De op handen zijnde opkomst van antibacteriële en antimicrobiële materialen

De opkomst van nieuwe infectieuze agentia is een grote zorg geworden – nu meer dan ooit, nu de wereld wordt geconfronteerd met gezondheids- en economische gevolgen van een wereldwijde pandemie. De ontwikkeling en het gebruik van antimicrobiële materialen zullen naar verwachting alleen maar toenemen naarmate we strengere maatregelen nemen om onze omgeving onder controle te houden en toekomstige uitbraken te voorkomen .

Gedreven door het toenemende bewustzijn met betrekking tot veiligheid en gezondheidsonderhoud, verwacht de wereldwijde antimicrobiële coatingsindustrie een sterke toename van de vraag , zoals gerapporteerd door Global Market Insights.

De markt voor antibacteriële materialen en coatings werd in 2017 gewaardeerd op meer dan $ 3 miljard. Er wordt verwacht een samengesteld jaarlijks groeipercentage van ongeveer 12,5% te registreren in 2018-2024 , tegen het einde van 2024 $ 7 miljard bereiken.

Besmettelijke agentia worden meestal verspreid via druppeltjes in de lucht geproduceerd door niezen of hoesten . Deze lichaamsvloeistoffen kunnen neerslaan op oppervlakken , en overdracht van persoon tot persoon is mogelijk als een persoon deze ademhalingsdruppels aanraakt.

In een onderzoek van Neely en Maley bleken ziekteverwekkers zoals Methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) en vancomycine-resistente enterococcus een dag te overleven op materialen die in ziekenhuizen worden gebruikt .

Sommige microben leefden zelfs meer dan 90 dagen . Deze micro-organismen zijn endemisch op intensive care-afdelingen (ICU) en worden geassocieerd met een verhoogde kans op ziekte en overlijden. Desinfectiemiddelen, zoals bij waterstofperoxide , zijn niet ideaal vanwege hun beperkte resteffect en problemen met de toxiciteit voor het milieu.

Deze huidige structuur vraagt ​​om een ​​noodzaak om materialen te onderzoeken die antimicrobiële activiteit kunnen bieden , waardoor het optreden van mogelijke uitbraken wordt verminderd.

Het ideale antibacteriële materiaal

Antibacteriële materialen bevatten antimicrobiële middelen die in staat zijn om microben te remmen of te doden op hun oppervlak of in hun omgeving. Dit kunnen antimicrobiële polymeren, antibacteriële kunststoffen, antimicrobiële nanomaterialen of antimicrobiële keramiek zijn .

Een ideaal antimicrobieel materiaal toont de volgende kenmerken:

• veilig in gebruik;
• goedkoop en gemakkelijk te synthetiseren;
• dekt een breed scala aan antimicrobiële activiteit;
• zeer stabiel voor langere perioden;
• onoplosbaar in water (indien gebruikt bij waterdesinfectie);
• niet vatbaar voor verval;
• mag geen giftige producten afgeven.

Soorten antimicrobiële materialen en coatings

1. Antimicrobiële polymeren

De veelzijdige macromoleculaire eigenschappen van een polymeer maak het een gunstige optie tegen microbiële besmetting, met name op biomedisch gebied . Antimicrobiële polymeren, ook bekend als polymere biociden, kunnen de groei van ziekteverwekkende micro-organismen remmen.

Algemene principes van antimicrobiële oppervlakken [1].

Materialen die antimicrobiële werking vertonen zonder enige verfijning en inherente zelfreinigende eigenschappen hebben worden intrinsieke antimicrobiële materialen genoemd . Natuurlijke polymeren, polymeren met guanidinegroepen, polymeren die quaternaire stikstofatomen bevatten, polymeren die halogenen bevatten en polymeren die natuurlijke peptiden nabootsen, zijn enkele van de vele polymere materialen met intrinsieke antimicrobiële activiteit.

Sommige natuurlijke polymeren omvatten chitosan, heparine en e-polylysine . Op chitosan gebaseerde materialen worden gezien met veelbelovend potentieel vanwege hun biologische afbreekbaarheid, niet-toxiciteit, biocompatibiliteit en antimicrobiële activiteit.

Het verlenen van antimicrobiële activiteit aan polymeren is ook mogelijk door chemische modificaties . Sommige modificaties omvatten covalente opname van antimicrobiële stoffen met een lager molecuulgewicht, koppeling van antimicrobiële peptiden en enten van natuurlijke polymeren in synthetische polymeren.

Polymeer antimicrobiële voedselverpakking maakt zijn ronde nu bedrijven overstappen op antibacteriële verpakkingen voor een veiliger product en een langere houdbaarheid .

Andere toepassingen van antimicrobiële polymeren zijn te vinden in schimmelsanering, poedercoatings en de bouwsector.

2. Antibacteriële kunststoffen

a) Antimicrobiële kunststoffen

Een antimicrobieel plastic is een synthetisch polymeermateriaal dat antimicrobiële additieven bevat, waardoor het effectief is tegen microbiële groei . Het vertoont antibacteriële eigenschappen door cel-tot-cel communicatie te verstoren door de vorming van anti-adhesieve oppervlakken, waardoor bacteriën worden gedood.

Antimicrobiële kunststoffen voor commercieel gebruik, zoals kinderstoelen, waterfilters en voedselopslagcontainers, zijn duurzamer dan kunststoffen zonder enige antimicrobiële actieve ingrediënten. De additieven gemengd in thermoplastische en thermohardende polymeren werken om de aanwezigheid van micro-organismen te minimaliseren die ervoor zorgen dat het plastic sneller afbreekt, waardoor de functionele levensduur van een plastic verder wordt verlengd . Sommige compatibele plastic materialen zijn onder meer polypropyleen (PP), polycarbonaat (PC), polystyreen (PS) en polyethyleen (PE/LDPE).

b) Antimicrobiële bioplastics

Albumine, soja en wei-eiwit dienen als gunstige grondstoffen voor de productie van bioplastics. Plastics op basis van albumine belemmeren de groei van E. coli en bacillus subtilis op hun oppervlak , terwijl immunoglobulinen en glycomacropeptiden in wei-eiwit het toxine binden en microbiële infectie voorkomen .

Er zijn ook testmethoden beschikbaar om te bepalen of albumine- of wei-plastics kunnen worden gebruikt in gezondheidszorgsystemen, zoals in verpakkingen van medische producten en infectietesten voor medische toepassingen .

3. Antimicrobiële keramiek

Een antimicrobieel keramiek is een niet-metalen vast materiaal dat is verwerkt met een additief in het glazuur dat het bestand maakt tegen bacteriegroei . In een studie uitgevoerd door Drelich et al. werd aangetoond dat een koper-geïnfundeerd keramiek zou kunnen dienen als een veelbelovend antibacterieel product voor waterdesinfectie.

(a) schema van de drie stappen bij het vervaardigen van antimicrobiële keramische stenen; (b) keramische stenen; (c) röntgendiffractiepatroon van de klei die wordt gebruikt bij het formuleren van stenen; (d) scanning-elektronenmicrofoto van keramische steen die porositeit onthult [2].

Van koper en koperverbindingen wordt beweerd dat ze een verscheidenheid aan micro-organismen doden, waaronder bacteriën (gram positief en negatief), schimmels, virussen (omhuld en niet-omhuld), gist en sporen .

Het is in staat om 99,9% van de schadelijke bacteriën binnen twee uur te doden en om volgens de Copper Development Association (CDA) meer dan 99% van de bacteriën te blijven doden, ongeacht herhaalde blootstelling aan het koperoppervlak. Populaties van zowel Klebsiella pneumoniae als Staphylococcus aureus in besmet water, bij blootstelling aan de poreuze, met koper doordrenkte antimicrobiële keramische steen, werden verminderd met>99,9% in 3 uur .

Antibacteriële keramische toepassingen zijn te vinden in wastafels, badkuipen, toiletten, douches en keukenapparatuur.

4. Antimicrobiële nanomaterialen

a) Organische en anorganische nanodeeltjes

Organische nanodeeltjes kan microben elimineren door antimicrobiële middelen vrij te geven of contact-dodende kationische oppervlakken . In een experiment uitgevoerd door Jones et al., werd Poly-epsilon-caprolacton (PCL) gemengd met poly(N-Vinylpyrrolidon)-jodium, waardoor de biomaterialen antibacteriële eigenschappen kregen, zonder enige verandering in mechanische of reologische eigenschappen . PCL-degradatie bevorderde ook de anti-adhesie van Escherichia coli .

Schematische weergave van verschillende soorten nanodeeltjes (NP's) onderverdeeld in organische, hybride en anorganische categorieën [3].

Anorganische nanodeeltjes zijn stabieler bij hogere temperaturen dan hun biologische tegenhangers , waardoor ze bestand zijn tegen zware verwerkingsomstandigheden. Als gevolg hiervan worden anorganische nanodeeltjes vaak gebruikt als antimicrobiële materialen.

b) Metaaloxide nanodeeltjes

Metaaloxide nanodeeltjes celmembraan beschadigen door elektrostatische interactie . Protonlekkage veroorzaakt de vorming van reactieve zuurstofsoorten die organische biomoleculen zoals lipiden, koolhydraten, nucleïnezuren en eiwitten beschadigen, waardoor microbiële dood wordt veroorzaakt.

Aluminiumoxide toonde groeiremming van Escherichia coli. Antimoontrioxide is ook giftig voor Staphylococcus aureus en Bacillus subtilis microben. Andere metaaloxide nanodeeltjes zoals kobaltoxide, ijzeroxide, magnesiumoxide, zinkoxide, titaniumdioxide , en zilveren nanodeeltjes toonde ook veelbelovende resultaten van antimicrobiële activiteit.

Zilveren nanodeeltjes hebben uitstekende antibacteriële eigenschappen in vergelijking met andere metalen . De sterke binding van zilverionen met thiolaatgroepen van eiwitten en cellulaire enzymen maakt ze een ideaal additief in weefsels voor de gezondheidszorg zoals gezichtsmaskers, privégordijnen, verband, wondverband, lakens en ander textiel gerelateerd aan de gezondheidszorg. In 2015 was het gebruik van zilver in antimicrobiële poedercoatings goed voor 50% van de totale omzet van de industrie . Het verwacht ook tegen 2024 $ 2 miljard te genereren.

Wat nu?

Het is slechts een kwestie van tijd voordat antibacteriële materialen, met name in de markt voor oppervlaktecoatings, meer grip krijgen als primaire grondstof als regeringen strengere normen invoeren bij het afdwingen van zelfreinigingsmaatregelen .

Bovendien is de toepassing ervan in vele industrieën zoals bouw, voedselverpakking, textiel, schimmelsanering, meubels, keukengerei en automobiel zal zijn positie op de wereldmarkt verder versterken.