Speciální hybridní vrstvy připravené metodou sol-gel
a jejich biomedicínské aplikace Petr Exnar, Irena Lovětinská-Šlamborová Katedra chemie a Ústav zdravotnických studií, Technická univerzita v Liberci Výsledky byly získány za finančního přispění MŠMT v rámci účelové podpory programu "Národní program udržitelnosti I" projektu LO1201 a projektu OP VaVpI Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005.
Obsah
Princip a použitelnost metody sol-gel
Hybridní anorganicko-organické nanovrstvy
Antimikrobiální aplikace
Další biomedicínské aplikace
Závěr
Princip a použitelnost metody sol-gel
Metoda sol-gel
Výsledné formy • Vrstvy
• Vlákna • Monolitické vzorky • Prášky • Kompozity
Vrstvy SiO2 na polyamidu
Hybridní anorganicko-
organické nanovrstvy
Alkylalkoxysilany dva typy vazeb mezi uhlíkem a křemíkem vazby C – O – Si reagující s Si-OH skupinami vazby C – Si nereaktivní
Možnost zabudování dalších funkčních skupin
Alkylalkoxysilany
Alkylalkoxysilany TMSPM - 3-(trimethoxysilyl)propyl methakrylát organicko-anorganický polymer, tvořený dvěma sítěmi - anorganická síť – oxid křemičitý - organická síť PMMA Sítě jsou vzájemně propojeny kovalentní vazbou.
Hybridní materiály
Hybridní nanovrstvy Tloušťka vrstvy – 50 až 300 nm Mechanická odolnost - při zatížení 650 g/ 150 cyklů Chemická odolnost: - toluen, aceton, izopropylalkohol - kyselina sírová (96%), dusičná (1:1), chlorovodíková (1:1) Neodolává - HF (1:1), NaOH (25%) – 15 min
Hybridní nanovrstvy Teploty polymerace 150 °C sklo, kovy, keramika, tepelně odolné plasty 90 °C polypropylen, polyethylen Adheze k materiálům vynikající – sklo, kovy, keramika, polární plasty (PMMA, PA, PES apod.) dostatečná – PE, PP nevyhovující - teflon
Antimikrobiální aplikace (+ antivirotické a antimykotické)
Složení nanovrstvy
Hybridní vrstva na bázi TMSPM a TEOS s přídavky izopropoxidu titaničitého a dusičnanů stříbra, mědi a zinku Atomy titanu se zabudují do křemičitanové sítě, kationty stříbra, mědi a zinku jsou vázány iontovou vazbou na Si-O- skupiny křemičitanové sítě Hlavní účinnou složkou je kationt stříbrný Ag+
Složení nanovrstvy
Synergický efekt přítomnosti kationtů stříbra a mědi – je způsoben existencí oxidačně redukční rovnováhy která udržuje v hybridní vrstvě obsah kationtu Ag+ Pomocná rovnováha (zvyšuje účinnost)
přítomnost Ti ve struktuře hybridní vrstvy také dovoluje přenos náboje mezi nesousedícími kationty podle první z uvedených rovnic Kationt zinečnatý nezasahuje do uvedených rovnováh, rozšiřuje účinek vrstvy na další mikroorganismy
Obsah kationtů kovů ve vrstvě Pevný materiál (podlahová krytina – středně velká místnost) - 0,6 g kovů /20 m2 Textilní materiál kolem 0,15 g kovů /1 m2 textilie Nátěrová hmota – 0,5 g kovů na 20 m2
Patenty
Šlamborová, I., Zajícová, V. a Exnar, P.: Antibakteriální vrstva působící proti patogenním bakteriím, zejména proti bakteriálnímu kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy. Patent ČR 303 250, 7.4.2011, 9.5.2012. Šlamborová, I., Zajícová, V., Exnar, P. a Stibor, I.: Antibakteriální vrstva působící proti patogenním bakteriím, zejména proti bakteriálnímu kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy. Patent ČR 303 861, 23.5.2012, 18.4.2013. WO 2013/174356, 28.11.2013. Šlamborová, I., Zajícová, V., Exnar, P. a Stibor, I.: Antibakteriální hybridní vrstva působící proti patogenním bakteriím, zejména proti bakteriálnímu kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy. Přihláška vynálezu ČR PV 2013-656. 28.8.2013.
Vrstva na polypropylenu Část bez vrstvy
Část s vrstvou Optický mikroskop
Vrstva na textiliích
Polyester
bavlna
Hodnocení antimikrobiálních vlastností Antibakteriální testy na MRSA Antibakteriální testy na směsi 8 bakteriálních patogenních kmenů Stabilita vrstvy – opakovaná sterilizace -sterilizováno teplým vzduchem 1 hod při 130 °C u PMMA a 2 hod při 95 °C u skla a keramiky Virologické testy - HIV virus (NL4-3)
MRSA rezistentní mikroorganismy v nemocnicích MRSA (Methycilin Rezistentní Staphylococcus Aureus) VRE (Vankomycin - Rezistentní enterokoky) – nozokomiální infekce Jedná se o infekci získanou v nemocnici u pacienta, který byl přijat z jiného důvodu, než je tato infekce
Účinnost antimikrobiální vrstvy
Substrát sklo, denní světlo
Testovaná směs 8 bakteriálních patogenních kmenů
Escherichia coli CCM 2024 Staphylococcus aureus CCM 299 MRSA CCM 7112 MRSA 2 CCM 4223 Acinetobacter baumanii CCM 2265 Pseudomonas aeruginosa CCM 1959 Proteus vulgaris CCM 1956 Proteus mirabilis CCM 1944
koncentrace 105 CFU/ml
Účinnost antimikrobiální vrstvy 1000
PMMA
Počet kolonií
900 800
Kachle
700
Sklo
600 500 400
100%-ní inhibice po 60 minutách osvitu
300 200 100 0 0
20
40
60
80
100
120
140
Doba odběru bakteriální kultury (min)
Osvit UV A zářením, směs 8 bakteriálních patogenních kmenů, koncentrace 105 CFU/ml
Stabilita antimikrobiální vrstvy (sterilizace 120 °C/ 1 hod) 1000
připravený vzorek
900
3x sterilizace 800
10x sterilizace
Počet kolonií
700 600 500 400 300 200 100 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Doba odběru bakteriální kultury (min)
Vrstva na skle, viditelné světlo, směs 8 bakteriálních patogenních kmenů, koncentrace 105 CFU/ml
Antivirotické testy virus HIV Testy na běžném světle
Testy na UV A 90
45000
uncoated
40000
coated
80 70
35000
number of blue loci
luminescence [RLU]
50000
30000 25000 20000
15000
60 50
coated
40 30
10000
20
5000
10
0
uncoated
0 2
5
10 20 30 Incubation time [min]
60
120
2
5
10
20 30 60 Incubation time
120
960
Testy cytotoxicity vrstvy
Nebyl pozorován žádný významný cytotoxický účinek vrstvy na VERO a HeLa buňky
Hodnocení antimikrobiálních vlastností na textilu Antibakteriální testy kvantitativní testy dle mezinárodní normy AATCC Test Method: 100-2004 Antibacterial Finishes on Textile Materials Stabilita vrstvy prací cykly dle ČSN – sledování úbytku a stability iontů Ag, Zn, Cu a Ti
Stabilita vrstvy na textilii ponožky ba/PET, RFA analýza 60000
50000
impulzy
40000
Ti Cu
30000
Zn Ag
20000
10000
0 0
5
10
15
20
prací cykly
Standardní praní v ruce v běžných pracích prášcích po běžném použití
Antimikrobiální vrstvy na textiliích
Potvrzen inhibiční účinek na celou škálu bakteriálních patogenních kmenů za běžného světla, po ozáření UV A i ve tmě Potvrzena stabilita a účinnost antimikrobiální vrstvy i po praní (20 respektive 50 pracích cyklů) Na ponožkách prokázány antimykotické účinky, zejména na Candida albicans
Možnosti aplikace antimikrobiálních vrstev na pevných materiálech
Možnosti aplikace antimikrobiálních vrstev na textiliích
Další biomedicinské aplikace
Imobilizace
Imobilizace je navázání příslušného organického agens na povrch substrátu
Jednoduché chemické látky (organické molekuly a makromolekuly, například antibiotika a jiné léky)
Složitější organické agens (enzymy, protilátky, polypeptidy nebo buňky)
Silanizace Reakce Si-OH skupin s alkylalkoxysilany polykondenzace
Reaktivní skupiny 3-aminopropyltrimethoxysilan APTMS
obdobně i 3-aminopropyltriethoxysilan APTES
Výhledy pro aplikace
Imobilizovat lze řadu léčiv jiných organických agens bez ztráty účinnosti (viz navazující přednáška)
Imobilizované enzymy jsou velmi zajímavé pro praktické využití v biotechnologii a pro konstrukci enzymových senzorů
Závěr
Oblasti využití metody sol-gel Antimikrobiální, antivirotické a antimykotické vrstvy pro použití v lékařství, školství, potravinářství, textilním průmyslu, biotechnologii a sociálním bydlení Příprava nanovlákenných substrátů pro použití v lékařství
Oblasti využití metody sol-gel Imobilizace léků na nanočástice pro řízenou léčbu Imobilizace léků na textilní materiály používané jako obvazové materiály Pěstování buněk v nanovlákenných materiálech s upraveným povrchem
Děkuji za pozornost
