Ανάπτυξη και μελέτη πολυμερικών επικαλύψεων με ελεγχόμενη αποδέσμευση βιοστατικών ουσιών

• Κύριος συγγραφέας: Ντρουβάρη, Ντενίσα
• Άλλοι συγγραφείς: Druvari, Denisa
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Αντιμικροβιακά πολυμερή; Τεταρτοταγές αμμώνιο; Διασυνδεδεμένες επικαλύψεις; Πολυ(ιοντικά υγρά); Αντιρρυπαντικές επιφάνειες,; Στατιστικά συμπολυμερή; Υδροφοβικότητα/υδροφιλικότητα; Antimicrobial polymers; Αntifouling surfaces; Random copolymers; Quaternary ammonium; Poly(ionic liquids); Hydrophobicity/hydrophilicity; Cross-linked coatings

Η ολοένα αυξανόμενη απειλή των μικροβιακών μολύνσεων που προκαλούνται από την εμφάνιση πολυανθεκτικών μικροβίων και μεταλλαγμένων στελεχών ιών έχει προκαλέσει έντονη ανησυχία σε διάφορους τομείς της καθημερινότητας, όπως στον τομέα υγείας, περιβάλλοντος και βιομηχανίας. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα έχει στραφεί προς την ανάπτυξη νέων στρατηγικών για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, μεταξύ των οποίων ιδιαίτερα ελπιδοφόρα παρουσιάζονται τα αντιμικροβιακά πολυμερή που είναι ικανά να ελαχιστοποιούν ή να εμποδίζουν την ανάπτυξη των παθογόνων μικροοργανισμών. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη αντιμικροβιακών πολυμερικών υλικών που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως απολυμαντικές /αντιρρυπαντικές επιφάνειες σε διάφορες εφαρμογές, όπως στην υδατοκαλλιέργεια, στα φίλτρα καθαρισμού αέρα και στους αισθητήρες υγρασίας. Αρχικά, σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν αντιμικροβιακές επικαλύψεις διπλής δράσης, βασισμένες στην ήδη υπάρχουσα γνώση της ομάδας σχετικά με τη σύνθεση στατιστικών συμπολυμερών που φέρουν ομοιοπολικά ή ηλεκτροστατικά δεσμευμένες υδρόφοβες κατιοντικές ομάδες αμμωνίου. Έτσι, συντέθηκαν τα στατιστικά συμπολυμερή πολυ(4-βινυλοβενζυλο χλωρίδιο-co-ακρυλικό οξύ), P(VBC-co-AAx), και πολυ(4-στυρενοσουλφονικό νάτριο-co-μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας), P(SSNa-co-GMAx), τα οποία τροποποιήθηκαν ομοιοπολικά και ηλεκτροστατικά, αντίστοιχα, με τεταρτοταγείς ομάδες αμμωνίου που φέρουν δύο διαφορετικά μήκη αλειφατικής αλυσίδας (16 και 12 ατόμων άνθρακα). Τα συμπληρωματικά συμπολυμερή αναμίχθηκαν σε διαφορετικές αναλογίες μεταξύ τους και σταθεροποιήθηκαν μέσω θερμικής διασύνδεσης με απώτερο σκοπό την βαθύτερη κατανόηση των δομικών παραγόντων που μπορεί να επηρεάσουν την αποδέσμευση των βιοκτόνων ουσιών καθώς και την συνολική αντιμικροβιακή δράση των πολυμερικών επικαλύψεων. Η συμπεριφορά των επικαλύψεων ως προς την αποδέσμευση των βιοστατικών ομάδων μελετήθηκε τόσο σε νερό όσο και σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Αποδείχθηκε ότι η μείωση του μήκους της αλκυλικής αλυσίδας αύξησε την υδατοδιαλυτότητα των τροποποιημένων συμπολυμερών και συνεπώς οδήγησε στην ταχύτερη απελευθέρωση των βιοστατικών ειδών, ενώ παράλληλα η δραστικότητα κατά των βακτηρίων (E. coli, P. aeruginosa, S. aureus) δεν φάνηκε να επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό. Σε επόμενο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν μελέτες σχετικά με την ανάπτυξη νέων πολυμερικών υλικών ως αντιρρυπαντικές επικαλύψεις σε δίχτυα υδατοκαλλιέργειας. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκαν διασυνδεδεμένα πολυμερικά συστήματα πολλαπλού τρόπου δράσης που βασίζονται σε τεταρτοταγείς ενώσεις αμμωνίου (ακινητοποιημένες ή απελευθερώσιμες) τα οποία παρασκευάστηκαν υπό ήπιες υδατικές συνθήκες, ως μια πιο φιλική προς το περιβάλλον μεθοδολογία επίστρωσης διχτυών σε μεγάλη κλίμακα. Αρχικά, συντέθηκαν τα υδατοδιαλυτά στατιστικά συμπολυμερή πολυ(χλωριούχο 4-βινυλοβενζυλο τριμεθυλαμμώνιο-co-ακρυλικό οξύ), P(VBCTMAM-co-AAx), και πολυ(διμεθυλακρυλαμίδιο-co-μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας), P(DMAm-co-GMAx) τα οποία διασυνδέθηκαν μεταξύ τους σε διάφορες αναλογίες και χρησιμοποιήθηκαν ως μονοστρωματικές επιστρώσεις σε δίχτυα. Στη συνέχεια, προς τη βελτιστοποίηση της διάρκειας δράσης των επικαλύψεων, εισήχθη η μέθοδος πολλαπλής επίστρωσης (L-b-L) με την οποία συνδυάστηκαν τα αντιμικροβιακά οργανοδιαλυτά συμπολυμερή P(SSAmC16-co-GMAx) (ως πρώτη στρώση) με τα υδατοδιαλυτά συμπολυμερή P(VBCΤΜAM-co-AAx) ή τα υδατοδιαλυτά πολυμερή PAA και πολυ(εξαμεθυλενογουανιδίνιο), PHMG, (ως δεύτερη στρώση). Η παραπάνω προσέγγιση καθώς και η θερμική επεξεργασία των πολυμερικών επικαλύψεων οδήγησε σε σταθερά υλικά με ελεγχόμενη αποδέσμευση των αντιμικροβιακών ειδών. Τα επικαλυμμένα δίχτυα μελετήθηκαν ως προς την αντιρρυπαντική τους ικανότητα σε εργαστηριακές επιταχυνόμενες συνθήκες βιορύπανσης, καθώς και σε πραγματικές συνθήκες πεδίου υδατοκαλλιέργειας και έδωσαν πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα σε σύγκριση με τα μη επικαλυμμένα δίχτυα, για ικανοποιητικό χρονικό διάστημα (έως 23 ημέρες). Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκε η προσπάθεια ανάπτυξης ενός εύχρηστου και φιλικού προς το περιβάλλον πρωτοκόλλου για την αντιμικροβιακή επεξεργασία φίλτρων σωματιδίων αέρα υψηλής απόδοσης (HEPA). Τα φίλτρα επικαλύφθηκαν μέσω ψεκασμού υδατικών διαλυμάτων με βάση τα υδατοδιαλυτά πολυμερή, πολυ(4-στυρενοσουλφονικό νάτριο-co-4-στυρενοσουλφονικό δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο-co-μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας), P(SSNa24-co-SSAmC1656-co-GMA20), και πολυ(μεθακρυλικός 2-διμεθυλαμινο αιθυλεστέρας), PDMAEMA. Σημαντικό κομμάτι της μελέτης αυτής αποτελεί η βελτιστοποίηση της πορείας σύνθεσης των πολυμερών σε υδατικές συνθήκες και η σταθεροποίησή τους μέσω αντίδρασης διασύνδεσης σε θερμοκρασία δωματίου. Οι επιστρώσεις που αναπτύχθηκαν παρουσίασαν ομοιομορφία ως προς την επιφανειακή τροποποίηση των φίλτρων καθώς και ισχυρή και ταχεία αντιβακτηριακή δράση έναντι του S. aureus (σε 5 λεπτά) και της E. coli (σε 15 λεπτά). Επιπλέον, η δοκιμή κυτταροτοξικότητας των πολυμερών υλικών έναντι των κυττάρων του αδενοκαρκινώματος του πνεύμονα Α549 έδειξε πολύ χαμηλή τοξικότητα, καθώς δεν επηρεάστηκε η ανάπτυξη ούτε η μορφολογία των κυττάρων. Τέλος, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια σειρά νέων πολυιοντικών υγρών (PILs) με βάση το κατιόν ιμιδαζολίου, που εμφανίζουν διπλή λειτουργικότητα: αντιμικροβιακή δράση και απόκριση στην υγρασία, τα οποία μπορούν να βρουν πιθανή χρήση σε αισθητήρες για διάφορες εφαρμογές. Έτσι, συντέθηκαν τα στατιστικά συμπολυμερή πολυ(χλωριούχο 4-βινυλοβενζυλο Ν-αλκυλιμιδαζόλιο-co-ακρυλικό οξύ), P(VBCImCn-co-AA20), που φέρουν αλειφατικές αλυσίδες διαφορετικού μήκους (όπου n=1, 4, 8, 12, 16 άτομα άνθρακα) με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της υδροφοβικότητας/υδροφιλικότητας στην ιδιότητα απόκρισης του συμπολυμερούς στη υγρασία και κυρίως στην αντιμικροβιακή δραστικότητά του. Στη συνέχεια, τα παραπάνω συμπολυμερή αναμίχθηκαν με το συμπληρωματικό συμπολυμερές P(SSAmC16-co-GMA20) και μέσω θερμικής διασύνδεσης παρασκευάστηκαν μεμβράνες και επικαλύψεις υψηλής σταθερότητας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η μεμβράνη P(VBCImC12-co-AA20)/P(SSAmC16-co-GMA20) αναλογίας 3:1 (mol AA:mol GMA), η οποία όταν τοποθετήθηκε σε νωπό διηθητικό χαρτί ή σε παλάμη χεριού εμφάνισε άμεση και έντονη απόκριση στην υγρασία. Η μελέτη κυτταρικής μείωσης % των βακτηριακών ειδών E. coli, P. aeruginosa και S. aureus σε συνάρτηση με το μήκος της αλκυλικής αλυσίδας του ιμιδαζολίου έδειξε ότι η δράση των PILs διαφοροποιείται ανάλογα με το μήκος της αλυσίδας καθώς και με το είδος μικροοργανισμού. Παρ’ όλα αυτά, η συνολική αποτελεσματικότητα των διασυνδεδεμένων μεμβρανών P(VBCImCn-co-AA20)/P(SSAmC16-co-GMA20) ήταν πολύ υψηλή έναντι όλων των μικροοργανισμών που μελετήθηκαν.