ساختار پلیمری ضد میکروب

ساختارهای پلیمری طراحی شده با خواص ضد میکروبی – ضد رسوب

طراحی سطوح با خواص ضد پوسیدگی و ضد میکروبی مسیر مهمی برای حل مشکلاتی از قبیل عفونت و رسوب در بهداشت و درمان و کاربردهای صنعتی محسوب می شود. اخیرآ به دلیل خواص متمایز آنها من جمله مقیاس طولی؛ قابلیت پردازش؛ هزینه کم؛ خواص تنظیم شده و خواص متنوع، توسعه سطوح دارای پلیمر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این مقاله به بررسی سیستم های پلیمری توسعه یافته بعنوان پوشش های ضد میکروبی – ضد رسوبی می پردازد که به ترتیب پلیمرهای زیست توده و زیست فعال نامیده می شوند. انواع مختلفی از این پلیمرهای زیست توده و زیست فعال و همچنین محدودیت های آنها در اینجا ارائه شده است.

عفونت باکتریایی مواد و دستگاه های کاشته شده مانند کاتتر، لیدهای ضربان ساز، تعویض مفصل ران و زانو یک مشکل عمدۀ بهداشتی است که تأثیر نامطلوبی بر کیفیت زندگی بیماران داشته و حتی هزینه های سنگینی را به دنبال دارد. چسبندگی باکتریایی به سطوح ایمپلنت در دو مرحله اتفاق می افتد: اول، باکتری ها برای اتصال به ماتریس خارج سلول یا پروتئین های پلاسما در سطح دستگاه یا سلول میزبان رقابت می کنند که بعنوان "مسابقه برای سطح" تفسیر می شود؛ سپس باکتری های چسبنده تکثیر شده و در چندین لایۀ اگزوپلی ساکاریدهای برون ریز به بیوفیلم ها تبدیل می شوند که دارای متابولیسم پایینی بدون تولید سم دارند. ورود ایمپلنت به بدن، به دلیل صدمه ای که به موانع اپیتلیال و مخاط در هنگام کاشت وارد می شود، میزان حساسیت به عفونت زیست ماده را افزایش می دهد. وجود بیشتر ایمپلنت ها و پروتئین ماتریکس خارج سلولی جذب شده بر روی آن، بعنوان سطحی برای استعمار باکتری ها عمل می کند؛ بنابراین، حداقل تلقیح مورد نیاز را کاهش می دهد. پاکسازی بیوفیلم ها توسط آنتی بیوتیک های منتقل شده به صورت سیستمیک به دلیل کاهش حساسیت باکتری های چسبنده به درمان ضد میکروبی به شدت مختل می شود. این مقاومت ممکن است به دلیل کاهش سرعت رشد بیوفیلم باشد زیرا باکتری ها وارد مرحلۀ رشد ثابت می شوند یا انتشار آنتی بیوتیک ها با مشکل روبرو می شود. با این حال، عفونت های مرتبط با ایمپلنت تمایل دارند که نسبت به آنتی بیوتیک ها مقاوم باشند. درمان موفقیت آمیز به مراحل چندگانه نیاز دارد؛ برای مثال برداشتن دستگاه آلوده، درمان وریدی و خوراکی با آنتی بیوتیک ها به مدت هفته ها یا ماهه، کاشت مجدد دستگاه جدید. بسیاری از مفاهیم برای پیشگیری از عفونت های ایمپلنت ها من جمله سطوح زیست توده و زیست فعال یا با یک قسمت متصل به کووالانسی و حتی یکی که در محیط اطراف آزاد می شود در مقالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته اند. مواد با خواص ضد رسوب و ضد میکروبی بطور گسترده در تحقیقات مورد توجه قرار گرفته اند. پلیمرها با مقیاس های طولی چندگانه، می توانند با کنترل مقیاس های طولی، شیمی سطح و خواص مکانیکی منجر به پیشرفت سطوح شوند؛ که آن هم می تواند در طیف گسترده ای از سیستم های زیستی مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، سیستم های PEG بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند و همچنین سطوح بی حرکت PEG نیز باعث کاهش میزان پروتئین جذب شده در سطوح زیست ماده می شود. این سیستم ها همچنین برای کاهش چسبندگی باکتری ها با کاهش تماس بین باکتری ها و سطح (بدون از بین بردن آنها) مورد بررسی قرار گرفتند. علاوه براین، ثابت شده است که پلیمرهایی با عوامل ضد میکروبی مانند ترکیبات آمونیوم کواترنر، گوانیدها، نمک های فسفونیوم یا آنتی بیوتیک ها باعث از بین رفتن باکتری ها در اثر تماس می شوند.

رویکردهای مختلفی برای تعدیل عوامل ضد میکروبی به پلیمرها وجود دارد که از میان آنها، پیوند کووالانسی مولکول های زیست فعال به اسکلت پلیمر ثبات و یکنواختی بهتری را در مقایسه با روش های جذب شیمیایی سطحی ارائه می دهد. مسیرهای ساختگی مختلفی برای پیوند کووالانسی گونه ها روی سطوحی مانند "پیوند به" و "پیوند از" ایجاد شده است. برس های پلیمری، کوپلیمرهای تصادفی یا بلوکی تهیه شده از این روش ها منجر به پایداری طولانی مدت با طیف گسترده ای از خواص شیمیایی می شوند. این مقاله، مروری بر پلیمرهای ضد رسوب و ضد میکروب با تمرکز بر آماده سازی های زیست فعال زیست توده و کووالانسی بی حرکت است. پوشش های سطحی زیست توده باعث کاهش جذب پروتئین ها و در نتیجه، بطور معمول ازطریق ترکیب پلیمرهای هیدراتۀ آبدوست که به صورت کووالانسی بی حرکت هستند و یا در سطح بدن جذب می شوند، چسبندگی باکتری ها می شوند. برعکس، پلیمرهای زیست فعال بحث شده در این مطالعه می توانند باکتری ها را در تماس ازطریق بی حرکتی آنتی بیوتیک ها و عوامل ضد میکروبی از بین ببرند. در اینجا فرصت کافی برای بررسی پوشش های سطحی که شامل یک بخش زیست فعال هستند که در مجاورت سطح آزاد می شود را نداریم.

پلیمرهای زیست توده

براساس شکل زیر، لایه پلیمر زیست توده تضمین می کند که حداقل جذب پروتئین در سطح رخ دهد و درنتیجه، از چسبندگی باکتری ها جلوگیری می کند.

شکل 1:طرح ها و تصاویر نشان دهندۀ حفاظت غیرفعال از سطوح ازطریق پلیمرهای زیست تودۀ بی حرکت

بنابراین، سطوح زیست توده از چسبندگی باکتری ها جلوگیری می کنند، اما فعل و انفعال فعالی نداشته و آنها را از بین نمی برند. این امر با آرایش مواد دارای پلیمرهای هیدراتۀ آبدوست که به صورت کووالانسی بی حرک هستند و یا به جذب شیمیایی در سطح دارند، دست می آید. طیف گسترده ای از پلیمرها من جمله پلی اتیلن گلیکول (PEG)، پلی متیل - اگزازولین، ساختارهای زوئیترونیک مانند فسفوبتائین، سولفوبتائین و پلیمرهای فسفو- لیپید دارای یک گروه فسفوریل کولین و پلی ساکاریدها هستند که بعنوان سطوح زیست توده بررسی شده اند. سیستم های PEG بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند و ثابت شده است که سطوح عملکردی PEG به دلیل تشکیل یک لایه بین سطحی، باعث کاهش شدید چسبندگی زیستی (جذب پروتئین، باکتری و چسبندگی سلول) می شود که از تماس مستقیم بین سطح جلوگیری می کند. مطالعات مختلفی برای درک بهتر تعاملات پروتئین - PEG از لحاظ طول زنجیره، تراکم پیوند و وزن مولکولی انجام شده است. با این حال، سوفیا و همکارانش پلی اتیلن اکسید (PEO) پیوند کووالانسی به شکل خطی و ستاره ای را برای تعیین وابستگی جذب پروتئین به دانسیته پیوند PEO، وزن مولکولی PEO و اندازۀ پروتئین مورد ارزیابی قرار دادند. علاوه براین، مشخص شد که چگالی پیوند بایستی برای پوشش کامل سطح در سیستم برس پلیمری باشد تا از جذب پروتئین جلوگیری کند؛ که همچنین می تواند با پلیمرهای مخلوط با زنجیره های جانبی PEG، پیوندهای PEG طولانی، برس های PEG و یا ساختارهای دندریتیک حاصل شود. بنابراین، برخی از پروتئین ها و پپتیدها با وزن مولکولی کم همچنان می توانند ازطریق لایۀ PEG نفوذ کرده و پوشش سطحی را بی اثر کنند. پوشش زیست تراکم تشکیل شده از PEG برای اطمینان از حداقل جذب پروتئین برای باکتری ها به عنوان یک سکوی پیوست استفاده می شود؛ در نتیجه، استعمار باکتریایی سطح را کاهش می دهد. استراتژی های مختلف پیوست برای پوشش بهینۀ PEG و پایداری سطح برای پیشگیری از چسبندگی باکتری ها ایجاد شده است. براساس مطالعات کینگشات و همکارانش، لایۀ PEG که به صورت کووالانسی به بستر متصل می شود، می تواند چسبندگی باکتریایی را حداقل دو مرتبه بهتر از سطوح گزارش شدۀ قبلی با جذب شیمیایی PEG به دلیل ثبات و پوشش زیاد آن کاهش دهد. یک پوشش چند بخشی و متقاطع با پایه PEG توسط هاربرز و همکارانش ایجاد شده است که جذب غیراختصاصی پروتئین ها، باکتری ها و سلول های پستانداران را که ترکیبی از پیوند سطح کووالانسی و شیمیایی متقاطع در ماتریس است مهار می کند.

پلیمرهای زیست فعال

براساس شکل زیر، یک استراتژی جایگزین برای پیشگیری از عفونت بیومتریال بر پیوند کووالانسی یک مادۀ ضد میکروبی که بطور فعال باکتری ها را از بین می برد، به سطح ماده بیومتریال متمرکز است.

شکل 2: طرح های نشان دهندۀ بی حرکتی پوشش های ضد میکروبی برای از بین بردن باکتری های چسبیده به سطح

پلیمرهای عملکردی با عوامل ضد میکروبی که معمولآ از ترکیبات آمونیوم کواترنر، پپتیدهای ضد میکروبی یا آنتی بیوتیک ها باعث از بین رفتن باکتری ها در اثر تماس می شوند.

پلیمرهای ضد میکروبی سنتز شده:

پوشش های ضد میکروبی پلیمری که بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند، براساس ترکیبات آمونیوم کواترنر (QAC) ساخته شده اند. در مطالعات متعدد نشان داده شده است که حداقل نیاز این سیستم ها برای فعالیت ضد میکروبی علیه باکتری ها، یک گروه کاتیونی و یک زنجیرۀ آلکیل آپولار است. علاوه براین، برای اطمینان از حفظ تحرک گروه، لازم است که گروه کاتیونی ازطریق اسپیسر PEG یا PMOX معمولآ بی حرکت می شوند. سنتز پلیمرهای مشخص شدۀ PEG با آمین های سوم از مونومرهای موجود در بازار مانند متاکریلات -2(دی متیل آمینو) اتیل و متاکریلات متیل اتر (اتیلن گلیکول) الیگو توسط پلیمریزاسیون انتقال زنجیرۀ افزودن - تکه تکه شدن برگشت پذیر (RAFT) حاصل شد. آمین های سوم بدست آمده برای تولید پلیمرهای کاتیونی با خواص مختلف شیمیایی (مانند آلکیل، الکل اولیه، آمین اولیه و اسید کربوکسیلیک) کواترن شدند. همچنین فعالیت ضد میکروبی پلیمرها نشان داد که تحت تأثیر طول اسپیسر آلکیل و عملکرد شیمیایی قرار می گیرند. از بین تمام این پلیمرها با خواص آلکیل؛ آلکیل اولیه؛ آمین اولیه و اسید کربوکسیلیک با اسپیسر پروپیل ثابت، یکی از آنها با گروه آلکیل دارای بالاترین فعالیت ضد میکروبی بود. QAC های متصل به PMOX با گروه انتهایی قابل پلیمر شدن با اکریلات منجر به بی حرکتی گروه زیست کش، N،N - دی متیل دودیسیلامونیوم (DDA)،هم بصورت فله و هم بر روی سطح ازطریق اسپیسر پلیمری طولانی می شود. فعالیت این پلیمر در برابر باکتری استافیلوکوکوس اورئوس مورد آزمایش قرار گرفت و مشخص شد که برخلاف مواد افزودنی با وزن مولکولی کم در شبکه های پلیمری که برای فعال شدن بایستی آزاد شوند، PMOX سنتز شده برای از بین بردن باکتری در اثر تماس مشاهده شد. هیچ لیچینگی از QAC وجود نداشت و آنها حتی پس از 45 روز شستشو نیز فعال بودند. فعالیت بالای پلیمر به اتصال دهنده طولانی و غلظت مادۀ زیست کش (DDA) نیز به سطح پلیمر نسبت داده شد.

اتصال کووالانسی آنتی بیوتیک بر روی اسکلت پلیمری:

براساس یافته های بدست آمده، سطوح پلیمری اصلاح شده با آنتی بیوتیک، مکانیسم های مختلف مهار تکثیر یا از بین بردن میکروب ها را فراهم می کند. اتصال پنی سیلین به پلی (تترا اوروتیلن) اصلاح شده اخیرآ توسط آسمووان و همکارانش تفسیر شدهاست. سطوح نیز توسط پلاسمای میکروویو در حضور مالئیک انیدرید اصلاح شدند و به دنبال آن، هیدرولیز سطحی برای تولید گروه های اسید کربوکسیلیک، ارزیابی بعدی با PEG و اتصال نهایی پنی سیلین به گروه هیدروکسیل PEG ترمینال انجام شد. فعالیت ضد میکروبی سطوح با استفاده از استافیلوکوکوس اورئوس مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که تحرک ایجاد شده توسط اسپسیر PEG در این پلتفرم را بسیار اثربخش کرده است. همین رویکرد به آنتی بیوتیک آمپی سیلین تعمیم داده شد و سیستم عامل جدید در برابر طیف وسیعی از میکروارگانیسم های گرم منفی و مثبت آزمایش شد. یکی از مزایای این سطوح طراحی شده، تأثیر بالای بدست آمده با مقادیر کمتری از آنتی بیوتیک متصل به سطح، درمقایسه با آنتی بیوتیک های مورد استفاده در اشکال دیگر مانند محلول است. با این حال، بی حرکتی کووالانسی در ماده فعال می تواند به دلیل مانع استریک یا عدم توانایی در تعامل با اهداف داخلی سلول منجر به کاهش فعالیت شود. اگرچه این امر می تواند با کمک مولکول های اتصال دهندۀ طولانی برای جفت کردن مؤلفه های فعال با سطح تا حدی کاهش یابد، این تعداد مواد ضد میکروبی مناسب برای بی حرکتی را در مواردی که ورود به سیتوپلاسم برای فعال شدن ضرورتی ندارد، محدود می کند. علاوه براین، استراتژی های بی حرکتی کووالانسی به دلیل چسبیدن بقایای باکتری ها بر روی سطح، از رسوب زیستی رنج می برند؛ در نتیجه، از اثربخشی پوشش ها کاسته می شود.

پلیمرها نقش بسزایی در طراحی و ایجاد سطوح ضد رسوبی و ضد میکروبی دارند. پلیمرهای زیست توده بر کاهش چسبندگی پروتئین ها و باکتری ها بدون از بین بردن آنها متمرکز هستند؛ در حالی که پلیمرهای زیست فعال ایجاد شده ازطریق بی حرکتی آنتی بیوتیک ها و عوامل ضد میکروبی می توانند باکتری های موجود را از بین ببرند. در رویکردهای کلی برای کاهش جذب پروتئین، پیوند باکتری و تشکیل بیوفیلم در سطوح شامل اصلاح سطح توسط پلیمرهای آبدوست یا کوپلیمرهای بلوک متشکل از زنجیره های انعطاف پذیر کاملآ هیدراته با انرژی های سطحی نفوذ آب - پلیمر کم می شود. هیدراسیون سطح بعنوان عامل غالب برای پلیمرهای زنجیره کوتاه قلمداد می شود،؛ در حالی که برای پلیمرهای زنجیره بلند، هیدراسیون سطحی و دافعه استریک بطور هم افزایی عمل می کند. یک اثر هیدراسیون مشابه توسط پلیمرهای شارژ شده و زیتریونیک مشاهده می شود که شبکۀ پیوند هیدروژنی از آب را در مجاورت سطح تشکیل می دهد؛ به استثنای پروتئین ها یا باکتری ها در مجاورت رابط ها. از طرف دیگر، اعتقاد بر این است که مکانیسم از بین بردن تماس آمین های کواترنر با ایجاد اختلال در غشای سلول باعث آزاد شدن محتوای درون سلولی ارگانیسم ها می شود که ازطریق پلی کاسیون در محلول حاصل شده است. اتصال کووالانسی عوامل ضد میکروبی بر روی سطح پلیمری می تواند کنترل بیشتری بر روی شیمی سطح و همچنین ماندگاری طولانی مدت در برابر باکتری ایجاد کند. با این حال برای اثر ضد میکروبی دائمی، میکروارگانیسم های از بین رفته بایستی از سطح پوشش داده شده خارج شوند تا فعالیت اضافۀ پوشش حفظ شود. سیستم عامل های جدید برای حل این مشکل ساخته شده اند که پلیمرهای زیست تراکم و زیست فعال را با هم ترکیب می کند و منجر به ایجاد سطوح پلیمری تغییر پذیر می شود.