Speciální hybridní vrstvy připravené metodou sol-gel a jejich biomedicínské aplikace

Transkript

1 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/

2 Obsah Princip a použitelnost metody sol-gel Hybridní anorganicko-organické nanovrstvy Antimikrobiální aplikace Další biomedicínské aplikace Závěr

3 Princip a použitelnost metody sol-gel

4 Metoda sol-gel

5 Výsledné formy Vrstvy Vlákna Monolitické vzorky Prášky Kompozity

6 Vrstvy SiO 2 na polyamidu

7 Hybridní anorganickoorganické nanovrstvy

8 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

9 Alkylalkoxysilany

10 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.

11 Hybridní materiály

12 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

13 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

14 Antimikrobiální aplikace (+ antivirotické a antimykotické)

15 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 +

16 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

17 Obsah kationtů kovů ve vrstvě Pevný materiál (podlahová krytina středně velká místnost) - 0,6 g kovů /20 m 2 Textilní materiál kolem 0,15 g kovů /1 m 2 textilie Nátěrová hmota 0,5 g kovů na 20 m 2

18 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 , , 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 , , WO 2013/174356, 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

19 Vrstva na polypropylenu Část bez vrstvy Část s vrstvou Optický mikroskop

20 Vrstva na textiliích Polyester bavlna

21 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)

22 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

23 Účinnost antimikrobiální vrstvy Substrát sklo, denní světlo

24 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 10 5 CFU/ml

25 Účinnost antimikrobiální vrstvy Počet kolonií Doba odběru bakteriální kultury (min) PMMA Kachle Sklo 100%-ní inhibice po 60 minutách osvitu Osvit UV A zářením, směs 8 bakteriálních patogenních kmenů, koncentrace 10 5 CFU/ml

26 Počet kolonií Stabilita antimikrobiální vrstvy (sterilizace 120 C/ 1 hod) připravený vzorek 3x sterilizace 10x sterilizace Doba odběru bakteriální kultury (min) Vrstva na skle, viditelné světlo, směs 8 bakteriálních patogenních kmenů, koncentrace 10 5 CFU/ml

27 luminescence [RLU] number of blue loci Antivirotické testy virus HIV Testy na běžném světle Testy na UV A uncoated coated uncoated coated Incubation time [min] Incubation time

28 Testy cytotoxicity vrstvy Nebyl pozorován žádný významný cytotoxický účinek vrstvy na VERO a HeLa buňky

29 Hodnocení antimikrobiálních vlastností na textilu Antibakteriální testy kvantitativní testy dle mezinárodní normy AATCC Test Method: Antibacterial Finishes on Textile Materials Stabilita vrstvy prací cykly dle ČSN sledování úbytku a stability iontů Ag, Zn, Cu a Ti

30 impulzy Stabilita vrstvy na textilii ponožky ba/pet, RFA analýza Ti Cu Zn Ag prací cykly Standardní praní v ruce v běžných pracích prášcích po běžném použití

31 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

32 Možnosti aplikace antimikrobiálních vrstev na pevných materiálech

33 Možnosti aplikace antimikrobiálních vrstev na textiliích

34 Další biomedicinské aplikace

35 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)

36 Silanizace Reakce Si-OH skupin s alkylalkoxysilany polykondenzace

37 Reaktivní skupiny 3-aminopropyltrimethoxysilan APTMS obdobně i 3-aminopropyltriethoxysilan APTES

38 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

39 Závěr

40 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

41 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

42 Děkuji za pozornost