sb34 1565KB Jan 24 2015 04:33:12 PM

Speciální hybridní vrstvy
připravené metodou sol-gel
a jejich biomedicínské aplikace
Petr Exnar, Irena Lovětinská-Šlamborová
Katedra chemie a Ústav zdravotnických
studií, Technická univerzita v Liberci
Výsledky byly získány za finančního přispění MŠMT v rámci účelové
podpory programu "Národní program udržitelnosti I" projektu LO1201
a projektu OP VaVpI Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie
a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005.
Obsah

Princip a použitelnost metody sol-gel

Hybridní anorganicko-organické nanovrstvy

Antimikrobiální aplikace

Další biomedicínské aplikace

Závěr
Princip a použitelnost
metody sol-gel
Metoda sol-gel
Výsledné formy
• Vrstvy
• Vlákna
• Monolitické vzorky
• Prášky
• Kompozity
Vrstvy SiO2 na polyamidu
Hybridní anorganicko-
organické nanovrstvy
Alkylalkoxysilany
dva typy vazeb mezi uhlíkem a křemíkem
vazby C – O – Si reagující s Si-OH
skupinami
vazby C – Si
nereaktivní
Možnost zabudování dalších funkčních
skupin
Alkylalkoxysilany
Alkylalkoxysilany
TMSPM - 3-(trimethoxysilyl)propyl methakrylát
organicko-anorganický polymer, tvořený dvěma sítěmi
- anorganická síť – oxid křemičitý
- organická síť PMMA
Sítě jsou vzájemně propojeny kovalentní vazbou.
Hybridní materiály
Hybridní nanovrstvy
Tloušťka vrstvy – 50 až 300 nm
 Mechanická odolnost - při zatížení 650 g/
150 cyklů
 Chemická odolnost:
- toluen, aceton, izopropylalkohol
- kyselina sírová (96%), dusičná (1:1),
chlorovodíková (1:1)
Neodolává - HF (1:1), NaOH (25%) – 15 min

Hybridní nanovrstvy
Teploty polymerace
150 °C sklo, kovy, keramika, tepelně
odolné plasty
90 °C polypropylen, polyethylen
 Adheze k materiálům
vynikající – sklo, kovy, keramika,
polární plasty (PMMA, PA, PES apod.)
dostatečná – PE, PP
nevyhovující - teflon

Antimikrobiální
aplikace
(+ antivirotické
a antimykotické)
Složení nanovrstvy



Hybridní vrstva na bázi TMSPM a TEOS
s přídavky izopropoxidu titaničitého
a dusičnanů stříbra, mědi a zinku
Atomy titanu se zabudují do
křemičitanové sítě, kationty stříbra, mědi
a zinku jsou vázány iontovou vazbou na
Si-O- skupiny křemičitanové sítě
Hlavní účinnou složkou je kationt stříbrný
Ag+
Složení nanovrstvy


Synergický efekt přítomnosti kationtů stříbra
a mědi – je způsoben existencí oxidačně redukční
rovnováhy
která udržuje v hybridní vrstvě obsah kationtu Ag+
Pomocná rovnováha (zvyšuje účinnost)
přítomnost Ti ve struktuře hybridní vrstvy také dovoluje
přenos náboje mezi nesousedícími kationty podle
první z uvedených rovnic
 Kationt zinečnatý nezasahuje do uvedených
rovnováh, rozšiřuje účinek vrstvy na další
mikroorganismy
Obsah kationtů kovů
ve vrstvě
Pevný materiál
(podlahová krytina – středně velká
místnost) - 0,6 g kovů /20 m2
 Textilní materiál
kolem 0,15 g kovů /1 m2 textilie
 Nátěrová hmota – 0,5 g kovů na 20 m2

Patenty



Šlamborová, I., Zajícová, V. a Exnar, P.: Antibakteriální vrstva
působící proti patogenním bakteriím, zejména proti bakteriálnímu
kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy. Patent ČR 303 250,
7.4.2011, 9.5.2012.
Šlamborová, I., Zajícová, V., Exnar, P. a Stibor, I.: Antibakteriální
vrstva působící proti patogenním bakteriím, zejména proti
bakteriálnímu kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy. Patent
ČR 303 861, 23.5.2012, 18.4.2013. WO 2013/174356, 28.11.2013.
Šlamborová, I., Zajícová, V., Exnar, P. a Stibor, I.: Antibakteriální
hybridní vrstva působící proti patogenním bakteriím, zejména proti
bakteriálnímu kmeni MRSA, a způsob vytvoření této vrstvy.
Přihláška vynálezu ČR PV 2013-656. 28.8.2013.
Vrstva na polypropylenu
Část bez
vrstvy
Část s
vrstvou
Optický mikroskop
Vrstva na textiliích
Polyester
bavlna
Hodnocení
antimikrobiálních vlastností
Antibakteriální testy na MRSA
 Antibakteriální testy na směsi 8
bakteriálních patogenních kmenů
 Stabilita vrstvy – opakovaná sterilizace
-sterilizováno teplým vzduchem 1 hod
při 130 °C u PMMA a 2 hod při 95 °C u
skla a keramiky
 Virologické testy - HIV virus (NL4-3)

MRSA
rezistentní mikroorganismy v nemocnicích
MRSA (Methycilin Rezistentní
Staphylococcus Aureus)
VRE (Vankomycin - Rezistentní
enterokoky) – nozokomiální infekce
Jedná se o infekci získanou v nemocnici
u pacienta, který byl přijat z jiného
důvodu, než je tato infekce
Účinnost antimikrobiální
vrstvy
Substrát sklo, denní světlo
Testovaná směs 8 bakteriálních
patogenních kmenů








Escherichia coli CCM 2024
Staphylococcus aureus CCM 299
MRSA CCM 7112
MRSA 2 CCM 4223
Acinetobacter baumanii CCM 2265
Pseudomonas aeruginosa CCM 1959
Proteus vulgaris CCM 1956
Proteus mirabilis CCM 1944
koncentrace 105 CFU/ml
Účinnost antimikrobiální
vrstvy
1000
PMMA
Počet kolonií
900
800
Kachle
700
Sklo
600
500
400
100%-ní inhibice
po 60 minutách
osvitu
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Doba odběru bakteriální kultury (min)
Osvit UV A zářením, směs 8 bakteriálních patogenních
kmenů, koncentrace 105 CFU/ml
Stabilita antimikrobiální
vrstvy (sterilizace 120 °C/ 1 hod)
1000
připravený vzorek
900
3x sterilizace
800
10x sterilizace
Počet kolonií
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Doba odběru bakteriální kultury (min)
Vrstva na skle, viditelné světlo, směs 8 bakteriálních
patogenních kmenů, koncentrace 105 CFU/ml
Antivirotické testy
virus HIV
Testy na běžném světle
Testy na UV A
90
45000
uncoated
40000
coated
80
70
35000
number of blue loci
luminescence [RLU]
50000
30000
25000
20000
15000
60
50
coated
40
30
10000
20
5000
10
0
uncoated
0
2
5
10
20
30
Incubation time [min]
60
120
2
5
10
20
30
60
Incubation time
120
960
Testy cytotoxicity vrstvy
Nebyl pozorován žádný významný
cytotoxický účinek vrstvy na VERO a HeLa
buňky
Hodnocení antimikrobiálních
vlastností na textilu
Antibakteriální testy
kvantitativní testy dle mezinárodní
normy AATCC Test Method: 100-2004
Antibacterial Finishes on Textile
Materials
 Stabilita vrstvy
prací cykly dle ČSN – sledování úbytku
a stability iontů Ag, Zn, Cu a Ti

Stabilita vrstvy na textilii
ponožky ba/PET, RFA analýza
60000
50000
impulzy
40000
Ti
Cu
30000
Zn
Ag
20000
10000
0
0
5
10
15
20
prací cykly
Standardní praní v ruce v běžných
pracích prášcích po běžném použití
Antimikrobiální vrstvy
na textiliích



Potvrzen inhibiční účinek na celou škálu
bakteriálních patogenních kmenů za
běžného světla, po ozáření UV A i ve tmě
Potvrzena stabilita a účinnost
antimikrobiální vrstvy i po praní
(20 respektive 50 pracích cyklů)
Na ponožkách prokázány antimykotické
účinky, zejména na Candida albicans
Možnosti aplikace antimikrobiálních
vrstev na pevných materiálech
Možnosti aplikace antimikrobiálních
vrstev na textiliích
Další biomedicinské
aplikace
Imobilizace

Imobilizace je navázání příslušného
organického agens na povrch substrátu

Jednoduché chemické látky (organické
molekuly a makromolekuly, například
antibiotika a jiné léky)

Složitější organické agens (enzymy,
protilátky, polypeptidy nebo buňky)
Silanizace
Reakce Si-OH skupin s alkylalkoxysilany
polykondenzace
Reaktivní skupiny
3-aminopropyltrimethoxysilan APTMS
obdobně i 3-aminopropyltriethoxysilan APTES
Výhledy pro aplikace

Imobilizovat lze řadu léčiv jiných
organických agens bez ztráty účinnosti
(viz navazující přednáška)

Imobilizované enzymy jsou velmi zajímavé
pro praktické využití v biotechnologii a pro
konstrukci enzymových senzorů
Závěr
Oblasti využití metody sol-gel
Antimikrobiální, antivirotické
a antimykotické vrstvy pro použití
v lékařství, školství, potravinářství,
textilním průmyslu, biotechnologii
a sociálním bydlení
 Příprava nanovlákenných substrátů
pro použití v lékařství

Oblasti využití metody sol-gel
Imobilizace léků na nanočástice pro
řízenou léčbu
 Imobilizace léků na textilní materiály
používané jako obvazové materiály
 Pěstování buněk v nanovlákenných
materiálech s upraveným povrchem

Děkuji za pozornost