سلامتی نیاز اساسی هر انسان است که رشد سریع پاتوژن های مضر و اثرات جدی آنها بر سلامتی چالش مهمی در علم مدرن محسوب می شود. عفونت های میکروارگانیسم های بیماری زا از طرق مختلفی من جمله تجهیزات پزشکی، داروها، سطوح یا تجهیزات بیمارستان، ترمیم دندان، تجهیزات جراحی، محصولات مراقبت های بهداشتی و حتی تجهیزات بهداشتی (مانند سیستم های تصفیه آب، منسوجات، مواد غذایی، بسته بندی) منتقل می شوند. پلیمرهای ضد میکروبی موادی هستند که قابلیت کشتن یا ممانعت از رشد میکروب ها را در سطح یا محیط اطراف خود دارند. اخیرآ، این پلیمرها در تحقیقات دانشگاهی و صنعت بسیار مورد توجه واقع شده اند و مشخص شده است که از لحاظ افزایش کارایی، کاهش سمیّت، کاهش مشکلات زیست محیطی، مقاومت و طول عمر بالا، عملکرد بهتری نسبت به همتایان مولکولی کوچک خود دارند. بر همین اساس، برای توسعه پلیمرهای ضد میکروبی با تمام خواص مورد نظر با هدف بهینه سازی عملکرد آنها تلاش می شود. در این مطالعه، به بررسی پلیمرهای ضد میکروبی مختلف، مکانیسم آنها و عوامل مؤثر بر فعالیت ضد میکروبی و کاربرد آنها در حوزه های مختلف پرداخته شده است. همچنین، پیشرفت های اخیر این پلیمرها را نیز بیان می کند.
آلودگی توسط میکروارگانیسم ها به یک مبحث نگران کنندۀ روزافزون در حوزه های مرتبط با سلامت انسان مانند بیمارستان ها، تجهیزات پزشکی، داروها، سطوح یا تجهیزات بیمارستان، ترمیم دندان، تجهیزات جراحی، محصولات مراقبت های بهداشتی و حتی تجهیزات بهداشتی تبدیل شده است. وجود میکروارگانیسم های مضر در این موارد ذکر شده باعث ایجاد انواع عفونت و بیماری شده است. افزایش سریع مقاومت آنتی بیوتیکی در آنها شرایط را پیچیده تر می کند. از این رو، نکات بهداشتی در این موارد به منظور حذف آلودگی بایستی رعایت شود. ضد عفونی کننده هایی مانند هیپوکلریت، پراکسید هیدروژن، ترکیبات آمونیوم چهارتایی، نمک های نقره یا دیگر گونه های اکسیژن فعال آزمایش شدند اما محدودیت هایی هم دارند من جمله تأثیر موقت و ایمنی محیط برای استفاده از آنها. از طرفی، برای توسعه ماکرومولکول های جدید با خواص ضد میکروبی و اصلاح ساختاری پلیمرهای شناخته شده برای دستیابی به خواص بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی مطلوب تلاش شد. پلیمرهای ضد میکروبی موادی هستند که قادر به کشتن یا ممانعت از رشد میکروب ها در سطوح یا محیط اطراف هستند. آنها به طور بالقوه ظرفیت نمایش فعالیت ضد میکروبی مانند کیتوزان، ترکیبات گروه های نیتروژن چهارتایی، هالامین ها و پلی لیزین (ɛ-PL) را دارند یا می توانند بعنوان ستون فقرات بین ترکیبات بیوسیدها و آنتی بیوتیک های کوچک برای نمایش فعالیت خود عمل کنند. بونیلا و همکارانش مواد ضد میکروبی را به این صورت طبقه بندی کرده اند:
الف) فعالیت ضد میکروبی خود را نشان می دهند
ب) مواردی که فعالیت بیوسیدال آنها از طریق اصلاح شیمیایی انجام می شود
ج) مواردی که ترکیبات آلی ضد میکروبی با وزن مولکولی (Mw) کم یا زیاد دارند
د) آنهایی که شامل افزودن سیستم های معدنی فعال هستند.
تیمو فیوا و همکارانش نیز مکانیسم عمل پلیمرهای ضد میکروبی انتخابی و سطوح میکروب کش غیرقابل شستشو و عوامل مؤثر بر فعالیت و سمیّت آنها را مورد بررسی قرار داده اند. پلیمرهای ضد میکروبی که در اینجا بررسی شده اند شامل پلیمرهای طبیعی جایگزین/ اصلاح شده، پلیمرهای ضد میکروبی حاوی چندین واحد بیوسید متصل به ستون فقرات، پلیمرهایی با واحد بیوسید terminal satellite، کامپوزیت پلیمر-آنتی بیوتیک و کامپوزیت های ضد میکروبی پلیمر- غیر آلی می شوند. این مقاله بر طبقه بندی اصلی پلیمرهای ضد میکروبی، مکانیسم اثر آنها، الزامات طراحی، کاربردهای تجاری و شرایط بالینی آنها تمرکز دارد.
پلیمرهایی با فعالیت ضد میکروبی بالقوه
فهرستی از پلیمرهای مختلف با خواص ضد میکروبی در جدول زیر ارائه شده است.
جدول 1:
پلیمرهای طبیعی
کیتوزان:
کیتوزان یک پلیمر پرکاربرد در حوزه پزشکی است که توسط روژه در سال 1859 کشف شد. یک کوپلیمر خطی یا پلی کاتیونی هترو پلی ساکارید از دی گلوکزامین با پیوند 1-4 بتا و دی گلوکزامین ان استیل که از طریق دی اسیلاسیون آلکالین در کتین بدست می آید، است. تعداد گروه های آمین در کیتوزان نقش مهمی در تنظیم خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی بیوپلیمر ایفا می کنند. گروه آمین مهم ترین سایت برای اصلاح است و تطبیق پذیری را برای کاربردهای بیشتر فراهم می کند. فعالیت ضد باکتریایی گستردۀ کیتوزان اولین بار توسط آلن پیشنهاد شد. فعالیت ضد میکروبی کیتوزان در برابر بسیاری از باکتری ها، قارچ های رشته ای و مخمرها مشاهده شده است. به نظر می رسد که باکتری ها از لحاظ عملکرد ضد میکروبی کیتوزان، در مقایسه با قارچ ها حساسیت کمتری دارند. عملکرد باکتری کشی کیتوزان به عوامل مرتبط با پلیمر مانند چگالی بار مثبت، وزن مولکولی، غلظت، آب دوستی/ آب گریزی، ظرفیت کیلاسیون و وضعیت فیزیکی پلیمر بستگی دارد. عوامل دیگری مانند قدرت یونی در محیط، pH، دما، زمان واکنش و نوع میکروب نیز در اثربخشی باکتری کشی این پلیمر نقش دارند. در دیگر بخش های این مقاله به تفصیل به بررسی این عوامل پرداخته شده است. با توجه به شکل زیر، مکانیسم های مختلفی همچون برهمکنش الکترواستاتیک، اثر کیلاسیون و اثر آب گریز بودن برای عملکرد ضد باکتریایی کیتوزان پیشنهاد شده است.
شکل 1:
در صورتی که pH محیط کمتر از pka باشد، پروتونه شدن گروه های آمینه اتفاق می افتد و برهمکنش الکترواستاتیکی بین پلیمر و دیواره سلولی باکتری به مکانیسم اصلی عملکرد تبدیل می شود. اما اگر pH بالاتر از pka باشد، پروتوناسیون قابل ملاحظه ای رخ نمی دهد. تعامل آب گریزی و کیلاسیون منجر به فعالیت ضد میکروبی کیتوزان می شود؛ این دو اثربخشی تفسیر معقولی برای فعالیت بیشتر مشتقات کیتوزان در صورت pH خنثی یا بالاتر نسبت به کیتوزان نرمال را ارائه می دهند.
ɛ-PL:
پلی ɛ لیزین (ɛ-PL) یک همو پلی آمید کاتیونی طبیعی لیزین با پیوند آمیدی بین گروه های آمینو ɛ و کربوکسیل α است. اولین ظهور آن در باکتری رشته ای Streptomyces albulus در حین غربالگری معرف دراگندورف گزارش شد. بعدها، گونه های استرپتومیستاسه و قارچ ارگوت ɛ-PL را به وجود آوردند که یک پلیمر حرارتی پایدار، زیست تخریب پذیر، محلول در آب، خوراکی و غیر سمّی است. در pH آلکالین، ɛ-PL در ساختار ورق β در pH بالاتر از pka گروه آمینو α به ورق β ضد موازی تبدیل می شود؛ در حالی که در pH اسیدی یک ترکیب منبسط شدۀ الکترواستاتیکی مشاهده می شود. در مقایسه با آلفا پلی ɛ لیزین، که عمدتآ در انتقال ژن کاربرد دارد، ɛ-PL در غلظت های 8-1 میکروگرم/ میلی لیتر اثربخشی بالاتری در برابر باکتری های گِرَم مثبت و گِرَم منفی دارد. همچنین به اسپورهای باسیلوس گاگولانز، باسیلوس استروترموفیلوس و باسیلوس سابتیلیس به ترتیب در غلظت های 12.5، 2.5 و 12و5 میکروگرم بر میلی لیتر واکنش نشان می دهد.
پلیمرهای ضد میکروبی طیف وسیعی از کلاس ها و کاربردها را در زمینه های الیاف، سیستم های تصفیه آب، نساجی، بسته بندی مواد غذایی، سورفکتانت ها و مواد شوینده، تجهیزات جراحی و دارویی ارائه می دهند. این پلیمرهای ضد میکروبی در مقایسه با عوامل ضد میکروبی مولکولی کوچک با اثربخشی موقت و سمیّت محیطی، اثربخشی طولانی تری با سمیّت اندک دارند. ظهور گونه های مقاوم یکی از مشکلات اساسی آنتی بیوتیک های مولکولی کوچک با توجه به عملکرد آنها است، در حالی که پلیمرهای ضد میکروبی به طور فیزیکی غشای سلولی ارگانیسم را تخریب می کنند که از رشد میکروب های مقاوم به دارو جلوگیری می کند. با توجه به مزایای این پلیمرها، برای اعمال این پلیمرها بعنوان سطوح قابل لمس در وسایل پزشکی، الیاف و منسوجات تلاش شده است. چندین پلیمر کامپوزیتی اصلاح شده نیز برای تأمین نیازهای این سطوح توسعه یافته اند. این تغییرات، از یک طرف تطبیق پذیری زیادی را برای این پلیمرها فراهم می کنند تا در زمینه های مختلف به کار گرفته شوند و از طرف دیگر، فرصت های تحقیقاتی بی شماری را فراهم می کند. با این حال، دستیابی به یک مادۀ بی ضرر، غیر سمی، زیست سازگار با طیف گسترده ای از فعالیت های ضد میکروبی، اثربخشی طولانی مدت و حتی قابل بازیافت بسیار مهم است.
