Применение антимикробных полимерных материалов в медицине и при упаковке продуктов питания
Шрифт:
Взаимодействие микроорганизмов с пластиками может происходить тремя различными путями:
– прямое разрушение, когда микроорганизмы используют пластик (или его компоненты – пластификаторы, добавки) в качестве питательной среды,
– разрушение или изменение внешнего вида изделия под действием продуктов метаболизма микроорганизмов (кислоты, энзимы, пигменты и т.п.),
– образование колоний микроорганизмов на поверхности изделия, не наносящее видимого вреда изделию.
В большинстве случаев пластики повреждаются грибками, но и бактерии также вносят свой вклад, в основном питаясь различными органическими добавками, содержащимися в изделиях. Более всего воздействию микроорганизмов подвержены пластифицированный ПВХ, так как бактерии используют
Полиолефины в целом менее подвержены действию микроорганизмов, по сравнению с ПВХ и полиуретанами. Наиболее склонен к биоразложению низкомолекулярный полиэтилен (молекулярная масса менее 10000) и полимеры с небольшим количеством разветвлений (ПЭВП, ЛПЭНП). Также воздействию микроорганизмов подвержены пластики, полученные из капролактама. Но, тем не менее, в результате исследований различных синтетических волокон и тканей было выяснено, что на поверхности полиэфирных, полипропиленовых и полиамидных волокон прекрасно развиваются стрептококки. Взаимодействие микроорганизмов с полимерами может проявляться следующим образом: появление пятен или изменение цвета происходит в результате воздействия внутриклеточных пигментов (в основном плесени – пенициллин и аспергилла) или внеклеточных красителей (продукты метаболизма бактерий), изменение электрических свойств (проводимости). Ухудшение изоляционных свойств происходит в основном из-за колоний микроорганизмов на поверхности изделия, которые не повреждают сам материал, но выделяют в процессе жизнедеятельности полисахариды. Изменение механических свойств происходит в результате поедания бактериями функциональных добавок – пластификаторов и стабилизаторов. Это наиболее серьёзное проявление биоразложения пластиков, загрязнение поверхности вследствие образования колоний микроорганизмов, которые создают микрошероховатости, на которых задерживается пыль, повышенная проницаемость к газам и растворителям также возникает в результате повреждения поверхности изделия, запах обусловлен выделением продуктов метаболизма микроорганизмов – аминов, аммиака и сероводорода.
Примером практического использования защитного действия полимеров могут служить лекарственные бактерицидные препараты – протаргол и колларгол. Они представляют собой гидрозоли серебра, защищенные белками. Устойчивость этих золей так велика, что их можно высушить до состояния порошка, который в воде снова образует высокодисперсный золь. Адсорбированный на поверхности коллоидных частиц белок не снижает бактерицидного действия серебра.
Для химического взаимодействия бактерицидного (БП) или фунгицидного (ФП) препарата с макромолекулами волокнообразующего полимера волокна предварительно модифицируют с целью введения в макромолекулы активных функциональных групп, способных взаимодействовать с БП или ФП, или же применяют препараты, содержащие активные группы, способные реагировать с функциональными группами макромолекулы. Биологическая активность полученных этим способом веществ обусловлена постепенным отщеплением небольшого количества БП или ФП вследствие гидролиза или диссоциации связи между препаратом и волокнообразующим полимером.
Синтезированы и с хорошими результатами применяются в клинической практике эквиваленты различных тканей и органов человека: костей, суставов, зубов. Созданы протезы кровеносных сосудов, искусственные клапаны и желудочки сердца. Синтез полупроницаемых полимерных мембран и умелое использование разнообразных свойств сополимерных материалов привели к созданию аппаратов «искусственное сердце-легкое» и «искусственная почка». Они позволяют временно заменить соответствующие органы человека, в частности проводить сложные хирургические операции на сердце и легких. Медицинские полимеры и сополимеры используются для культивирования клеток и тканей, хранения и консервации крови, кроветворной ткани – костного мозга, консервации кожи и многих других органов. В терапии широко используются сополимеры – ионообменники (ионообменные смолы) для удаления из организма щелочных металлов, радиоактивных элементов, для введения в организм дополнительных количеств необходимых ионов металлов. Использование медицинских полимеров для изготовления хирургических инструментов и оборудования (шприцы и системы для переливания
ГЛАВА 2. АНТИМИКРОБНЫЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОЛИМЕРОВ
Термин «микроб» используется в качестве общей характеристики для любого вида бактерии, грибка или плесени. В той или иной форме эти микроскопические организмы адаптируются к окружающей среде и размножаются даже в самых сложных условиях. Их уникальная способность быстро эволюционировать и адаптироваться, в некоторых случаях пребывать в покое на длительный период времени делает их чрезвычайно выносливыми. Несмотря на то, что большинство из них безвредны, многие более того – полезны, существуют патогенные штаммы, которые уже успели обрести дурную славу, прежде всего госпитальные «сверхинфекты» стойкие к лекарственным веществам микробы, вызывающие опасные заболевания.
Основной задачей антимикробных добавок является снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности. Очень часто рост микроорганизмов бывает незаметен (без видимых пятен или изменения цвета), но приводит к появлению запаха и увеличивает риск переноса инфекции.
К настоящему времени разработаны антимикробные добавки для широкого спектра полимеров – полиолефинов, полистирола и его сополимеров, полиамида. По механизму действия антимикробные добавки можно разделить на 2 группы – микробиостатические и микробиоцидные. Микробиостатические добавки замедляют процесс размножения микроорганизмов, но клетки не погибают, а только замедляется их рост. В зависимости от предназначения такие добавки подразделяются на бактериостатические и фунгистатические.
Микробиоцидные добавки уничтожают микроорганизмы полностью, значительно снижая их количество сразу же после контакта. В зависимости от предназначения такие добавки подразделяются на бактерицидные и фунгицидные.
Основной задачей антимикробных добавок является снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности. По предназначению антимикробные добавки можно разделить на 2 типа:
– биостабилизаторы – защищают пластики от обрастания грибками, водорослями, плесенью и т.п. и позволяют предотвратить разрушение пластиков микроорганизмами;
– биомодификаторы – придают пластикам способность поддерживать стерильность поверхности в течение длительного времени и предотвращают появление запаха.
Общие требования к антимикробным добавкам одинаковы:
– низкая токсичность для людей, животных и окружающей среды как в процессе переработки, так и при использовании готовых изделий;
– лёгкость переработки и применения;
– совместимость с другими добавками (стабилизаторы, процессинги и т.д.);
– отсутствие негативного влияния на физико-механические или потребительские свойства изделия;
– длительные сроки хранения готовой продукции и высокая эффективность.
Антимикробные полимерные добавки можно отнести к двум широким категориям: органические и неорганические. Эти системы обладают различными свойствами, и поэтому их сферы применения несхожи.
2.1. Органические добавки
Химические органические добавки являются продуктами органического синтеза целлюлозных соединений или переработки отходов лесохимии, целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, агрохимии и др.
Органические добавки, имеющие в своем составе металлоорганический класс молекул, полагаются на кочующие молекулы с целью оказания антимикробного действия на поверхность полимера. Стоит только диспергировать их в пластик, как они начнут мигрировать из полимерной структуры на полимерную поверхность, где будет образовываться антимикробная «пленка». Миграция происходит из-за того, что молекулы понижают градиент концентрации в пластике. Миграция происходит под воздействием наследственных несовместимых различий между органическими антимикробными соединениями и полимерными субстратами, в которых они диспергированы. В результате полученная на полимерной поверхности пленка пополняется за счет добавок, находящихся внутри субстрата всякий раз, когда поверхность вытирают или моют или когда антимикробный материал гибнет в окружающей среде.