Применение антимикробных полимерных материалов в медицине и при упаковке продуктов питания

Юрий Степанович Почанин, 2020

Описаны принципы создания антимикробных полимерных материалов с использованием органических добавок, в том числе на основе лесохимического сырья, хитозана, неорганических добавок с использованием ионов серебра, меди и цинка. Рассмотрены принципы создания бактерицидных добавок с использованием нанотехнологий. Представлены бактерицидные пленки для покрытия различных поверхностей: виниловые пленки с ионами серебра, пленки на основе хитозана, на основе композиционных материалов с применением полигуанидинов, пятислойные пленки EVOH, пленки на основе латексных композиций. Рассмотрено новое направление – создание электретных полимерных материалов с бактерицидными свойствами. В отдельных главах описаны бактерицидные материалы медико-технического назначения и для упаковки пищевых продуктов. Кратко описаны методы определения чувствительности микроорганизмов к антибактериальному препарату, представлены основные технологии производства бактерицидных полимерных материалов.

ГЛАВА 2. АНТИМИКРОБНЫЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОЛИМЕРОВ

Термин «микроб» используется в качестве общей характеристики для любого вида бактерии, грибка или плесени. В той или иной форме эти микроскопические организмы адаптируются к окружающей среде и размножаются даже в самых сложных условиях. Их уникальная способность быстро эволюционировать и адаптироваться, в некоторых случаях пребывать в покое на длительный период времени делает их чрезвычайно выносливыми. Несмотря на то, что большинство из них безвредны, многие более того — полезны, существуют патогенные штаммы, которые уже успели обрести дурную славу, прежде всего госпитальные «сверхинфекты» стойкие к лекарственным веществам микробы, вызывающие опасные заболевания.

Основной задачей антимикробных добавок является снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности. Очень часто рост микроорганизмов бывает незаметен (без видимых пятен или изменения цвета), но приводит к появлению запаха и увеличивает риск переноса инфекции. К настоящему времени разработаны антимикробные добавки для широкого спектра полимеров — полиолефинов, полистирола и его сополимеров, полиамида. По механизму действия антимикробные добавки можно разделить на 2 группы — микробиостатические и микробиоцидные. Микробиостатические добавки замедляют процесс размножения микроорганизмов, но клетки не погибают, а только замедляется их рост. В зависимости от предназначения такие добавки подразделяются на бактериостатические и фунгистатические.

Микробиоцидные добавки уничтожают микроорганизмы полностью, значительно снижая их количество сразу же после контакта. В зависимости от предназначения такие добавки подразделяются на бактерицидные и фунгицидные. Основной задачей антимикробных добавок является снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности. По предназначению антимикробные добавки можно разделить на 2 типа:

— биостабилизаторы — защищают пластики от обрастания грибками, водорослями, плесенью и т.п. и позволяют предотвратить разрушение пластиков микроорганизмами;

— биомодификаторы — придают пластикам способность поддерживать стерильность поверхности в течение длительного времени и предотвращают появление запаха. Общие требования к антимикробным добавкам одинаковы:

— низкая токсичность для людей, животных и окружающей среды как в процессе переработки, так и при использовании готовых изделий;

— лёгкость переработки и применения;

— совместимость с другими добавками (стабилизаторы, процессинги и т.д.);

— отсутствие негативного влияния на физико-механические или потребительские свойства изделия;

— длительные сроки хранения готовой продукции и высокая эффективность.

Антимикробные полимерные добавки можно отнести к двум широким категориям: органические и неорганические. Эти системы обладают различными свойствами, и поэтому их сферы применения несхожи.

2.1. Органические добавки

Химические органические добавки являются продуктами органического синтеза целлюлозных соединений или переработки отходов лесохимии, целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, агрохимии и др.

Органические добавки, имеющие в своем составе металлоорганический класс молекул, полагаются на кочующие молекулы с целью оказания антимикробного действия на поверхность полимера. Стоит только диспергировать их в пластик, как они начнут мигрировать из полимерной структуры на полимерную поверхность, где будет образовываться антимикробная «пленка». Миграция происходит из-за того, что молекулы понижают градиент концентрации в пластике. Миграция происходит под воздействием наследственных несовместимых различий между органическими антимикробными соединениями и полимерными субстратами, в которых они диспергированы. В результате полученная на полимерной поверхности пленка пополняется за счет добавок, находящихся внутри субстрата всякий раз, когда поверхность вытирают или моют или когда антимикробный материал гибнет в окружающей среде.

Преимущество этого способа антимикробного действия в том, что он может обладать очень высокой степенью активности, а кочующие молекулы могут очень быстро взаимодействовать с огромным количеством микробов. Однако это в сильной мере влияет на длительность активности, так как добавки вымываются со временем, оставляя небольшой резерв внутри полимера. Размер добавки и выбор органической добавки зависят от требуемого уровня эффективности и нужной продолжительности действия.

С коммерческой точки зрения органические технологии больше подходят изделиям одноразового использования, которые имеют более короткий срок службы, в сравнении с продуктами, обладающими большим сроком службы и более вредные для окружающей среды. Дополнительные ограничения заключаются в том, что органическим добавкам не разрешается напрямую контактировать с пищевыми продуктами, в первую очередь, из-за мобильности и растворимости этих добавок в пищевых имитаторах. Что касается органических систем, следует также учитывать воздействие температуры во время процесса. При повышении температуры органические молекулы становятся более подвижными, что приводит в результате к их чрезмерным потерям с поверхности пластика. Также органические антимикробные соединения часто имеют термодеструкционные температуры похожие с температурой обработки полимера. Полимеры, такие как полихлоридвинил и некоторые низкотемпературные полиолефины, больше всего подходят для этих добавок. Также следует учитывать температуру окружающей среды, при которой будут использоваться конечные продукты, так как это может повлиять на скорость миграции и срок жизни активных систем.

Мягкие полихлоридвиниловые продукты являются хорошим примером того, как органические системы успешно защищают от микробиологического распада, а именно черных и розовых пятен. В действительности сам по себе полихлоридвинил может увеличить число микробов, и этот эффект усиливается, когда его используют для изделий, используемых во влажной среде, например, водонепроницаемые материалы.

Самыми известными металлоорганическими антимикробными соединениями являются материалы, содержащие мышьяк, такие как оксибисфеноксиарсин (OBPA). Несмотря на то, что эти добавки очень эффективны и экономичны, их использование ограничено по экологическим соображениям и их долгосрочной токсичности. В результате, спрос на химические соединения, не содержащие мышьяк, такие как неметаллические изотиазолины семейства биоцидов и другие типы, а именно триклозан (также известный как хлорированный дифинил) стремительно растет. В настоящее время предсказывают, что в Европе рост достигнет значения в пределах от 10 до 20 процентов в год.

Из органических соединений антимикробным действием обладает этиловый спирт, фенол, крезол, формальдегид и др. Этиловый спирт (50-70%) оказывает более сильное действие, чем концентрированный. Широко используемый в санитарно — бактериологической практике ароматический спирт фенол, или карболовая кислота, взаимодействует с цитоплазматической мембраной, вызывая растворение липидов и нарушая этим самым ее основное свойство — полупроницаемость. Вегетативные клетки бактерий быстро гибнут от 3-5% раствора фенола. Очень ядовит также формальдегид. Он вступает во взаимодействие с аминными группами пептидов и аминокислот, связывает их и в результате нарушает физиологическую деятельность клетки.

К числу органических соединений, обладающих антимикробным действием, относится и ряд веществ, полученных путем химического синтеза. Наибольшей известностью пользуются сульфамидные препараты, применяемые в химиотерапии для уничтожения патогенных бактерий. По структуре формулы сульфамиды весьма сходны с важным клеточным метаболитом — парааминобензойной кислотой (ПАБК).

Сульфамидные препараты выступают конкурентами ПАБК и в случае избытка их в организме включаются (вместо ПАБК) в комплекс фолиевой кислоты. Однако функции ПАБК они выполнять не могут. Ферментативные реакции, зависящие от наличия фолиевой кислоты, расстраиваются, нарушается жизнедеятельность клетки. Эти вещества, являющиеся конкурентами или антагонистами естественных метаболитов клетки, получили название антиметаболитов. Все они обладают антимикробным действием.

Органические системы представляют собой низкомолекулярные, легкомигрирующие соединения, иногда содержащие ион металла. Они несовместимы с полимером, поэтому мигрируют на поверхность изделия и вступают во взаимодействие с микроорганизмами. Добавки постепенно вымываются с поверхности изделия и защитный слой восстанавливается за счёт запаса в массе изделия.

Номенклатура применяемых добавок довольно широка, около 20-и производителей выпускают порядка 80-и наименований антимикробных добавок. Среди основных соединений можно назвать:

— 10,10–оксибисфеноксиарсин (ОВРА);

— трихлоргидроксидифенилэфир (Triclosan);

— n-октил-изотиазолинон (OIT);

— 4,5-дихлор-2-n-октил-4-изотриазолин-3-он (DCOIT);

— меркаптопиридина оксид (Рyrithione);

— бутил-бензтиазолинон (Butyl-BIT);

— N-фтордихлорметилтиофталимид (Sanitized PL);

— металлсодержащие биостабилизаторы — оловоорганические соединения и соединения серебра;

— полимеры, обладающие антимикробным действием (полифосфонаты, поли-N-галогенпиридин, поли (стирол-дивинилбензол) сульфамид).

В настоящий момент на рынке биостабилизаторов бесспорное лидерство за соединениями мышьяка, а точнее 10, 10–оксибисфеноксиарсином (ОВРА). За этим соединением остаётся около 70% рынка, что обусловлено оптимальным соотношением цена/качество.

В настоящее время появляется тенденция к использованию минимально токсичных соединений, и всё больше применяются антимикробные агенты, не содержащие мышьяка — например, изотиазолины (более эффективны, чем ОВРА), трихлорметилфталамиды или неорганические соединения серебра и цинка (в основном, цеолиты).

В упаковочном производстве необходимо применять новые упаковочные материалы с избирательной проницаемостью, создающие барьер на пути излишне интенсивного газо — и влагообмена, поступления микрофлоры извне, препятствующие развитию нежелательных микроорганизмов на упаковываемых изделиях.

Наиболее дешевым бактерицидным упаковочным материалом может служить многослойная полиэтиленовая пленка, полученная методом экструзии с сорбционным материалом на основе кремнийорганического сорбента, модифицированного медью. Эта многослойная полиэтиленовая пленка используется для паллетирования грузов на поддонах. Она состоит из основного слоя и содержит в качестве основного компонента линейный полиэтилен и, по меньшей мере, одного слоя адгезивного материала, несовместимого с линейным полиэтиленом. Многослойная полиэтиленовая пленка выполнена в форме рукава.

Более дорогим бактерицидным упаковочным материалом может служить полиэтилен, в отверстия которого внедрены бактерицидные компоненты (например, наночастицы серебра или меди). Способ получения бактерицидного материала включает формирование необходимой формы из полимерной основы, формирование отверстий в полимерной основе за счет облучения высокоэнергетическими частицами, заполнения отверстий, бактерицидными компонентами. Таким образом, бактерицидные компоненты бактерицидного материала, в котором упакованы любые продукты питания или медицинские средства, будут препятствовать процессу развития микроорганизмов и бактерий. Бактерицидный материал может быть изготовлен следующим образом. В качестве полимерной основы используют полиэтиленовая пленка, толщиной 30 мкм. Она располагается в вакуумной камере и облучается пучком ионов ксенона с энергией 1,2 МЭВ/нуклон в течение 10 минут. Благодаря этому в пленке создаются несквозные отверстия (для прохождения пленки насквозь энергия нуклонов должна быть большей), диаметром до 30 нм. Полиэтиленовая пленка располагается в ванне с водной суспензией наночастиц серебра (диаметр наночастицы серебра также должен быть менее 30 нм) на 15 минут. Положительный и отрицательный электроды ванны изготовлены в виде пластин, которые располагаются параллельно пленке, со стороны с отверстиями и без. Наночастицы серебра двигаются от положительного электрода к отрицательному и попадают в отверстия полиэтиленовой пленке, где и осаждаются. полимерный композит антисептический канифоль

Известна бактерицидная композиция, содержащая в качестве активных компонентов йодсодержащие органические соединения, а также вспомогательные вещества, в которую входят:

— оксиэтиленированный жирный спирт, содержащий 8 молей оксида этилена;

— повторно сублимированный металлический йод;

— пропантриол или глицерин для устранения вяжущего действия свободного йода, который, возможно, содержится в композиции;

— моноглицерид полиоксиэтиленированной жирной кислоты с целью снизить величину поверхностного натяжения среды, в которой он действует, в результате чего достигаются быстрое увлажнение клеточной стенки в случае бактерий или разрушение различных белков, которые могут образовывать вирусную капсулу;

— этиленгликоль с целью предотвратить вступление свободного йода в реакцию с другими компонентами бактерицидной композиции.

2.1.1. Добавки на основе лесохимического сырья

Одним из направлений борьбы с плесневыми грибами является включение добавок биоцидов растительного происхождения в структуру полимерных материалов. В зависимости от применяемого сырья и условий получения можно синтезировать антисептики с широким диапазоном биоцидных, физико-механических и других свойств.

В качестве природной добавки для упаковочных материалов было предложено использование экстракта бересты. Основным действующим компонентом выбранного экстракта является бетулинол, обладающий противовоспалительной, антиоксидантной и антибактериальной активностью. В настоящее время бетулин включен в список биологически активных добавок (БАД), рекомендованных Министерством здравоохранения и социального развития РФ для оптимизации питания и здоровья населения. Помимо этого, необходимо отметить такую технологическую особенность добавки как высокая температура плавления (240-260°С), что делает возможным её введение непосредственно на стадии переработки полимера.

В последнее время начали заниматься способами получения антисептиков на основе терпеноидных соединений. Терпеноиды — кислородосодержащие органические соединения (как правило, природного происхождения), они являются активными участниками обменных процессов, протекающих в растениях. Некоторые терпеноиды регулируют активность генов растений, участвуют в фотохимических реакциях. К ним относятся соединения с различным числом углеродных атомов, которые произошли из изопреновых единиц (C₅H₈). Их многочисленные кислородные производные представлены спиртами, альдегидами, кетонами, кислотами и т.д. К настоящему времени считается установленной свойственная всем терпеноидам антимикробная и антивирусная активность. Разработан широкий спектр высокоэффективных терпеноидных продуктов на основе отечественного лесохимического возобновляемого сырья для использования их в защитных составах и покрытиях различного назначения. Проведенные испытания на предмет наличия фунгицидной активности семнадцати соединений терпеноидной природы, показали, что в качестве наиболее активных продуктов определены в-терпинеол и сульфатный скипидар, а также а-терпениол оказывал фунгицидное действие на 14 видов микромицетов, являющихся активными биодеструкторами различных промышленных материалов. Рассмотрим некоторые из них.

Большой интерес вызывают терпеноиды хвойных растений. Разработана композиция стандартизированной терпеноидной субстанцию Абисил-2 на основе капсульного экстракта растений семейства Pinaceae, включающую следующие компоненты в массовой доле %, а именно:

— секвитерпеноиды (3-6%)

— нейтральные дитерпеноиды (11-15%)

— дитерпеновые кислоты (23-24%)

— тритерпеновые кислоты (8-16%)

— ненасыщенные и насыщенные жирные кислоты (0,1-0,3%)

— фенольные соединения (0,1-0,2%)

— монотерпеноиды — остальное.

Терпеноидная композиция представляет собой густую жидкость от желтого прозрачного до молочно-белого цвета со специфическим запахом и имеет определенные физические константы, а именно:

— кислотное число (70-90 мг)

— число омыления (100-130 мг)

— эфирное число (10-60 мг)

— показатель преломления (1,500 до 1,520 Не)

Полученная субстанция полиактивна, терапевтически высокоэффективна, не токсична и имеет длительный срок хранения. При получении терпеноидной композиции Абисил-2 использован способ выделение того или иного специфического агента из природного набора терпенов, заключенных в пихтовой капсуле. В настоящее время в роде пихты выделено 56 ботанических видов, 6 представителей которых растут на территории Российской Федерации — это пихта сибирская (Abies sibiricus Led.), пихта белокорая (Abies nephrolepis Maxim}, пихта сахалинская (Abies sachalinensis), пихта камчатская (Abies gracilis), пихта цельнолистная (Abies holophylla Maxim) и пихта Майра (Abies mayriana Miyabe et Kudo). Тем не менее, все терпеноиды хвойных пород деревьев отличаются по количественному содержанию отдельных соединений, а следовательно, и по физико-химическим свойствам. Однако, учитывая наличие разработанных способов разделения терпеноидов на отдельные групповые фракции и возможности их перегруппировки, существует реальная возможность получения сырья для производства субстанции Абисил-2 на основе терпенов, полученных из родов: ель, сосна и лиственница при условии их обогащения недостающими тритерпеновыми кислотами и осуществлением необходимых количественных сочетаний. Использование такого подхода позволит использовать в качестве сырья не только капсульный экстракт различных видов пихт, но и живицы различных пород деревьев семейства Pinaceae.

Композиция Абисил 1 является средством, обладающим противовоспалительной, антибактериальной и ранозаживляющей активностью на основе растительного компонента. Она содержит капсульный экстракт пихты сибирской (Abies sibiricus Ledebur), монотерпеновые соединения эфирных масел и растительное масло при следующем соотношении мас.%.:

–капсульный экстракт пихты сибирской — 19,0-20,0,

–монотерпеновые соединения — 0,02-0,20,

–растительное масло — остальное.

В России разработана безотходная технология глубокой комплексной переработки живицы хвойных деревьев, обеспечивающая получение новых экологически чистых продуктов, в частности нейтральных живичных смол — лиственничной (СНЛ), пихтовой (СНП), а также их терпенов и бальзамов. Способ получения СНЛ, позволяющий получать смолу, химический состав которой близок к химическому составу нейтральных тяжелокипящих сескви — и дитерпеноидов лиственничной живицы. Кроме того, создается возможность получения целевого продукта с заранее заданными свойствами и показателями качества, удовлетворяющими возросшим требованиям различных потребителей. Нейтральные живичные смолы представляют собой смесь высококипящих нейтральных дитерпеноидов. По внешнему виду СНЛ и СНП — густая малоподвижная масса от янтарного до светло-коричневого цвета с температурой каплепадения 18-25°С. Массовая доля воды — не более 0,2%; массовая доля механических примесей — не более 0,02%; массовая доля спиртов — в пределах 40,0-65,0%. Для СНП температура каплепадения составляет 20-26°С. Кислотное число смол — не более 4мг КОН/г продукта. На основе СНП и солей тритерпеновых кислот разработаны новые препараты противовоспалительного, антибактериального и фунгицидного действия.

Наиболее распространенными являются антисептики, полученные на основе канифоли, скипидара и таллового масла. Канифоль находит широкое применение в промышленности в композиционных составах различного назначения благодаря уникальной возможности совмещаться с некоторыми полимерными материалами.

В ИФОХ НАН Беларуси были разработаны антисептические составы, включающие в свою структуру фунгицид, пленкообразователь и растворитель. В качестве фунгицида использовался продукт взаимодействия сосновой живичной канифоли (СЖК) с параметрами: температура размягчения (Т_разм) Т_разм = 73ºС, и кислотное число (КЧ ) КЧ = 172 мг KOH/г), диспропорционированная канифоль (ДЖК) (Т_разм = 62ºС, КЧ = 162 мгKOH/г) и талловый пек. Кислотное число — количество миллиграммов гидроокиси калия (КОН), требуемое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира или масла. Диэтилентриамин (ДЭТА) использовался в качестве химического модификатора канифолей в количестве 0,5 мас.%. Температура реакции составляла Т=195±5ºС, время реакции 6 часов. В качестве пленкообразователя выбрана алкилфенолформальдегидная смола. В качестве растворителя использовался скипидар.

Взаимодействие живичной и диспропорционированной канифоли с диаминами проводили в реакторе, снабженном механической мешалкой, термометром и холодильником. Канифоль загружали в реактор и включали электрообогрев. При достижении температуры 100°C включали мешалку и перемешивали до получения однородной массы. При температуре 100–105°C загружали диамин. В течение 30–40 минут температуру смеси повышали до 190±5°C и поддерживали ее на этом уровне до конца процесса. В процессе реакции контролировали температуру и интенсивность перемешивания. Контроль над ходом реакции осуществляли путем отбора проб и определения их кислотного числа (КЧ). При достижении реакционной смесью постоянного КЧ мешалку отключали и отгоняли реакционную воду и непрореагировавший диамин под вакуумом при остаточном давлении 10–15 мм.рт.ст. и температуре 190±5°C. После завершения отгонки конечный продукт выливали в отдельные формы, где он окончательно остывал.

Талловый пек применялся следующего состава, масс.%: смоляные кислоты — 20,4, жирные кислоты — 28,1, неомыляемые вещества — 22,8, окисленные вещества — 28,7. Талловый пек обрабатывался полиэтиленполиамином (ПЭПА) при температуре 190ºС в течении 2 часов. Полученная антисептическая добавка представляет собой темно-коричневую твердую массу с температурой размягчения 35ºС.

Физико-химические свойства фунгицидных добавок представлены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние канифоли и талового пека на физико-химические характеристики фунгицидных добавок.

Из данных таблицы1 видно, что обработка канифоли и талового пека аминами приводит к значительному снижению кислотного числа и температуры размягчения (Тразм) получаемых продуктов. Это показывает полноту протекания реакции и отсутствие карбоксильных групп.

Канифоль состоит из лабильных смоляных кислот (СК), которые легко превращаются друг в друга в различные соединения, что сказывается на качестве продукции, поэтому требуются надежные и экспрессные методы их контроля. В настоящее время для анализа СК используются различные методы хроматографии.