Юрий Почанин - Применение антимикробных полимерных материалов в медицине и при упаковке продуктов питания

Для химического взаимодействия бактерицидного (БП) или фунгицидного (ФП) препарата с макромолекулами волокнообразующего полимера волокна предварительно модифицируют с целью введения в макромолекулы активных функциональных групп, способных взаимодействовать с БП или ФП, или же применяют препараты, содержащие активные группы, способные реагировать с функциональными группами макромолекулы. Биологическая активность полученных этим способом веществ обусловлена постепенным отщеплением небольшого количества БП или ФП вследствие гидролиза или диссоциации связи между препаратом и волокнообразующим полимером.

Синтезированы и с хорошими результатами применяются в клинической практике эквиваленты различных тканей и органов человека: костей, суставов, зубов. Созданы протезы кровеносных сосудов, искусственные клапаны и желудочки сердца. Синтез полупроницаемых полимерных мембран и умелое использование разнообразных свойств сополимерных материалов привели к созданию аппаратов «искусственное сердце-легкое» и «искусственная почка». Они позволяют временно заменить соответствующие органы человека, в частности проводить сложные хирургические операции на сердце и легких. Медицинские полимеры и сополимеры используются для культивирования клеток и тканей, хранения и консервации крови, кроветворной ткани – костного мозга, консервации кожи и многих других органов. В терапии широко используются сополимеры – ионообменники (ионообменные смолы) для удаления из организма щелочных металлов, радиоактивных элементов, для введения в организм дополнительных количеств необходимых ионов металлов. Использование медицинских полимеров для изготовления хирургических инструментов и оборудования (шприцы и системы для переливания крови разового использования, бактерицидные пленки, нити, клетки) коренным образом изменило и усовершенствовало технику медицинского обслуживания.

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.