PL221845B1

PL221845B1 - Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych

Info

Publication number: PL221845B1
Application number: PL401751A
Authority: PL
Inventors: Dawid Stawski; Stefan Połowiński; Dorota Wojciechowska
Original assignee: Politechnika Łódzka
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2016-06-30
Also published as: PL401751A1

Abstract

Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach przeciwbakteryjnych polega na tym, że na powierzchnię włókniny z mikrowłókien, po jej wysuszeniu, nanosi się wodny roztwór poli[2-(N,N-dimetyloamino) metakrylanu etylu] metodą napawania, depozycji lub natryskiwania, po czym suszy się materiał i ewentualnie nanosi się kolejne warstwy o działaniu przeciwbakteryjnym oraz suszy materiał po naniesieniu każdej warstwy, przy czym kolejne warstwy nanosi się tak, aby warstwa z poli[2-(N,N-dimetyloamino) metakrylanu etylu] stanowiła warstwę wierzchnią. Jako kolejne warstwy przeciwbakteryjne nanosi się na przemian warstwę srebra oraz warstwę poli[2-(N,N-dimetyloamino) metakrylanu etylu].

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych.

Produkty o działaniu antybakteryjnym, jak również bakteriostatycznym znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia, przede wszystkim w praktyce szpitalnej jako materiały opatrunkowe lub materiały o innym przeznaczeniu, ale coraz częściej produkowane są także antybakteryjne ubrania, bielizna, tekstylne przedmioty użytku codziennego. Do wytwarzania produktów o działaniu antybakteryjnym stosuje się różnego rodzaju środki antybakteryjne, zróżnicowane pod względem efektywności, mechanizmu działania, trwałości użytkowania, sposobu aplikacji na produkt oraz oddziaływania - bakteriobójczego lub też bakteriostatycznego. Jako środki bakteriobójcze rozumiane są te, które zabijają bakterie i mikroorganizmy; są wśród nich środki wyjaławiające, dezynfekujące, antyseptyczne oraz leki bakteriobójcze - antybiotyki i chemioterapeutyki. Substancje bakteriostatyczne, w przeciwieństwie do bakteriobójczych, jedynie hamują rozwój i rozmnażanie się bakterii oraz mikroorganizmów. Ze względu na wpływ środka antybakteryjnego lub bakteriostatycznego na żywy organizm, obok doboru odpowiedniego środka, istotny jest także dobór sposobu jego przyłączenia do wyrobu. W przypadku gdy czynnik antybakteryjny wprowadzony do materiału nie tworzy trwałych wiązań, a jedynie podlega stopniowemu uwalnianiu z matrycy, dochodzić może do uodpornienia mikroorganizmów na jego działanie wskutek nieprzekraczania poziomu MIC - minimalnego stężenia hamującego. Natomiast czynnik antybakteryjny trwale połączony z materiałem wiązaniami chemicznymi będzie chronił taki materiał przed mikroorganizmami. Zbyt duże stężenie środka antybakteryjnego albo użycie niewłaściwego środka, zwłaszcza niebezpiecznego, może spowodować zbytnie wyjałowienie organizmu i przyczynić się do działania odwrotnego niż zamierzone. Szczególną ostrożność należy zachować przy stosowaniu środków antybakteryjnych nowych, nie do końca poznanych. Jak chodzi natomiast o wpływ wielkości cząstek środka antybakteryjnego na żywy organizm, to środki antybakteryjne w postaci nanometrycznej uważane są za zdolne do przenikania bariery krew-mózg, depozycji w mózgu oraz innych tkankach, zależnie od dawki i sposobu podania.

Stąd też coraz większe zainteresowanie budzą polimerowe związki syntetyczne o działaniu antybakteryjnym.

Znany jest sposób wytwarzania wyrobów włókienniczych o właściwościach antybakteryjnych i antygrzybiczych, polegający na przygotowaniu stopu tworzywa, z którego ma być formowane włókno, wprowadzeniu środka mikrobójczego do tego stopu i następnie formowaniu włókien z tego stopu. Jako środki mikrobójcze stosuje się zwykle nanometryczne cząstki srebra lub tlenku cynku. Większość mikromikrobójczych związków organicznych ulega rozkładowi w wysokiej temperaturze formowania włókien.

Znane jest także wprowadzanie środka bakteriobójczego do gotowych wyrobów włókienniczych.

I tak znane jest osadzanie środków mikrobójczych, w postaci srebra lub czwartorzędowanych polimerów aminowych, na powierzchni włókien i następnie utrwalanie wiązania tych środków z włóknem za pomocą środków wiążących.

Z opisu patentowego PL 174680 jest znane nadawanie właściwości antybakteryjnych włóknom poliamidowym, poliestrowym, poliakrylonitrylowym w drodze napawania włókien kąpielą zawierającą biocyd szeregu nitrofuranowego.

Z opisu patentowego PL 179483 jest znane nadawanie włóknom syntetycznym właściwości antybakteryjnych, polegające na wytworzeniu na włóknach centrów aktywnych w postaci nadtlenków i wodoronadtlenków, następnie wprowadzaniu na włókna grup kwasowych w drodze szczepienia na nich monomeru winylowego i w końcu napawaniu włókien roztworem antybiotyku.

W opisie patentowym PL 211651 nadaje się wyrobom włókienniczym, jak nici, włókniny lub tkaniny, właściwości antybakteryjne i antygrzybicze w drodze naniesienia na ich powierzchnię, w procesie ich barwienia, lapacholu lub mieszaniny lapacholu z lawsonem.

Z czasopisma Biomacromolecules 2010, 11, 443-453 wiadomo, iż poli[2-(N,N-dimetyloamino)metakrylan etylu] (PDAMA) wykazuje działanie antybakteryjne w odniesieniu do Gram-dodatnich i Gram-ujemnych bakterii.

Znane są zastosowania specjalne PDAMA, w tym medyczne i sensoryczne.

Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych, z włókniny w drodze nanoszenia na jej powierzchnię środka antybakteryjnego, według wynalazku charakteryzuje ₂ się tym, że na powierzchnię włókniny z mikrowłókien, o masie powierzchniowej 20-80 g/m², korzystnie ₂ g/m², po jej wysuszeniu, nanosi się 0,2-1,5%, korzystnie 0,5% wodny roztwór poli[2-(N,NPL 221 845 B1

-dimetyloamino) metakrylanu etylu] (PDAMA) metodą napawania, depozycji (osadzania) lub natryskiwania w czasie co najmniej 15 minut, po czym suszy się materiał w temperaturze 20-50°C, korzystnie 20-30°C i ewentualnie nanosi się kolejne warstwy o działaniu antybakteryjnym oraz suszy materiał po naniesieniu każdej warstwy w temperaturze podanej wyżej, przy czym kolejne warstwy nanosi się tak, aby warstwa PDAMA, z uwagi na najskuteczniejsze działanie antybakteryjne, stanowiła warstwę wierzchnią. Jako materiał bazowy stosuje się włókninę otrzymaną metodą melt-blown, spun-bonded, klasyczną techniką włókninową, elektroprzędzenia z roztworu i ze stopu, metodą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro z polimerów biodegradowalnych, takich jak poli-L kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) kwasu mlekowego, mieszanka polimeru złożonego z (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), kopolimer poli(L-DL) kwasu mlekowego z poli(kwasem glikolowym) oraz kopolimery lub mieszanki poli(kwasu mlekowego) z biodegradowalnymi polimerami, jak polikaprolakton (PCL), poliglikolid (PGA), polihydroksyalkanolany (PHA), zwłaszcza polihydroksymaślan (PHB), a także z polimerów biostabilnych, korzystnie z polipropylenu (PP). Jako kolejne warstwy antybakteryjne nanosi się na przemian warstwę srebra przez zanurzenie w 10% roztworze tlenku srebra w roztworze wodnym poli(kwasu akrylowego) na czas co najmniej 15 minut, w którym następnie przeprowadza się redukcję srebra kwasem galusowym w temperaturze 50°C w czasie 15 minut lub przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut, oraz warstwę PDAMA postępując jak opisano wyżej.

Sposobem według wynalazku otrzymuje się materiał kompozytowy zawierający warstwę materiału włóknistego z naniesioną polimerową warstwą antybakteryjną oraz ewentualnie kolejnymi warstwami o działaniu antybakteryjnym. Włókniny modyfikowane powierzchniowo przy zastosowaniu PDAMA jako czynnika antybakteryjnego wykazują, w porównaniu z wyrobami modyfikowanymi dotychczasowymi metodami, lepszą skuteczność antybakteryjną, a nadto modyfikacja sposobem według wynalazku jest mniej skomplikowana z aplikacyjnego punktu widzenia.

Materiał kompozytowy otrzymany w wyniku stosowania sposobu według wynalazku znajduje zastosowanie zwłaszcza do celów filtracyjnych, ale także medycznych.

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek przedstawiający zdjęcia SEM włókniny bez naniesionych warstw antybakteryjnych i włókniny z naniesionymi warstwami antybakteryjnymi.

P r z y k ł a d I

Polimer poli[2-(N,N-dimetyloamino) metakrylan etylu] (PDAMA) otrzymano w wyniku polimeryzacji metakrylanu dimetyloaminoetylu z zastosowaniem 2,2'-azobisizobutylonitrylu (AIBN) jako inicjatora. Otrzymano PDAMA o wagowo średniej masie cząsteczkowej Mw= 63 000 g/mol.

Materiał włóknisty wytworzony z mikrowłókien polipropylenowych (PP) o średnicy 9,65 μm, o masie powierzchniowej 27,9 g/m², otrzymano przy zastosowaniu techniki melt-blown.

Przygotowano 0,5% roztwór wodny PDAMA. Następnie materiał włóknisty zanurzono na czas 15 minut w roztworze PDAMA, po czym otrzymaną próbkę wysuszono.

P r z y k ł a d II

Polimer, próbkę włóknistą oraz roztwór PDAMA przygotowano postępując jak w przykładzie I.

W celu naniesienia kolejnych warstw antybakteryjnych przygotowano 10% roztwór soli srebra w poli(kwasie akrylowym) (PAA-Ag) poprzez rozpuszczenie tlenku srebra(I) (Ag2O) w roztworze poli(kwasu akrylowego). Następnie materiał włóknisty, na który naniesiono uprzednio warstwę z PDAMA postępując jak w przykładzie I, po wysuszeniu, zanurzono na czas 15 minut w roztworze PAA-Ag, w którym następnie zredukowano srebro poprzez obróbkę kwasem galusowym w temperaturze 50°C w czasie 15 minut. Otrzymaną próbkę wysuszono.

Przygotowano także próbkę zawierającą dwie warstwy PDAMA i jedną warstwę srebra, w której warstwy PDAMA stanowiły warstwę wierzchnią i spodnią - warstwę srebra nanoszono przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut (srebro wiązało się w tym przypadku z warstwą PDAMA w wyniku oddziaływań elektrostatycznych). Nadto przygotowano próbkę zawierającą dwie warstwy PDAMA i dwie warstwy srebra, w której kolejność warstw od powierzchni w głąb próbki była następująca: warstwa PDAMA, warstwa srebra, warstwa PDAMA, warstwa srebra - warstwy srebra nanoszono w tym przypadku także z zolu srebra.

P r z y k ł a d III

Polimer, oraz roztwór PDAMA przygotowano postępując jak w przykładzie I. Materiał włóknisty ₂ z mikrowłókien z PLA o średnicy około 24-25 μm, o masie powierzchniowej 90-100 g/m , otrzymano techniką igłowania czyli klasyczną metodą otrzymywania włóknin. Naniesienie warstwy z PDAMA przeprowadzono analogicznie jak w przykładzie I.

PL 221 845 B1

Następnie określono ładunek elektryczny, zbadano budowę chemiczną, strukturę makroskopową oraz właściwości antybakteryjne kompozytów otrzymanych w przykładach I-III.

W celu określenia ładunku elektrycznego oraz potencjału przepływu kompozytów otrzymanych w przykładach I-II zastosowano analizator ładunku cząstek - aparat Miitek PCD 03. Kompozyty przygotowano w formie suspensji, po czym miareczkowano aż do neutralizacji. Ilość ładunku w odniesieniu do masy 1 g wyznaczono z zależności:

w której a - oznacza ilość roztworu zużytego do miareczkowania w celu osiągnięcia punktu neutral₃ nego, cm³, m - oznacza masę kompozytu, g.

W celu przeprowadzenia analizy chemicznej oraz morfologicznej powierzchni kompozytów otrzymanych w przykładach I-II posłużono się skaningowym mikroskopem elektronowym Nova NanoSEM, a także zastosowano detektor EDS. Widma EDS kompozytów otrzymanych w przykładach I-II oraz włókniny PP bez warstw antybakteryjnych przedstawiono poniżej.

PL 221 845 B1

Wyniki analizy poniższych widm, które są widmami elementarnej analizy jakościowej węgla, tlenu i srebra kompozytów otrzymanych w przykładach I-II i włókniny PP są następujące. W widmie włókniny PP widoczne są tylko charakterystyczne linie węgla Ka, co jest typowe dla makrocząsteczki poliolefinowej. W widmie kompozytu z jedną warstwą PDAMA obserwuje się linie O Ka, przy czym analiza ilościowa informuje o 6% zawartości tlenu na powierzchni badanego kompozytu. Widmo kompozytu zawierającego warstwę PDAMA i warstwę srebra zawiera dodatkowo linie La, Lp, Ly oraz silniejszy pik linii O Ka, charakterystyczny dla PDAMA; analiza ilościowa wykazuje obecność 4% srebra. Z widma kompozytu zawierającego warstwy PDAMA, srebro, PDAMA i srebro wynika, iż zawiera 17% tlenu i 9% srebra. Zauważono, że warstwy PDAMA osadzone na poprzedzającej ją warstwie srebra wyraźnie dają się zaobserwować metodą EDS poprzez spadek zawartości srebra z 4% do 3%, oraz znaczący wzrost tlenu z 7% do 14%.

W celu zbadania budowy chemicznej kompozytu zawierającego jedną warstwę PDAMA i dla porównania włókniny bez warstw antybakteryjnych wykonano widma FTIR ATR na aparacie Perkin Elmer System 2000 z zastosowaniem przystawki wielokrotnego odbicia. Widma te przedstawiono poniżej. Poszczególne widma stanowiły średnią z 10 skanów kompozytu. W widmie kompozytu pojawił się sygnał 1729 cm^-1, pochodzący od grupy karbonylowej z makrocząsteczki PDAMA, który nie jest widoczny w przypadku widma samej włókniny.

Właściwości antybakteryjne kompozytów otrzymanych w przykładach I-II zbadano w oparciu o standardy ASTM E2149-10: Standard Test Method for Determining the Antimicrobial Activity of Immobilized Antimicrobial Agents Under Dynamic Contact Conditions. Użyto bakterie Staphylococcus aureus (ATCC No. 6538). Kompozyty otrzymane w przykładach I-II, w tym jeden z kompozytów po praniu, oraz włókninę PP bez warstw antybakteryjnych dodano do 50 ml inokulum bakterii i wytrząsano przez 1 godzinę w kolbach Erlenmeyera. Po wstrząsaniu inokulum natychmiast rozcieńczono, umieszczono na płytkach Petriego i hodowano w temperaturze 35°C przez 24 godziny w celu określe-1 nia liczby jednostek tworzących kolonie / ml (CFU mL^-1). Bakteryjne stężenie roztworu w czasie 0 oznaczono wykonując seryjne rozcieńczenia i stosując standardową liczbę bakterii tylko z inokulum.

Wyniki testu antybakteryjnego przedstawiono jako procentowe zmniejszenie (R%):

B-A

R = ---100,%

B

A - CFU mL^-1 dla kolby zawierającej kompozyty po określonym czasie kontaktu,

B - CFU mL^-1 inokulum dla kolby po określonym czasie kontaktu.

Wyniki badań właściwości antybakteryjnych przedstawiono w poniższej tablicy I.

PL 221 845 B1

T a b l i c a I

Nr próbki	Skład	Antybakteryjność
Początkowe CFU/ml	Końcowe CFU/ml	Redukcja bakterii, %
1	PP	508 000	406 000	20
2	PP-PDAMA	440 000	0	100
3	PP-PDAMA-Ag	634 000	520 000	18
4	PP-PDAMA-Ag prana	638 000	508 000	20
5	PP-PDAMA-Ag-PDAMA	454 000	0	100
6	PP-PDAMA-Ag-PDAMA-Ag	558 000	342 000	39

W celu wyznaczenia potencjału przepływu, rodzaju ładunku elektrycznego i ilości ładunku kompozyty otrzymane w przykładach I-II oraz włókninę PP bez warstw antybakteryjnych ponumerowano jak w poniższej tablicy II:

T a b l i c a II

Nr próbki	Ilość warstw
1	2	3	4
1	-	-	-	-
2	PDAMA	-	-	-
3	PDAMA	Ag	-	-
4	PDAMA	Ag + pranie	-	-
5	PDAMA	Ag	PDAMA	-
6	PDAMA	Ag	PDAMA	Ag

Wyniki pomiarów potencjału przepływu, rodzaj ładunku elektrycznego i ilości ładunku przedstawiono w tablicy III.

T a b l i c a III

Nr próbki	Właściwości elektrokinetyczne
Rodzaj ładunku	Potencjał strumieniowy (mV)	Ilość ładunku (eq/g) x 10⁶
1	-	-513	4
2	+	+534	20
3 i 4	-	-1693	48
5	+	+638	44
6	-	-221	4

Z analizy właściwości elektrokinetycznych włókniny PP i kompozytów otrzymanych w przykładach I-II wynika, iż włóknina PP (1) charakteryzuje się ujemnym ładunkiem o niewielkiej wartości. Po osadzeniu warstwy PDAMA (2) postać powierzchni zostaje zmodyfikowana pod względem wartości i znaku ładunku. Kompozyt z naniesioną dodatkowo warstwą srebra (3 i 4) odznacza się ujemnym ładunkiem i dużą liczbą konkretnego ładunku. Natomiast w kompozycie zawierającym dwie warstwy PDAMA i dwie warstwy srebra (6) dochodzi do zmniejszenia liczby ładunków, co może być związane z nieprawidłowym pokryciem powierzchni badanego kompozytu. Ważne informacje na temat nieprawidłowości w pokryciu powierzchni widoczne są na zdjęciach SEM przedstawionych na rysunku, na którym a) oznacza zdjęcie włókniny PP bez warstw antybakteryjnych, b) zdjęcie kompozytu z jedną warstwą PDAMA, c) zdjęcie kompozytu z warstwą PDAMA i warstwą srebra, d) zdjęcie kompozytu

PL 221 845 B1 z 3 warstwami: PDAMA, srebro i PDAMA, e) zdjęcie kompozytu z 4 warstwami: PDAMA, srebro, PDAMA, srebro.

Wyniki uzyskane dla kompozytów zawierających w swojej zewnętrznej warstwie srebro (próbki 3 i 4 w tablicy II) są zaskakujące, podobne do wyników dla samej włókniny (próbka 1 w tablicy II). Przyczyną takiego stanu rzeczy jest najprawdopodobniej stosowanie różnych metod osadzania srebra. Sposób redukcji poliakrylanu srebra nie był wydajny lub też srebro nie odkładało się w odpowiedniej formie. Kompozyty, których warstwę zewnętrzną stanowił PDAMA (próbki 2 i 5 w tablicy II) wykazują doskonałe działanie przeciwbakteryjne wobec Staphylococcus aureus. Wyniki otrzymane dla kompozytów z warstwą PDAMA wyraźnie potwierdzają silne działanie antybakteryjne polimeru. Dla kompozytu (próbka 6 w tablicy II), procent spadku zawartości bakterii jest większy niż w innych próbkach zawierających w swojej zewnętrznej warstwie srebro. Spowodowane jest prawdopodobnie obecnością PDAMA w poprzednich (głębszych) warstwach badanego kompozytu.

Wyniki badań właściwości antybakteryjnych w ujęciu dynamicznym dla kompozytów zawierających różne ilości PDAMA i dla włókniny igłowanej bez PDAMA podano w tablicy IV. Właściwości antybakteryjne określono dla bakterii gram(+) Bacillus subtilis. Badania przeprowadzono na bazie PN-EN ISO 20743. Badane kompozyty wykazały własności bakteriostatyczne w stosunku do próby kontrolnej.

T a b l i c a IV

Nr próbki	Rodzaj próbki	Masa powierzchniowa próbki (g/m²)	Zawartość środka modyfikującego - PDAMA (%)	Bacillus subtilis
Gęstość optyczna zawiesiny bakteryjnej (zmętnienie) przy λ=660 nm	Stężenie bakterii w 1 ml pożywki
1	Kontrola	-	-	0,843	2,6 x 10⁹
2	Zerowa niemodyfikowana	82	0	0,498	3,1 x 10⁸
3	Włóknina z włókien modyfikowanych, przerobionych w postać włókniny igłowej	80	1,54	0,261	2,7 x 10⁶
4	Włóknina igłowa modyfikowana	39	2,71	0,321	5,4 x 10⁷
5	Włóknina igłowa modyfikowana	39	3,85	0,241	2,4 x 10⁶
6	Włóknina igłowa modyfikowana	82	2,68	0,228	1,6 x 10⁶
7	Włóknina igłowa modyfikowana	82	4,10	0,236	1,4 x 10⁶

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych, z włókniny w drodze nanoszenia na jej powierzchnię środka antybakteryjnego, znamienny tym, że na po22 wierzchnię włókniny z mikrowłókien, o masie powierzchniowej 20-80 g/m , korzystnie 28 g/m , po jej wysuszeniu, nanosi się 0,2-1,5%, korzystnie 0,5% wodny roztwór poli[2-(N,N-dimetyloamino)metakrylanu etylu] metodą napawania, depozycji lub natryskiwania w czasie co najmniej 15 minut, po czym suszy się materiał w temperaturze 20-50°C, korzystnie 20-30°C i ewentualnie nanosi się kolejne warstwy o działaniu antybakteryjnym oraz suszy materiał po naniesieniu każdej warstwy w temperaturze podanej wyżej, przy czym kolejne warstwy nanosi się tak, aby warstwa z poli[2-(N,N-dimetyloamino) metakrylanu etylu] stanowiła warstwę wierzchnią.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się włókninę otrzymaną metodą melt-blown, spun-bonded, klasyczną techniką włókninową, elektroprzędzenia z roztworu i ze stopu, meto8

PL 221 845 B1 dą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro, z polimerów biodegradowalnych, takich jak poli-L kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) kwasu mlekowego, mieszanka polimeru złożonego z (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), kopolimer poli(L-DL) kwasu mlekowego z poli(kwasem glikolowym) oraz kopolimery lub mieszanki poli(kwasu mlekowego) z biodegradowalnymi polimerami, jak polikaprolakton, poliglikolid, polihydroksyalkanolany, zwłaszcza polihydroksymaślan, a także z polimerów biostabilnych, korzystnie z polipropylenu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kolejne warstwy antybakteryjne nanosi się na przemian warstwę srebra przez zanurzenie w 10% roztworze tlenku srebra w roztworze wodnym poli(kwasu akrylowego) na czas co najmniej 15 minut, w którym następnie przeprowadza się redukcję srebra kwasem galusowym w temperaturze 50°C w czasie 15 minut, lub przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut, oraz warstwę poli[2-(N,N-dimetyloamino)metakrylanu etylu] postępując jak opisano w zastrzeżeniu 1.