Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 10
1.1. Проблема биопленок и способы ее решения 10
1.2. Антимикробные поверхности из полимерных материалов
1.2.1. Высвобождающие поверхности 17
1.2.2. Контакт-активные поверхности 19
1.2.3. Отталкивающие поверхности 22
1.2.4. Самоочищающиеся поверхности 28
1.3. Бутадиен-стирольные термоэластопласты 33
1.3.1. Синтез бутадиен-стирольных ТЭП 37
1.3.2. Растворители и свойства растворов ТЭП 39
1.3.3. Свойства и применение бутадиен-стирольных ТЭП 41
1.4. Заключение по обзору литературы 43
2. Объекты и методы исследования 46
2.1. Объекты исследования 46
2.2. Методы исследования 53
3. Экспериментальная часть 61
3.1. Обоснование выбора направления и объектов исследования 61
3.2. Изучение влияния смесевого растворителя на свойства пленок и покрытий из ДСТ 67
3.3. Физико-механические и адгезионные свойства материалов из ДСТ..75
3.3.1. Изучение физико-механических свойств пленок 75
3.3.2. Изучение адгезионных свойств покрытий 79
3.3.3. Физико-механические и адгезионные свойства пленок и покрытий, содержащих одновременно пластики и антибактериальные агенты 84
3.4. Набухание пленок из ДСТ в водных средах 87
3.5. Микробиологические испытания материалов из ДСТ 96
3.5.1. Исследование влияния биоразлагаемых пластиков на адгезию
бактерий к покрытию 97
3.5.2. Исследование влияния антибактериальных агентов на адгезию бактерий к покрытию 102
3.5.3. Исследование влияния совместного введения пластиков и антибактериальных агентов на адгезию бактерий к покрытию 105
3.5.4. Исследование влияния состава покрытия на угнетение роста модельных бактерий 107
3.6. Поверхностные свойства и структура материалов из ДСТ 109
3.6.1. Растровая электронная микроскопия поверхности материалов из ДСТ 110
3.6.2. Термогравиметрический анализ материалов из ДСТ 111
3.6.3. Исследование структуры и молекулярной подвижности материалов из ДСТ методом электронного парамагнитного резонанса 116
3.7. Токсикологические исследования материалов из ДСТ 121
Выводы 124
Литература
- Антимикробные поверхности из полимерных материалов
- Синтез бутадиен-стирольных ТЭП
- Изучение влияния смесевого растворителя на свойства пленок и покрытий из ДСТ
- Исследование влияния совместного введения пластиков и антибактериальных агентов на адгезию бактерий к покрытию
Введение к работе
Актуальность работы. Микроорганизмы неизбежно присутствуют во всех сферах жизни человека. Несмотря на исключительную важность симбиотических процессов, происходящих между человеком и бактериями, нельзя забывать и о деятельности бактерий как паразитов и вредителей: от инфекционных заболеваний человека до порчи конструкций, механизмов и изделий.
Материалы, работающие в зараженной бактериями среде, неизбежно становятся субстратом для бактериальных колоний – биопленок, которые способствуют дальнейшему инфицированию среды и повышают устойчивость клеток бактерий к внешним воздействиям. Биопленки представляют угрозу для работоспособности изделий, а применительно к медицинским изделиям, работающим в среде организма человека, — вызывают осложнения у пациента в результате воспалительных процессов вплоть до летального исхода.
Поскольку обеспечение внешнего дезинфицирующего воздействия не всегда возможно реализовать, одним из путей решения проблемы является создание материалов, устойчивых к образованию биопленок. К материалам, которым чаще всего необходимо придать антибактериальные свойства, относятся полимерные, в частности, эластомерные материалы. Ввиду их технологической гибкости и огромным возможностям для модификации, они являются наиболее перспективными с точки зрения создания устойчивых к образованию биопленок материалов.
В мировой практике борьбы с биопленками предпочтение отдается методам создания антибактериальных поверхностей. Однако, несмотря на накопленный опыт в области создания антибактериальных материалов до настоящего времени в нашей стране крайне мало работ, посвященных обоснованию принципов борьбы с биопленками. Имеющиеся публикации носят эпизодический характер. В связи с этим работа, направленная на создание эластомерных материалов, устойчивых образованию бактериальных биопленок, является своевременной и актуальной.
Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка антибактериальных эластичных покрытий на основе бутадиен-стирольных термоэластопластов (ТЭП) для защиты изделий из эластомерных материалов от образования биопленок на их поверхности.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
изучение структуры композиционных материалов из ТЭП, содержащих биоразлагаемые пластики и антибактериальные агенты.
определение связи между структурой композиционных материалов из ТЭП и физико-механическими и адгезионными свойствами, в том числе по отношению к
бактериям.
— разработка рецептур материалов на основе ТЭП, содержащих
антибактериальные агенты и биоразлагаемые пластики, для получения материалов с комбинированной защитой от образования биопленок.
Научная новизна.
1. Впервые предложена новая технология создания антибактериальных
эластомерных материалов, заключающаяся в нанесении на изделие защитного
покрытия, в котором сочетается применение антибактериального агента и
компонентов, вызывающих самоочищение поверхности за счет регулируемой
деструкции поверхностного слоя, а также добавок, способствующих уменьшению
адгезии бактерий к поверхности эластомерного материала.
2. Разработаны принципы составления рецептур защитных покрытий для
эластомерных изделий с повышенной устойчивостью к образованию бактериальных
биопленок.
2.1. На основании комплексного исследования микробиологических,
адгезионных, физико-механических и токсикологических свойств обоснована
возможность применения бутадиен-стирольных термоэластопластов в качестве
эластомерной основы для антибактериальных эластомерных покрытий.
2.2. Впервые достигнут эффект самоочищения поверхности материала от
бактерий в водных средах благодаря введению в эластомерную композицию от 1 до
10 % масс. биоразлагаемых пластиков (полилактида, полигидроксибутирата),
обеспечивающих существенное снижение (в 2-3 раза) адгезии бактериальных клеток
по сравнению с традиционно применяемыми эластомерными материалами
медицинского назначения.
2.3. Впервые в составе полимерной композиции для покрытий предложено
использовать четвертичные органические соли аммония, являющиеся
антибактериальными агентами и катионными поверхностно-активными веществами,
которые при введении в эластомерный материал способствуют снижению адгезии
клеток. Применение антибактериальных агентов совместно с биоразлагаемыми
пластиками способствует получению материалов, полностью невосприимчивых к
образованию биопленок.
2.4. Разработан и обоснован состав смесевого растворителя с использованием
компонентов, обладающих близкими значениями летучести при температуре
получения пленки, что способствует формированию пленки защитного покрытия из
смесевого растворителя с параметром растворимости, не меняющимся по мере
удаления растворителя. Это обусловливает не только улучшение эксплуатационных
характеристик, но и их стабильность независимо от условий формирования пленки покрытия.
3. Исследования структуры смесевых композитов, полученных из растворов бутадиен-стирольных термоэластопластов с биоразлагаемыми пластиками, с привлечением методов растровой электронной микроскопии, электронного парамагнитного резонанса, термогравиметрического анализа позволили установить, что эффект самоочищения поверхности материалов, сформированных из растворов данных полимеров, обусловлен локализацией пластиков в областях статистического сополимера стирол-бутадиен вокруг доменов полистирола, что, вероятно, приводит к ускоренной деструкции термоэластопласта в условиях контакта с водными средами.
Практическая значимость. Предложен способ защиты поверхности
материалов от прикрепления бактерий с помощью эластичных антибактериальных
покрытий и разработана рецептура полимерных композиций для их получения.
Разработанные составы представляют собой растворы ТЭП в органических
растворителях, модифицированные биоразлагаемыми пластиками и
антибактериальными агентами. Разработанные растворные композиции обладают хорошими технологическими свойствами при изготовлении и применении. Подбор системы растворителей позволяет в широких пределах изменять технологические свойства композиций.
Имеются акты производственного опробования разработанных композиций в ООО «Химтек» и микробиологических испытаний в ФГБНУ «ВНИИТеК».
По результатам работы зарегистрирована заявка на патент РФ «Состав эластичного антибактериального материала» (регистрационный № 2016145101 от 17.11.2016).
Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации,
докладывались на V и VI Молодежных научно-технических конференциях «Наукомкие химические технологии», Москва, 2013, 2015; на 24 и 27 симпозиумах «Проблемы шин, РТИ и эластомерных композитов», Москва, 2013, 2014, 2015, 2016; на VI Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры — 2014», Москва; на IV и VI Всероссийских конференциях (с международным участием) «Каучук и резина: традиции и новации», Москва, 2014, 2016; на XV Международной конференции «Наукоемкие химические технологии — 2014», Москва; на ХХ юбилейной конференции «Резиновая промышленность. Сырье, материалы, технологии-2015», Москва; во Второй международной научно-технической конференции «Современные достижения в области клеев и герметиков: материалы, сырь, технологии», Дзержинск, 2016.
Достоверность и обоснованность выводов, научных положений, результатов и рекомендаций, представленных в диссертации, базируются на применении современных методов исследования полимеров, таких как ТГА, ЭПР, РЭМ, прецизионных средств измерений и на использовании математико-статистических методов обработки результатов. Рекомендации по получению и применению композиций подтверждены в производственных условиях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи, опубликованные в рецензируемых специализированных журналах, рекомендованных ВАК РФ («Клеи. Герметики. Технологии», «Все материалы. Энциклопедический справочник»), 1 статья в зарубежной периодической монографии, 6 статей в научно-технических журналах и 9 тезисов докладов в сборниках материалов конференций.
Объем и структура работы. Настоящая диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), описания объектов и методов исследования (глава 2), основной части (глава 3), выводов и списка использованной литературы, а также приложений.
Антимикробные поверхности из полимерных материалов
Отталкивающие поверхности (англ. repelling surfaces) являются, прежде всего, антиадгезионными по отношению к клеткам микроорганизмов. Существует много принципов построения отталкивающих поверхностей, но всех их можно разделить на два типа: поверхности, высвобождающие репелленты, и собственно отталкивающие (антиадгезионные) поверхности.
Поверхности, высвобождающие репелленты, по принципу действия похожи на высвобождающие поверхности, но отличаются от них типом вымываемого вещества. В данном случае из поверхностного слоя материала вымывается репеллент. В широком смысле репеллентом называется вещество, которое вызывает отрицательный хемотаксис клеток бактерий [1] — клетки двигаются в направлении, обратном градиенту концентрации данного вещества в среде. Это может быть как определенное вещество, так и, например, pH среды, и хемотаксис играет важную роль в образовании биопленок бактериями [43]. Репеллент, как правило, не уничтожает клетки и не задерживает их рост, но препятствует их продвижению к поверхности и, следовательно, не дает им образовать биопленку [44-46]. Специфический недостаток такого подхода — мутантные клетки могут сменить отрицательный хемотаксис на положительный, и вместо отталкивания получается «притяжение» [47].
В узком смысле репеллентом является вещество, способное блокировать адезионно активные центры клеток бактерий (или других микроорганизмов). К таким репеллентам, например, относится ряд поверхностно-активных веществ [48-57]. В указанных работах отмечается не только «отталкивающая», но и бактерицидная (биоцидная) активность некоторых ПАВ. Следовательно, при введении в полимерный материал такого ПАВ получается антибактериальная поверхность, совмещающая свойства высвобождающей и отталкивающей (антиадгезионной). Наибольший интерес здесь представляют катионные ПАВ — четвертичные соли аммония [48, 49, 53, 57] — количество работ, связанных с синтезом данных соединений и изучением их антимикробной активности, весьма велико. Тем не менее, работ, посвященных модификации полимерных материалов ПАВ с целью придания им антимикробных свойств не так уж и много [49, 58].
Общий недостаток высвобождающе-отталкивающих поверхностей, как с веществами, вызывающими отрицательный хемотаксис, так и с веществами, блокирующими адгезионно-активные центры клеток — снижение концентрации данных веществ в рабочей среде со временем за счет диффузии и перемешивания, подобно снижению концентрации биоцидов, вымываемых из высвобождающих поверхностей.
Собственно отталкивающие поверхности, или антиадгезионные поверхности — это поверхности, непригодные для прикрепления бактерий не из-за косвенных причин, а напрямую — клеткам на них буквально не за что зацепиться. Практика показывает, что идеальной поверхности такого типа не существует [1, 20]. Дело в том, что за миллиарды лет эволюции бактерии «изучили» и приспособились к огромному количеству самых разнообразных природных субстратов, и появление новых субстратов, созданных человеком, в большинстве случаев не вызывает у них затруднений при закреплении и колонизации из-за вырабатываемых клетками специализированных биосоединений [59, 60]. Тем не менее, различные поверхности действительно различаются в пригодности для прикрепления бактерий, что и находит отражение в реализации антибактериальных материалов.
Как было указано выше, основные инструменты адгезии бактерий — это пили и жгутики. Есть исследования, показывающие, что наличие на поверхности неровностей порядка размера придатков способствует существенному увеличению адгезии бактерий на эту поверхность по сравнению с поверхностью из того же материала, но с неровностями другого порядка размеров [61-65]. Удобным для бактерий оказывается и совпадение размера неровностей с размером самих клеток. Таким образом, чем более гладкой является поверхность, тем тяжелее на ней закрепиться клеткам бактерий [62] — даже если неровности и не совпадают по размеру с придатками или самими клетками, они все равно способствуют прикреплению клеток.
Совершенно очевидно, что бактерии не могут расти и размножаться в среде, не содержащей воды [1, 2]. Поэтому кажется логичным предположить, что обеспечение максимальной гидрофобности поверхности должно воспрепятствовать клеткам к ней стремиться. Но это предположение верно лишь отчасти.
В работах [66, 67] рассматриваются примеры создания и использования супергидрофобных поверхностей для уменьшения адгезии бактерий. Супергидрофобную поверхность получают приданием поверхности гидрофобного материала неровностей строго определенного размера, например, с помощью травления. На поверхности образуются цилиндрические «шипы», высота которых значительно больше диаметра, и между которыми капля воды не способна затечь. Краевой угол смачивания водой таких поверхностей близок к 180. Тем не менее, в работе [62] указано, что поверхность такого типа может, наоборот, способствовать увеличению адгезии бактерий по сравнению с гладкой поверхностью. Дело в том, что важным принципом функционирования супергидрофобной поверхности является именно невозможность жидкости (воды) затечь в глубокие неровности, из-за чего капли лежат на кончиках «шипов». Если материал с такой поверхностью полностью погрузить в воду, то поверхность будет выглядеть зеркальной из-за полного внутреннего отражения на поверхности раздела вода-воздух. Последний находится между «шипами» — куда вода не затекает из-за гидрофобности материала и из-за высокого поверхностного натяжения. Тем не менее, если данный материал подержать в воде подольше, «зеркальный эффект» пропадет, так как газы воздуха растворятся в воде. Данное явление можно воочию наблюдать, когда в дождь или при поливе листы садовой капусты теряют характерный для их верхней стороны супергидрофобный эффект, и вместо собирания в шарообразные капли вода начинает растекаться по листу. Поэтому супергидрофобный материал изначально проявляет исключительную стойкость к прикреплению бактерий, но с течением времени водоотталкивающие свойства ухудшаются из-за описанного эффекта и клетки все-таки начинают прикрепляться к поверхности — при условии постоянного контакта с зараженной водной средой. Тем не менее, с помощью супергидрофобных поверхностей все же удается снизить адгезию бактерий, хотя они все равно могут образовать биопленку, но рыхлую, слабо прикрепленную к поверхности и легко отделяющуюся от нее [67, 68].
Синтез бутадиен-стирольных ТЭП
Определение адгезии модельных бактерий к поверхности покрытий Все испытания на культурах клеток и микроорганизмов проводили на базах Центра экспериментальной эмбриологии и репродуктивных биотехнологий и Всероссийского научно-исследовательского института технологии консервирования. Для определения адгезии модельных микроорганизмов образцы покрытий помещали в суспензию соответствующих бактерий. В качестве модельных бактерий были выбраны Escherichia coli (кишечная палочка) и Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк) как представители грамотрициательных и грамположительных бактерий соответственно. Для приготовления суспензий брали 100 мкл суточной бульонной культуры на 100 мл стерильной воды. Затем готовили плотную питательную среду (L-агар) и разливали в чашки Петри. Образцы покрытий площадью 22 см погружали в суспензию бактерий на 2 сек и на 72 ч. По истечении выбранного времени контакта производили смыв стерильной водой, чтобы убрать излишки суспензии и смыть бактерии, которые не закрепились на поверхности материала. Термостатирование образцов проводили при 37С в шейкере. После смыва в воде делали реплики образцов на плотной питательной среде, L-агаре, которые термостатировали в течение 24 часов. Адгезию бактерий к покрытию определяли по числу колониеобразующих единиц (КОЕ) путем визуального подсчета числа колоний на репликах образца при осмотре покрытия через оптический микроскоп.
Определение угнетения бактерий дисково-диффузионным методом Дисково-диффузионный метод (метод диска) используется для визуального определения угнетения исследуемых микроорганизмов. Агаризованную питательную среду инокулировали исследуемыми микроорганизмами (E. coli, S. aureus) глубинным способом заражения. После застывания агара на его поверхность наносили образцы пленок. Посевы термостатировали при 37С в течение 24 часов. В качестве учета результатов исследования смотрели зоны просветления на агаре с помощью оптического микроскопа. По наличию зон задержки роста судили об угнетении тест-микроорганизмов относительно исследуемых пленок.
Растровая электронная микроскопия поверхности Растровую электронную микроскопию (РЭМ) покрытий проводили на базе Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Принцип действия РЭМ заключается в регистрации вторичных электронов, образующихся при взаимодействии электронного зонда (первичного высокоэнергетического пучка электронов) с материалом образца, и в построении топографии образца в просканированной зоне. Для испытания использовали образцы пленок размером 11 см и толщиной 100 мкм.
Термогравиметрический анализ пленок
Принцип термогравиметрического анализа (ТГА) заключается в получении зависимости массы образца материала от температуры. По характеру изменения массы в зависимости от температуры можно не только определить термостойкость материала, но и получить ценные данные о его структуре.
Для испытания были изготовлены образцы пленок в форме диска, соответствующие по диаметру тиглю дериватографа. В качестве рабочей газовой среды дериватографа был выбран аргон во избежание усложнения картины изменения массы образцов с увеличением температуры за счет окислительных процессов, происходящих в присутствии кислорода воздуха. Образцы помещали в тигель дериватографа и регистрировали в автоматическом режиме изменение массы образца в зависимости от температуры. Также были получены дифференциальные кривые ТГА, демонстрирующие зависимость скорости изменения массы от температуры. Определение молекулярной подвижности методом электронного парамагнитного резонанса
Исследование пленок методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) проводили на базе Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН.
Основой метода ЭПР является анализ вращательной подвижности парамагнитных частиц (стабильных радикалов) в изучаемой среде.
Для испытания были подготовлены образцы пленок площадью 22 см и толщиной 50 мкм. В качестве зонда использовался стабильный нитроксильный радикал 2,2,6,6,-тетраметилпиперидин-1-оксил (ТЕМПО). Для введения зонда образец пленки помещали в закрытый сосуд вместе с небольшим количеством радикала при температуре 70С, после чего образец выдерживали в течение определенного количества времени, необходимого для сорбирования образцом достаточного количества радикала.
Спектр ЭПР регистрировали в трехсантиметровом диапазоне с помощью спектрометра «ЭПР-В». По значению времени корреляции вращения зонда оценивали интенсивность вращательного движения радикала в среде. Значения времени корреляции вращения зонда () в области быстрых вращений (510-11 10-9 с) определяли из спектров ЭПР по формуле: = Н+ [(I+/I–)0,5 – 1] 6,65 10-10, (1) где Н+- ширина компоненты спектра, расположенной в слабом поле, I+/I– — отношение интенсивностей компонент в слабом и сильном поле соответственно.
Изучение влияния смесевого растворителя на свойства пленок и покрытий из ДСТ
Введение дополнительных ингредиентов в рецептуру покрытия неизбежно повлечет за собой изменение не только физико-механических, но и адгезионных свойств покрытия. Поэтому было проведено изучение влияния содержания биоразлагаемых пластиков и антибактериальных агентов в покрытиях из ДСТ на динамические характеристики покрытий и на прочность связи при расслаивании системы покрытие-резина.
На рисунке 3.10 приведены результаты динамических адгезионных испытаний покрытий из ДСТ/ПЛА и ДСТ/ПГБ.
Зависимость усталостной выносливости покрытия при многократном растяжении (слева) и многократном продольном изгибе (справа) от содержания в ДСТ ПЛА (сплошные линии) и ПГБ (штриховые линии).
Из представленных зависимостей видно, что покрытие из ДСТ показывает наибольшую динамическую выносливость, составляющую 300 тыс. циклов растяжения и более 180 тыс. циклов при продольном изгибе. Введение пластиков снижает динамическую выносливость покрытий, что особенно наглядно видно при многократном растяжении. Так, при введении 15% масс. ПЛА снижается количество циклов растяжения в 3 раза, а 15% ПГБ — в 6 раз; количество циклов изгиба снижается не столь значительно — на 25% для ПЛА и на 45% для ПГБ. Полученные результаты можно объяснить, главным образом, появлением местных напряжений в пленке покрытия при наличии в ней неоднородностей (частиц пластика), а также снижением интенсивности адгезионного взаимодействия покрытие-резина при введении в пленку покрытия полярных пластиков, несовместимых с каучуком резины.
На рисунке 3.11 приведены результаты динамических адгезионных испытаний пленок из ДСТ+ТМДЭТА и ДСТ+ДСДМАХ для концентраций антибактериальных агентов 0,0; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0% масс. на модельной резине из натурального каучука.
Содержание агента, % масс. Рисунок 3.11. Зависимость усталостной выносливости покрытия при многократном растяжении (слева) и многократном продольном изгибе (справа) от содержания в ДСТ ТМДЭТА (сплошные линии) и ДСДМАХ (штриховые линии).
Из диаграмм, представленных на рисунке 3.11, видно, что введение ДСДМАХ (штриховые линии) монотонно снижает динамическую выносливость покрытий, причем при содержании ДСДМАХ 3% масс. количество циклов растяжения до разрушения снижается по сравнению с немодифицированным ДСТ в 15 раз (20 тыс. циклов), а количество циклов изгиба в 19 раз (10 тыс. циклов). Подобное выраженное негативное влияние на свойства покрытия связано с тем, что ДСДМАХ является поверхностно 81 активным веществом и, следовательно, антиадгезивом, способствуя снижению адгезионного взаимодействия покрытие-резина. Резкое уменьшение динамической выносливости при увеличении содержания ДСДМАХ более 1% может быть связано с образованием обратных мицелл ДСДМАХ в массиве ДСТ. Таким образом, введение более 1% масс. ДСДМАХ в ДСТ не рекомендуется по причине существенного снижения динамической выносливости системы покрытие-резина.
Введение ТМДЭТА (сплошные линии) по-другому влияет на динамические характеристики системы покрытие-резина. Следует отметить, что при введении 0,5% масс. ТМДЭТА динамическая выносливость несколько возрастает: на 16% при многократном растяжении и на 5% при многократном изгибе. При увеличении содержания ТМДЭТА до 1% количество циклов до разрушения снова снижается примерно до уровня немодифицированного ДСТ и продолжает снижаться при дальнейшем увеличении концентрации. В целом, снижение динамической выносливости покрытий при введении ТМДЭТА менее выражено по сравнению с покрытиями, содержащими ДСДМАХ. Экстремальный характер зависимостей количества циклов от концентрации ТМДЭТА может быть связан со стабилизирующими свойствами этого соединения по отношению к ДСТ, поскольку известно, что ТМДЭТА является противостарителем по отношению к диеновым полимерам. Менее выраженное снижение динамической выносливости при увеличении концентрации ТМДЭТА свыше 1% связано с меньшей его склонностью к концентрации напряжений и меньшим влиянием на адгезионное взаимодействие ДСТ-резина по сравнению с ДСДМАХ, поскольку ТМДЭТА не проявляет заметных поверхностно-активных свойств и не склонен к мицеллобразованию. Тем не менее, введение более 1% ТМДЭТА существенно снижает динамическую выносливость покрытий.
Исследование влияния совместного введения пластиков и антибактериальных агентов на адгезию бактерий к покрытию
В главе 3.1 было показано, что биоразлагаемые пластики ПЛА и ПГБ демонстрируют практически полную невосприимчивость к адгезии клеток E. coli. Биоразлагаемые пластики не выделяют токсичных для клеток продуктов гидролиза при нахождении в водных средах [113], поэтому полученный эффект можно объяснить только с позиции самоочищения поверхности (бактериям ничто не вредит, но они не могут прикрепиться к деструктирующему поверхностному слою пластика). Нами выдвинуто предположение о том, что введение биоразлагаемого пластика в ДСТ должно снизить бактериальную адгезию за счет ускорения деструкции поверхностного слоя. Это предположение подтверждается данными, приведенными в главе 3.3: введение биоразлагаемых пластиков в ДСТ действительно увеличивает степень набухания материала в воде, что связано с деструктивными процессами в материале. Но достаточно ли высока скорость деструкции поверхностного слоя материала для того, чтобы эффективно снизить адгезию бактериальных клеток и, тем самым, препятствовать образованию биопленки?
Как видно из рисунка 3.22, при увеличении содержания ПЛА в ДСТ число КОЕ существенно снижается. Увеличение времени контакта с суспензией приводит к увеличению числа КОЕ, то есть все большее количество бактерий колонизируют поверхность. Тем не менее, как при времени 2 сек, так и 72 ч, при содержании ПЛА 80% и более колониеобразования на поверхности не происходило. Значит, введение ПЛА в ДСТ действительно увеличивает стойкость материала к адгезии бактерий. Но для предотвращения образования биопленки необходимо полное отсутствие колоний на поверхности. При содержании ПЛА более 10% масс. сильно ухудшаются динамические характеристики покрытий (см. рисунок 3.6). Тем не менее, даже при содержании ПЛА 5% масс. адгезия бактерий после 72 ч контакта уменьшается на 40%, а при содержании 10% — на 65%, т.е. становится меньше, чем для силоксановой резины из каучука СКТВ-1 (см. рисунок 3.1).
ПГБ по сравнению с ПЛА снижает адгезию бактерий несколько сильнее, однако полученные значения находятся в границах доверительных интервалов. Материал становится невосприимчивым к колонизации и образованию биопленки при содержании ПГБ более 40% масс., что соответствует крайне низким динамическим показателям системы покрытие-резина (см. рисунок 3.10). Сходные результаты были получены при исследовании адгезии S. aureus (рисунки 3.24 и 3.25). 2 0 I
Влияние содержания ПГБ на число КОЕ S. aureus на поверхности покрытий: левые столбцы — время контакта 2 сек, правые — 72 ч.
Из диаграмм, представленных на рисунках 3.24 и 3.25, видно, что для S. aureus наблюдается большее увеличение числа КОЕ при увеличении времени контакта с суспензией по сравнению с E. coli. Для пленок ДСТ, не содержащих биоразлагаемых пластиков, увеличение числа КОЕ при выдержке до 72 ч составляет 30% для E. coli и более 50% для S. aureus. Начальная адгезия бактерий наоборот, несколько выше для E. coli. Итак, для предотвращения колонизации покрытий клетками S. aureus необходимо введение в ДСТ не менее 60% масс. ПЛА или ПГБ. Снижение адгезии S. aureus к покрытиям при 72 ч контакта составило 55% для покрытий с 10% ПЛА и более 60% для покрытий с 10% ПГБ.
Полученные данные, представленные на рисунках 3.22-3.25, позволяют утверждать, что одним только введением биоразлагаемых пластиков не удастся добиться невосприимчивости эластомерного материала из ДСТ к образованию бактериальных биопленок, поскольку необходимое для этого количество пластика существенно снижает физико-механические и динамические адгезионные характеристики покрытий. Вместе с тем, материалы, содержащие 5 и 10% ПЛА или ПГБ, существенно снижают адгезию бактерий при сохранении данных физико-механических и эксплуатационных свойств на хорошем уровне (см. главу 3.3). Поэтому для получения материалов, невосприимчивых к колониеобразованию, следует применить комбинированные системы, содержащие не только биоразлагаемый пластик, но и антибактериальный и/или антиадгезионный агент.
Если предположение об самоочищении поверхности верное, то системы ДСТ/пластик должны сохранять стойкость к образованию биопленок настолько долго, сколько может существовать само покрытие. Для подтверждения было проведено повторное испытание для определения адгезии модельных бактерий к покрытиям из ДСТ. Образцы покрытий были отмыты от бактерий и снова приведены на 72 ч в контакт с суспензией. Результаты приведены на рисунке 3.26 (бактерия — E. coli, биоразлагаемый пластик — ПЛА).