Диссертация (Эластомерные материалы на основе бутадиен-стирольных термоэластопластов с повышенной устойчивостью к образованию бактериальных биопленок), страница 4

Сразу необходимо отметить, что реализация любого изтипов антимикробных поверхностей в подавляющем большинстве случаевсвязана с применением полимерных материалов, в том числе и при защитеповерхностей неполимерной природы. Кроме того, основное назначение любойантимикробной поверхности — препятствие адгезии микроорганизмов, приэтом чисто антиадгезионный механизм реализуется только в поверхностяхотталкивающеготипа,востальныхтипахпроисходиткосвенноепрепятствование прикреплению микроорганизмов, а значит, и образованиюбиопленок [20].1.2.1. Высвобождающие поверхностиПринцип действия высвобождающих поверхностей (от англ.

releasingsurfaces) заключается в вымывании антибактериального агента в рабочую средуиз поверхностного слоя материала. Спектр вымываемых (высвобождаемых)агентов очень широк — от антисептических препаратов широкого спектрадействия до различных антибиотиков и даже белковых антител [21-25].18Создание данного типа поверхности заключается, как правило, во введении вобъемполимерногоматериалатребуемогоантибактериальногоагента.Вариацией такого способа защиты является нанесение покрытия, содержащегоантибактериальныйповерхностиагент,чрезвычайнонаповерхностьширокоизделия.представленыВысвобождающиесегоднявобластимедицинских изделий различного назначения.

Антибактериальными агентамипри этом служат чаще всего антибиотики. Преимуществом таких поверхностейявляетсяотносительнаяпростотаполученияивысокаяначальнаяэффективность. К недостаткам относится быстрая потеря антибактериальныхсвойств.Схема высвобождающей поверхности показана на рисунке 1.2.Рисунок 1.2. Схема поверхности, высвобождающей биоцид (по [114]).В зараженной бактериями рабочей среде происходит вымываниеантибактериального агента из изделия с высвобождающей поверхностью. Этопроисходит за счет диффузии агента из поверхностного слоя полимера вводнуюсреду,поэтомуважнымтребованиемкагентуявляетсягидрофильность, или, еще лучше, растворимость в воде. Вымываемый агентвоздействует на бактериальные клетки лишь в том случае, если егоконцентрация в среде достаточна для этого.

За счет диффузии в средуконцентрацияагентауменьшаетсяприувеличениирасстояниядовысвобождающей поверхности. Поэтому вокруг изделия образуется такназываемая зона отчуждения, в которую не могут заходить живые клеткибактерий. Зона отчуждения окружена более широкой зоной задержки роста, в19которую клетки могут заходить без риска уничтожения, но неспособны в нейразмножаться. Схема зон вокруг высвобождающего материала показана нарисунке 1.3.Рисунок1.3.Зоныотчужденияизадержкироставокругвысвобождающего биоцид материала (по [20]).Со временем агент (биоцид) рассеивается в среде за счет диффузии исобственных движений рабочей водной среды.

Запасы агента пополняютсявымыванием, но скорость диффузии агента в полимере существенно ниже, чемв среде, из-за значительно большей вязкости полимерной среды по сравнению сводной [20]. Из-за этого размер зон задержки роста и отчуждения постоянноуменьшается со временем вплоть до поверхности изделия. Тогда бактерииполучают возможность прикрепиться к ней и образовать биопленку. Поэтомуизделия с высвобождающей поверхностью имеют четко определенный срокслужбы, составляющий от нескольких часов до нескольких суток.

Нахождениеизделия с высвобождающей поверхностью в постоянно обновляемой средеприводит к быстрому вымыванию запасов антибактериального агента иснижению стойкости к прикреплению бактерий.1.2.2. Контакт-активные поверхностиКонтакт-активными поверхностями (англ. contact-active surfaces) принятоназывать поверхности материалов, уничтожающие бактериальные или иныемикробные клетки при прямом контакте.

Это означает, что клетка, вплотнуюприблизившаяся к такой поверхности (то есть на расстояние порядка длины20придатков клетки, порядка нескольких микрометров), полностью прекратитжизнедеятельность. Достигается этот эффект следующим образом: поверхностьматериала имеет активные функциональные группы, которые отрицательновлияют на жизнедеятельность клетки. Но прививка функциональных групппутем модификации поверхности полимерного материала недостаточна длявлияния на клетки при контакте.

Необходимо, чтобы функциональные группымогли буквально попасть внутрь клетки через мембрану и уничтожить клетку,например, прервав жизненно важные биохимические циклы. Но, в отличие отнизкомолекулярных агентов, несущих такие функциональные группы, вконтакт-активныхповерхностяхпоследниесвязанысполимерноймакромолекулой, называемой спейсером (англ. spacer). Проще говоря, принципдействияконтакт-активнойповерхностизаключаетсявудержанииантибактериальных агентов «на привязи» спейсером. Уничтоженная клеткаразрушается, освобождая спейсер, готовый к внедрению в следующую клетку.Схема действия контакт-активной поверхности приведена на рисунке 1.4.Рисунок 1.4. Принцип действия контакт-активной поверхности посравнению с поверхностью с биоцидными группами (по [118]).21Существует множество видов как применяемых функциональных групп,так и спейсеров [27-30].

Как пример можно привести покрытия на основеполисилоксана, полиуретана, полимочевины, содержащих в цепи четвертичныеаммонийные группы [28, 31, 32], тиоцианатные группы [33]. Преимуществотаких поверхностей — теоретически долгий срок службы и независимость отусловий среды, так как антибактериальный агент привязан к поверхности и егоконцентрация не может изменяться с движением среды и т.п. Кроме того,«привязанный» агент никаким образом не может попасть в окружающую средудальше, чем ему позволяет макромолекула спейсера.

В случае медицинскогоприменения это означает возможность использования функциональных групп,обусловливающих токсичность при их наличии в низкомолекулярныхвеществах, но обладающих высокой бактерицидной активностью и неподверженных бактериальной резистентности [20, 32]. Недостатками являютсякак высокая сложность и стоимость материалов с такими поверхностями, так ивозможностьвыработкимикробамисвоеобразнойрезистентностикконтактному действию.Заключается это в следующем.

Подразумевается, что уничтоженная приконтакте клетка будет как-либо разрушена и/или смыта с поверхности, иактивные центры поверхности будут вновь готовы отразить «нападение». Наделе возможен вариант, когда остатки погибшей клетки адгезируют кповерхности, блокируя активные центры, то есть спейсер с рабочимифункциональными группами оказывается заперт неживыми остатками клеткибактерии. В этом случае рано или поздно вся поверхность будет закрытатакими остатками, и следующие клетки могут уже свободно прикрепиться ктакому своеобразному защитному слою.

Заранее предсказать ход событийневозможно, это зависит от множества факторов, начиная от видов бактерий врабочей среде и заканчивая химической природой поверхности и спейсеров[20, 27, 30].К особому виду контакт-активных поверхностей относятся электретныеповерхности, обладающие постоянным электрическим зарядом. Дело в том, что22приопределеннойжизнедеятельностьнапряженностиклетоквнешнегостановитсяэлектрическогоневозможнойиз-заполянарушенияэлектрохимических процессов внутри них [1, 3]. С другой стороны, слабыеэлектрические поля могут нарушать собственно процесс прикрепления клеток кповерхности [34, 35].

Принцип получения таких поверхностей основан наплазменной обработке полимерных материалов, например, плазмой коронногоили тлеющего разрядов в различных газах [36-41]. При соблюденииопределенныхусловийпритакойобработкеповерхностьполимераприобретает постоянный электрический заряд. Помещенный в зараженнуюсреду, электрет создает вокруг себя зоны отчуждения и задержки роста,аналогичные таковым при высвобождении антибактериального агента, размеркоторых определяется напряженностью поля у поверхности.

Недостаткомтакойантимикробнойповерхностиявляетсябыстраяпотерязарядаповерхностью электрета в проводящей водной среде. Тем не менее, такиеповерхности успешно функционируют в воздушных средах до несколькихмесяцев и поэтому рекомендуются некоторыми авторами в качествесовременной антибактериальной упаковки для пищевых продуктов [42].1.2.3. Отталкивающие поверхностиОтталкивающие поверхности (англ. repelling surfaces) являются, преждевсего, антиадгезионными по отношению к клеткам микроорганизмов.Существует много принципов построения отталкивающих поверхностей, новсех их можно разделить на два типа: поверхности, высвобождающиерепелленты, и собственно отталкивающие (антиадгезионные) поверхности.Поверхности, высвобождающие репелленты, по принципу действияпохожи на высвобождающие поверхности, но отличаются от них типомвымываемого вещества.

В данном случае из поверхностного слоя материалавымывается репеллент. В широком смысле репеллентом называется вещество,которое вызывает отрицательный хемотаксис клеток бактерий [1] — клеткидвигаются в направлении, обратном градиенту концентрации данного вещества23в среде. Это может быть как определенное вещество, так и, например, pHсреды, и хемотаксис играет важную роль в образовании биопленок бактериями[43]. Репеллент, как правило, не уничтожает клетки и не задерживает их рост,но препятствует их продвижению к поверхности и, следовательно, не дает имобразовать биопленку [44-46]. Специфический недостаток такого подхода —мутантныеклеткимогутсменитьотрицательныйхемотаксиснаположительный, и вместо отталкивания получается «притяжение» [47].В узком смысле репеллентом является вещество, способное блокироватьадезионно активные центры клеток бактерий (или других микроорганизмов).