig eller irriterande för dem under hantering.
Antimikrobiell aktivitet bör kunna regenereras vid förlust av aktivitet.
Antimikrobiella polymerer bör vara biocida för ett brett spektrum av patogena mikroorganismer vid korta kontakttider.

Ansökningar

Vattenbehandling

Polymera desinfektionsmedel är idealiska för applikationer i handhållna vattenfilter, ytbeläggningar och fibrösa desinfektionsmedel , eftersom de kan tillverkas med olika tekniker och kan göras olösliga i vatten. Utformningen av olösliga kontaktdesinfektionsmedel som kan inaktivera, döda eller avlägsna målmikroorganismer genom ren kontakt utan att släppa några reaktiva medel till bulkfasen som desinficeras är önskvärd. Klor eller vattenlösliga desinfektionsmedel har problem med den kvarvarande toxiciteten, även om minimala mängder av ämnet används. Giftiga rester kan koncentreras i mat, vatten och i miljön. Dessutom, eftersom fria klorjoner och andra relaterade kemikalier kan reagera med organiska ämnen i vatten för att ge trihalometananaloger som misstänks vara cancerframkallande , bör användningen av dem undvikas. Dessa nackdelar kan lösas genom avlägsnande av mikroorganismer från vatten med olösliga ämnen.

Livsmedelsapplikationer

Antimikrobiella ämnen som ingår i förpackningsmaterial kan kontrollera mikrobiell kontaminering genom att minska tillväxthastigheten och den maximala tillväxtpopulationen. Detta görs genom att förlänga eftersläpningsfasen för målmikroorganismen eller genom att inaktivera mikroorganismerna vid kontakt. En av dessa tillämpningar är att förlänga livsmedels hållbarhet och främja säkerheten genom att minska tillväxthastigheten för mikroorganismer när förpackningen är i kontakt med ytorna på fasta livsmedel, till exempel kött, ost, etc. För det andra antimikrobiella förpackningsmaterial avsevärt minska risken för återkontaminering av bearbetade produkter och förenkla behandlingen av material för att eliminera produktkontamination. Till exempel kan självsteriliserande förpackningar eliminera behovet av peroxidbehandling i aseptiska förpackningar. Antimikrobiella polymerer kan också användas för att täcka ytor på livsmedelsutrustning som självdesinfektion . Exempel inkluderar filterpackningar, transportörer, handskar, plagg och annan personlig hygienutrustning .

Vissa polymerer är i sig antimikrobiella och har använts i filmer och beläggningar. Katjoniska polymerer såsom kitosan främjar celladhesion. Detta beror på att laddade aminer interagerar med negativa laddningar på cellmembranet och kan orsaka läckage av intracellulära beståndsdelar. Chitosan har använts som beläggning och verkar skydda färska grönsaker och frukter från svampnedbrytning. Även om den antimikrobiella effekten tillskrivs kitosans svampdödande egenskaper, kan det vara möjligt att kitosan fungerar som en barriär mellan näringsämnena i produkten och mikroorganismer.

Medicin och sjukvård

Antimikrobiella polymerer är kraftfulla kandidater för kontrollerade leveranssystem och implantat i dentala restaureringsmaterial på grund av deras höga aktivitet. Detta kan tillskrivas deras karakteristiska natur att bära en hög lokal laddningstäthet av aktiva grupper i närheten av polymerkedjorna. Till exempel framställdes elektrospunnen fibrer innehållande tetracyklinhydroklorid baserad på poly(etylen-co-vinylacetat), poly(mjölksyra) och blandning för användning som ett antimikrobiellt sårförband. Cellulosaderivat används ofta i kosmetika som hud- och hårbalsam. Kvaternära ammoniumcellulosaderivat är av särskilt intresse som balsam i hår- och hudprodukter.

Framtida arbete inom detta område

Området för antimikrobiella polymerer har utvecklats stadigt, men långsamt under de senaste åren, och verkar vara på gränsen till snabb expansion. Detta bevisas av ett brett utbud av nya klasser av föreningar som har framställts och studerats under de senaste åren.

Modifiering av polymerer och fibrösa ytor, och ändring av porositeten, vätbarheten och andra egenskaper hos polymersubstraten, bör ge implantat och biomedicinska anordningar med större motståndskraft mot mikrobiell vidhäftning och biofilmbildning . Ett antal polymerer har utvecklats som kan inkorporeras i cellulosa och andra material, vilket borde ge betydande framsteg inom många områden såsom livsmedelsförpackningar, textilier, sårförband, beläggning av kateterrör och nödvändigtvis sterila ytor. Det större behovet av material som bekämpar infektioner kommer att ge incitament för upptäckt och användning av antimikrobiella polymerer.

Bibliografi

Cowie, JMG Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials , Chapman och Hall, 3:e upplagan (2007);
Förenta staterna. kongressen. Office of Technology Assessment. Biopolymerer: att göra material på naturens sätt , Washington, DC: The Office, (1993);
Marsh, J. Antimicrobial peptides , J. Wiley, (1994);
Ull, RP Biobaserade polymerer och kompositer , Elsevier Academic Press, (2005).

externa länkar