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 SiO 2 na polyamidu
Hybridní anorganickoorganické 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 m 2 Textilní materiál kolem 0,15 g kovů /1 m 2 textilie Nátěrová hmota 0,5 g kovů na 20 m 2
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 10 5 CFU/ml
Účinnost antimikrobiální vrstvy Počet kolonií 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 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
Počet kolonií Stabilita antimikrobiální vrstvy (sterilizace 120 C/ 1 hod) 1000 900 800 700 připravený vzorek 3x sterilizace 10x sterilizace 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 10 5 CFU/ml
luminescence [RLU] number of blue loci Antivirotické testy virus HIV Testy na běžném světle Testy na UV A 50000 45000 40000 uncoated coated 90 80 70 35000 60 30000 25000 20000 50 40 uncoated coated 15000 30 10000 20 5000 10 0 2 5 10 20 30 60 120 0 2 5 10 20 30 60 120 960 Incubation time [min] Incubation time
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
impulzy Stabilita vrstvy na textilii ponožky ba/pet, RFA analýza 60000 50000 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