Быстрый рост антибактериальных и антимикробных материалов: формируя будущее здоровья и безопасности

Появление новых инфекционных агентов стало серьезной проблемой — сейчас больше чем когда-либо, когда мир сталкивается с последствиями для здоровья и экономики, принесенными глобальной пандемией. Разработка и использование антимикробных материалов ожидается только возрастет, поскольку мы применяем более строгие меры в контроле нашей среды и предотвращении будущих вспышек.

Под воздействием растущего осознания безопасности и поддержания здоровья, глобальная индустрия антимикробных покрытий предвидит резкий рост спроса, по данным Global Market Insights.

Рынок антибактериальных материалов и покрытий оценивался более чем в $3 млрд в 2017 году. Ожидается, что он зарегистрирует составной ежегодный темп роста около 12,5% за 2018–2024, достигая $7 млрд к концу 2024 года.

Разработка и использование антимикробных материалов ожидается только возрастет, поскольку мы применяем более строгие меры в контроле нашей среды и предотвращении будущих вспышек.

Инфекционные агенты обычно распространяются через воздушные капли, производимые от чихания или кашля. Эти биологические жидкости могут оседать на поверхностях, и передача от человека к человеку возможна, если человек касается этих капель дыхательных путей.

В исследовании, проведенном Нили и Мали, патогены вроде метициллиноустойчивого стафилококка ауреуса (MRSA) и ванкомициноустойчивый энтерококк были найдены, выживающими в течение суток на материалах, используемых в больницах.

Вирусы обычно остаются активными дольше на нержавеющей стали, пластике и аналогичных твердых поверхностях, чем на ткани и других мягких поверхностях.

Некоторые микробы даже жили более 90 дней. Эти микроорганизмы эндемичны в отделениях интенсивной терапии (ОИТ) и ассоциированы с повышенной вероятностью заболеваний и смерти. Дезинфектанты, как перекись водорода, не идеальны из-за их ограниченного остаточного эффекта и проблем с экологической токсичностью.

Текущая структура требует необходимости исследовать материалы, способные обеспечивать антимикробную активность, тем самым сокращая случаи возможных вспышек.

Идеальный антибактериальный материал

Антибактериальные материалы содержат антимикробные агенты, способные подавлять или убивать микробы на своей поверхности или в окружающей среде. Они могут быть антимикробными полимерами, антибактериальными пластиками, антимикробными наноматериалами или антимикробной керамикой.

Идеальный антимикробный материал изображает следующие признаки:

• безопасен в использовании;
• дешев и легко синтезируется;
• покрывает широкий спектр антимикробной активности;
• высокостабилен на длительные периоды;
• нерастворим в воде (если используется для дезинфекции воды);
• не поддается распаду;
• не должен выделять токсичные продукты.

Типы антимикробных материалов и покрытий

1. Антимикробные полимеры

Универсальные макромолекулярные свойства полимера делают его благоприятной опцией против микробного загрязнения, особенно в биомедицинской сфере. Также известные как полимерные биоциды, антимикробные полимеры могут подавлять рост болезнетворных микроорганизмов.

Общие принципы антимикробных поверхностей [1].

Материалы, проявляющие антимикробную активность без каких-либо уточнений и имеющие внутренние самоочищающие свойства, называются внутренними антимикробными материалами. Натуральные полимеры, полимеры с гуанидиновыми группами, полимеры, содержащие четвертичные азотистые атомы, полимеры, содержащие галогены, и полимеры, имитирующие натуральные пептиды — лишь некоторые из многих полимерных материалов с внутренней антимикробной активностью.

Некоторые натуральные полимеры включают хитозан, гепарин и е-полилизин. Хитозан-основанные материалы видятся с многообещающим потенциалом благодаря их биодеградабельности, нетоксичности, биосовместимости и антимикробной активности.

Полимерная антимикробная пищевая упаковка набирает обороты, пока компании переключаются на антибактериальную упаковку для более безопасного продукта и увеличения срока хранения.

Придание антимикробной активности полимерам также возможно через химические модификации. Некоторые модификации включают ковалентное включение антимикробных агентов низкой молекулярной массы, сопряжение антимикробных пептидов и прививку натуральных полимеров в синтетические полимеры.

Полимерная антимикробная пищевая упаковка набирает обороты, пока компании переключаются на антибактериальную упаковку для более безопасного продукта и увеличения срока хранения.

Другие применения антимикробных полимеров можно найти в санации плесени, порошковых покрытиях и строительной отрасли.

2. Антибактериальные пластики

а) Антимикробные пластики

Антимикробный пластик — это синтетический полимерный материал, содержащий антимикробные добавки, делающие его эффективным против микробного роста. Он проявляет антибактериальные свойства, разрушая клетка-клетку общение через формирование антиадгезивных поверхностей, тем самым убивая бактерии.

Антимикробные пластики в коммерческих водяных фильтрах.

Антимикробные пластики в коммерческом использовании, такие как высокие стульчики, водяные фильтры и контейнеры для хранения пищи, более долговечны, чем пластики без антимикробных активных ингредиентов. Добавки, смешанные в термопластики и термореактивные полимеры, работают на минимизацию присутствия микроорганизмов, вызывающих более быструю деградацию пластика, тем самым продлевая функциональный срок службы пластика. Некоторые совместимые пластиковые материалы включают полипропилен (PP), поликарбонат (PC), полистирол (PS) и полиэтилен (PE/LDPE).

b) Антимикробные биопластики

Альбумин, соя и сывороточный белок служат благоприятными сырьевыми материалами для производства биопластиков. Альбумин-основанные пластики препятствуют росту E. coli и Bacillus subtilis на своей поверхности, в то время как иммуноглобулины и гликомакропептиды, найденные в сывороточном белке, связывают токсин и предотвращают микробную инфекцию.

CuanTec, шотландская голубая биотехнологическая компания, представила антимикробную, домашне компостируемую замену пластиковой пищевой упаковки на основе хитина, второго по распространенности натурального биополимера в мире. Компания извлекает этот хитин из отходов пищевых переработчиков моллюсков (ракушки, головы, когти, хвосты — части, которые люди не едят) и превращает его в хитозан.

Также существуют тестовые методы для определения, могут ли альбумин или сывороточные пластики использоваться в системах здравоохранения, таких как в упаковке медицинских продуктов и тестировании инфекций для медицинских применений.

3. Антимикробная керамика

Антимикробная керамика — это неметаллический твердый материал, включенный с добавкой в своей глазури, делающей его устойчивым к бактериальному росту. В исследовании, проведенном Дреличем и др., показано, что медный керамический материал может служить многообещающим антибактериальным продуктом для дезинфекции воды.

(а) схема трех этапов производства антимикробных керамических камней; (б) керамические камни; (в) рентгеновская дифракционная картина глины, использованной в формулировке камней; (г) сканирующее электронное микрофото керамического камня, показывающее пористость [2].

Медь и медные соединения заявляют об уничтожении множества микроорганизмов, включая бактерии (грам-позитивные и негативные), грибы, вирусы (с оболочкой и без), дрожжи и споры.

Он способен убить 99,9% вредных бактерий в течение двух часов и продолжать убивать более 99% бактерий независимо от повторного воздействия на медную поверхность, согласно Ассоциации развития меди (CDA). Популяции как Klebsiella pneumoniae, так и Staphylococcus aureus в загрязненной воде, когда подвергались воздействию пористого антимикробного керамического камня с медью, были сокращены на >99,9% за 3 часа.

Применения антибактериальной керамики можно найти в раковинах, ваннах, унитазах, душах и кухонных приборах.

4. Антимикробные наноматериалы

а) Органические и неорганические наночастицы

Органические наночастицы могут устранять микробы за счет выделения антимикробных агентов или контактного убийства катионными поверхностями. В эксперименте, проведенном Джонсом и др., поли-эпсилон-капролактон (PCL) смешивали с поли(N-винилпирролидона)-йодом, придавая антибактериальные свойства биоматериалам в результате, без какого-либо изменения механических или реологических свойств. Деградация PCL также способствовала антиадгезии Escherichia coli.

Схематическое представление разных типов наночастиц (NP), разделенных на органические, гибридные и неорганические категории [3].

Неорганические наночастицы более стабильны при более высоких температурах, чем их органические аналоги, позволяя им выдерживать суровые условия обработки. В результате неорганические наночастицы часто используются как антимикробные материалы.

b) Наночастицы оксидов металлов

Наночастицы оксидов металлов вызывают повреждение клеточной мембраны электростатическим взаимодействием. Утечка протонов индуцирует генерацию реактивных форм кислорода, повреждающих органические биомолекулы, такие как липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и белки, тем самым вызывая микробную смерть.

Оксид алюминия проявил ингибирование роста Escherichia coli. Триоксид сурмы также токсичен для Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis. Другие наночастицы оксидов металлов такие как оксид кобальта, оксид железа, оксид магния, оксид цинка, диоксид титана и серебряные наночастицы также показали многообещающие результаты антимикробной активности.

Одним из самых жизненно важных применений металлических наночастиц, особенно серебряных наночастиц, в медицине является использование этих наночастиц как антимикробных агентов. Смертельная активность наночастиц против широкого спектра грам-позитивных бактерий, грам-негативных бактерий и грибов была подтверждена.

Серебряные наночастицы имеют превосходные антибактериальные свойства по сравнению с другими металлами. Сильная связь серебряных ионов с тиолатными группами белков и клеточных ферментов делает их идеальной добавкой в медицинские ткани такие как медицинские маски, шторки, бинты, раневые накладки, простыни и другие текстильные изделия, связанные со здравоохранением. В 2015 году использование серебра в антимикробных порошковых покрытиях составляло 50% от общего дохода отрасли. Также ожидается, что оно сгенерирует $2 млрд к 2024 году.

Что дальше?

Это лишь вопрос времени, пока антибактериальные материалы, особенно на рынке покрытий поверхностей, наберут больше тяги как первичное сырье, если правительства внедрят более строгие нормы в принуждении мер самоочищения.

Кроме того, его применение во многих отраслях как строительство, пищевая упаковка, текстиль, санация плесени, мебель, кухонная утварь и автомобильная будет еще больше укреплять его позиции на глобальном рынке.