De snelle opmars van antibacteriële & antimicrobiële materialen: de toekomst van gezondheid & veiligheid vormgeven

Het opduiken van nieuwe infectieuze agenten is een significante zorg geworden - nu meer dan ooit aangezien de wereld geconfronteerd wordt met gezondheids- en economische gevolgen gebracht door een wereldwijde pandemie. De ontwikkeling en het gebruik van antimicrobiële materialen worden alleen verwacht te stijgen naarmate we meer strikte maatregelen nemen in het controleren van onze omgeving en het voorkomen van toekomstige uitbraken.

Gedreven door de stijgende bewustzijn rondom veiligheid en gezondheidsonderhoud, verwacht de wereldwijde antimicrobiële coatings industrie een scherpe toename van de vraag, zoals gerapporteerd door Global Market Insights.

De antibacteriële materialen en coatings markt werd gewaardeerd op meer dan $3 miljard in 2017. Het wordt verwacht een compound annual growth rate van ongeveer 12,5% over 2018-2024 te registreren, wat $7 miljard bereikt aan het einde van 2024.

Infectieuze agenten worden doorgaans verspreid via luchtgetragen druppels geproduceerd door niezen of hoesten. Deze lichaamsvochten kunnen op oppervlakken neerdalen, en persoon-tot-persoon transmissie is mogelijk als een individu deze respiratoire druppels aanraakt.

In een studie uitgevoerd door Neely en Maley, werden pathogenen zoals Methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) en vancomycine-resistente enterococcus gevonden om een dag te overleven op materialen gebruikt in ziekenhuizen.

Sommige microben leefden zelfs meer dan 90 dagen. Deze microorganismen zijn endemisch in intensive care eenheden (ICU) en geassocieerd met een verhoogde waarschijnlijkheid van ziekte en dood. Desinfectantia, zoals waterstofperoxide, zijn niet ideaal vanwege hun beperkte residuele effect en milieutoxiciteitskwesties.

Deze huidige structuur roept een behoefte op om materialen te verkennen die antimicrobiële activiteit kunnen bieden, waardoor de voorkoming van mogelijke uitbraken verminderd wordt.

Het ideale antibacteriële materiaal

Antibacteriële materialen bevatten antimicrobiële agenten die in staat zijn microben op hun oppervlak of in hun omgeving te inhibiteren of te doden. Ze kunnen antimicrobiële polymeren, antibacteriële kunststoffen, antimicrobiële nanomaterialen, of antimicrobiële keramieken zijn.

Een ideaal antimicrobiel materiaal vertoont de volgende kenmerken:

• veilig in gebruik;
• goedkoop en eenvoudig te synthetiseren;
• dekt een wijd bereik van antimicrobiële activiteit;
• hoogst stabiel voor uitgebreide periodes;
• water-onoplosbaar (als gebruikt in waterontsmetting);
• niet vatbaar voor afbraak;
• moet geen giftige producten vrijgeven.

Typen antimicrobiële materialen en coatings

1. Antimicrobiële polymeren

De veelzijdige macromoleculaire eigenschappen van een polymer maken het een gunstige optie tegen microbiële contaminatie, met name in het biomedische veld. Ook bekend als polymere biociden, kunnen antimicrobiële polymeren de groei van ziekteverwekkende microorganismen inhibiteren.

Algemene principes van antimicrobiële oppervlakken [1].

Materialen die antimicrobiële activiteit vertonen zonder enige verfijning en inherente zelf-saniterende eigenschappen hebben, worden intrinsieke antimicrobiële materialen genoemd. Natuurlijke polymeren, polymeren met guanidine groepen, polymeren bevattende quaternaire stikstofatomen, polymeren bevattende halogenen, en polymeren die natuurlijke peptiden nabootsen, zijn enkele van de vele polymere materialen met intrinsieke antimicrobiële activiteit.

Sommige natuurlijke polymeren omvatten chitosaan, heparine, en e-polylysine. Chitosaan-gebaseerde materialen worden gezien met veelbelovend potentieel vanwege hun biologisch afbreekbaarheid, non-toxiciteit, biocompatibiliteit, en antimicrobiële activiteit.

Het toekennen van antimicrobiële activiteit aan polymeren is ook mogelijk door chemische modificaties. Sommige modificaties omvatten covalente incorporatie van lagere moleculaire gewicht antimicrobiële, koppeling van antimicrobiële peptiden, en enten van natuurlijke polymeren in synthetische polymeren.

Polymeer antimicrobiële voedselverpakking maakt zijn rondje als bedrijven schakelen naar antibacteriële verpakking voor een veiliger product en verlengde houdbaarheid.

Overige toepassingen van antimicrobiële polymeren kunnen gevonden worden in schimmelremediëring, poedercoatings, en de bouwindustrie.

2. Antibacteriële kunststoffen

a) Antimicrobiële kunststoffen

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

Antimicrobiële kunststoffen in commercieel gebruik, zoals hoogstoelen, waterfilters, en voedselopslagbakken, zijn duurzamer dan kunststoffen zonder enige antimicrobiële actieve ingrediënten. De additieven gemengd in thermoplastische en thermohardende polymeren werken om de aanwezigheid van microorganismen die het plastic sneller laten afbreken, te minimaliseren, wat de functionele levensduur van een plastic verder verlengt. Sommige compatibele plastic materialen omvatten polypropyleen (PP), polycarbonaat (PC), polystyreen (PS) en polyethyleen (PE/LDPE).

b) Antimicrobiële bioplastics

Albumine, soja, en whey eiwit dienen als gunstige grondstoffen voor de productie van bioplastics. Albumine-gebaseerde kunststoffen hinderen de groei van E. coli en bacillus subtilis op hun oppervlak, terwijl immunoglobulinen en glycomacropeptiden gevonden in whey eiwit de toxine binden en microbiële infectie voorkomen.

Er zijn ook testmethodes beschikbaar om te bepalen of albumine of whey kunststoffen gebruikt kunnen worden in gezondheidssystemen, zoals in medische productverpakking en infectietesten voor medische toepassingen.

3. Antimicrobiële keramieken

Een antimicrobiele keramiek is een niet-metalvastmateriaal geïncorgeerd met een additief binnen zijn glazuur dat het weerstandig maakt tegen bacteriële groei. In een studie uitgevoerd door Drelich et al., werd getoond dat een koper-geïncorgeerde keramiek kan dienen als een veelbelovend antibacterieel product voor waterontsmetting.

(a) schematisch van de drie stappen in het fabriceren van antimicrobiële keramieke stenen; (b) keramieke stenen; (c) röntgendiffractiepatroon van de klei gebruikt in formulering van stenen; (d) scanning elektronenmicroscopie van keramieke steen die porositeit onthult [2].

Koper en koperverbindingen claimen een verscheidenheid aan microorganismen te doden, inclusief bacteriën (gram positief en negatief), schimmels, virussen (gehuld en niet-gehuld), gist, en sporen.

Het is in staat om 99,9% van schadelijke bacteriën binnen twee uur te doden en om meer dan 99% van bacteriën te doden ongeacht herhaalde blootstelling aan het koperoppervlak, volgens de Copper Development Association (CDA). Populaties van zowel Klebsiella pneumoniae en Staphylococcus aureus in gecontamineerd water, wanneer blootgesteld aan de poreuze koper-geïncorgeerde antimicrobiele keramieke steen, werden met >99,9% verminderd in 3 uur.

Antibacteriële keramische toepassingen kunnen gevonden worden in wastafels, badkuipen, toiletten, douches, en keukenapparaten.

4. Antimicrobiële nanomaterialen

a) Organische en anorganische nanopartikelen

Organische nanopartikelen kunnen microben elimineren door antimicrobiële agenten vrij te geven of contact-dodende cationische oppervlakken. In een experiment uitgevoerd door Jones et al., werd Poly-epsilon-caprolactone (PCL) gemengd met poly(N-Vinylpyrrolidone)-jodium, wat antibacteriële eigenschappen aan de biomaterialen toekende als resultaat, zonder enige verandering in mechanische of rheologische eigenschappen. PCL afbraak bevorderde ook anti-adhesie van Escherichia coli.

Schematische voorstelling van verschillende typen nanopartikelen (NPs) verdeeld in organische, hybride en anorganische categorieën [3].

Anorganische nanopartikelen zijn stabieler bij hogere temperaturen dan hun organische tegenhangers, wat hen in staat stelt harde verwerkingscondities te weerstaan. Als resultaat, worden anorganische nanopartikelen vaak gebruikt als antimicrobiële materialen.

b) Metaaloxide nanopartikelen

Metaaloxide nanopartikelen veroorzaken cel membraanschade door electrostatische interactie. Protonlekken induceert reactieve zuurstofsoort generatie wat organische biomoleculen zoals lipiden, koolhydraten, nucleïnezuren, en eiwitten schadigt, wat microbiële dood veroorzaakt.

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

Zilvernanopartikelen hebben uitstekende antibacteriële eigenschappen vergeleken met andere metalen. De sterke binding van zilverionen met thiolaatgroepen van eiwitten en cellulaire enzymen maakt ze een ideaal additief in gezondheidszorgstoffen zoals mondmaskers, gordijnen, verbanden, wondverbanden, lakens, en andere textiel gerelateerd aan gezondheidszorg. In 2015, was het gebruik van zilver in antimicrobiële poedercoatings verantwoordelijk voor 50% van de industrie's totale omzet. Het wordt ook verwacht $2 miljard te genereren tegen 2024.

Wat komt er?

Het is slechts een kwestie van tijd tot antibacteriële materialen, met name in de oppervlaktecoatings markt, meer tracitie krijgen als primair grondstof zouden regeringen strengere normen implementeren in het afdwingen van zelf-sanitatie maatregelen.

Bovendien, zal de toepassing in veel industrieën zoals bouw, voedselverpakking, textiel, schimmelremediëring, meubelen, keukengerei, en automotive de houder in de wereldwijde markt verder versterken.