Der bevorstehende Aufstieg antibakterieller und antimikrobieller Materialien

Viren bleiben auf Edelstahl, Kunststoff und ähnlichen harten Oberflächen im Allgemeinen länger aktiv als auf Stoffen und anderen weichen Oberflächen.

Einige Mikroben lebten sogar länger als 90 Tage . Diese Mikroorganismen sind auf Intensivstationen (ICU) endemisch und werden mit einer erhöhten Krankheits- und Todeswahrscheinlichkeit in Verbindung gebracht. Desinfektionsmittel, wie mit Wasserstoffperoxid , sind nicht ideal aufgrund ihrer begrenzten Restwirkung und Umwelttoxizität.

Diese aktuelle Struktur erfordert die Notwendigkeit, Materialien zu erforschen, die eine antimikrobielle Aktivität bieten können , wodurch das Auftreten möglicher Ausbrüche reduziert wird.

Das ideale antibakterielle Material

Antibakterielle Materialien enthalten antimikrobielle Wirkstoffe, die in der Lage sind, Mikroben zu hemmen oder abzutöten auf ihrer Oberfläche oder in ihrer Umgebung. Dies können antimikrobielle Polymere, antibakterielle Kunststoffe, antimikrobielle Nanomaterialien oder antimikrobielle Keramiken sein .

Ein ideales antimikrobielles Material weist die folgenden Merkmale auf:

• sicher zu verwenden;
• billig und einfach zu synthetisieren;
• deckt ein breites Spektrum antimikrobieller Aktivität ab;
• sehr stabil über längere Zeiträume;
• wasserunlöslich (bei Verwendung zur Wasserdesinfektion);
• nicht anfällig für Fäulnis;
• sollten keine giftigen Produkte freisetzen.

Arten von antimikrobiellen Materialien und Beschichtungen

1. Antimikrobielle Polymere

Die vielseitigen makromolekularen Eigenschaften eines Polymers machen es zu einer günstigen Option gegen mikrobielle Kontamination, insbesondere im biomedizinischen Bereich . Auch als polymere Biozide bekannt, können antimikrobielle Polymere das Wachstum von krankheitsverursachenden Mikroorganismen hemmen

Allgemeine Prinzipien antimikrobieller Oberflächen [1].

Materialien, die ohne Veredelung eine antimikrobielle Wirkung zeigen und inhärente selbstreinigende Eigenschaften haben werden als intrinsische antimikrobielle Materialien bezeichnet . Natürliche Polymere, Polymere mit Guanidingruppen, Polymere mit quartären Stickstoffatomen, Polymere mit Halogenen und Polymere, die natürliche Peptide nachahmen, sind einige der vielen Polymermaterialien mit intrinsischer antimikrobieller Aktivität.

Einige natürliche Polymere umfassen Chitosan, Heparin und E-Polylysin . Chitosan-basierte Materialien werden aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit, Ungiftigkeit, Biokompatibilität und antimikrobiellen Aktivität als vielversprechend angesehen.

Polymere antimikrobielle Lebensmittelverpackungen machen ihre Runde, da Unternehmen für ein sichereres Produkt und eine längere Haltbarkeit auf antibakterielle Verpackungen umsteigen.

Die Verleihung einer antimikrobiellen Aktivität an Polymere ist auch durch chemische Modifikationen möglich . Einige Modifikationen umfassen den kovalenten Einbau von antimikrobiellen Mitteln mit niedrigerem Molekulargewicht, die Kopplung von antimikrobiellen Peptiden und das Pfropfen von natürlichen Polymeren in synthetische Polymere.

Polymere antimikrobielle Lebensmittelverpackung macht seine Runde, da Unternehmen auf antibakterielle Verpackungen für ein sichereres Produkt und eine längere Haltbarkeit umsteigen .

Andere Anwendungen von antimikrobiellen Polymeren finden sich in der Schimmelsanierung, bei Pulverbeschichtungen und in der Bauindustrie.

2. Antibakterielle Kunststoffe

a) Antimikrobielle Kunststoffe

Ein antimikrobieller Kunststoff ist ein synthetisches Polymermaterial, das antimikrobielle Zusätze enthält, die es gegen mikrobielles Wachstum wirksam machen . Es weist antibakterielle Eigenschaften auf, indem es die Kommunikation von Zelle zu Zelle durch die Bildung antiadhäsiver Oberflächen unterbricht und dadurch Bakterien abtötet.

Antimikrobielle Kunststoffe in gewerblichen Wasserfiltern.

Antimikrobielle Kunststoffe in kommerzieller Verwendung, wie Hochstühle, Wasserfilter und Aufbewahrungsbehälter für Lebensmittel sind langlebiger als Kunststoffe ohne antimikrobielle Wirkstoffe. Die in thermoplastische und duroplastische Polymere eingemischten Additive wirken minimierend auf das Vorhandensein von Mikroorganismen, die zu einem schnelleren Abbau des Kunststoffs führen, wodurch die funktionelle Lebensdauer eines Kunststoffs weiter verlängert wird . Zu den kompatiblen Kunststoffmaterialien gehören Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS) und Polyethylen (PE/LDPE).

b) Antimikrobielle Biokunststoffe

Albumin, Soja und Molkenprotein dienen als günstige Rohstoffe für die Herstellung von Biokunststoffen. Kunststoffe auf Albuminbasis hemmen das Wachstum von E. coli und Bacillus subtilis auf ihrer Oberfläche , während im Molkenprotein enthaltene Immunglobuline und Glykomakropeptide das Toxin binden und mikrobielle Infektionen verhindern .

CuanTec, ein schottisches blaues Biotech-Unternehmen, stellte einen antimikrobiellen, heimkompostierbaren Ersatz für Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff vor, der auf der Verwendung von Chitin basiert, dem zweithäufigsten natürlichen Biopolymer der Welt. Das Unternehmen extrahiert dieses Chitin aus den Abfallprodukten von Lebensmittelverarbeitern der Schalentierindustrie (Schalen, Köpfe, Krallen, Schwänze – die Teile, die die Menschen nicht essen) und wandelt es in Chitosan um.

Es gibt auch Testmethoden verfügbar, um festzustellen, ob Albumin- oder Molkekunststoffe in Gesundheitssystemen verwendet werden können, z. B. in Verpackungen von Medizinprodukten und Infektionstests für medizinische Anwendungen .

3. Antimikrobielle Keramik

Eine antimikrobielle Keramik ist ein nichtmetallisches festes Material, das mit einem Zusatzstoff in seine Glasur eingearbeitet ist, der es resistent gegen Bakterienwachstum macht . In einer Studie von Drelich et al. wurde gezeigt, dass eine Kupfer-infundierte Keramik könnte als vielversprechendes antibakterielles Produkt zur Wasserdesinfektion dienen.

(a) Schema der drei Schritte bei der Herstellung von antimikrobiellen Keramiksteinen; (b) Keramiksteine; (c) Röntgenbeugungsmuster des bei der Formulierung von Steinen verwendeten Tons; (d) rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Keramiksteins mit Porosität [2].

Kupfer und Kupferverbindungen sollen angeblich eine Vielzahl von Mikroorganismen, einschließlich Bakterien, abtöten (grampositiv und -negativ), Pilze, Viren (behüllt und unbehüllt), Hefe und Sporen .

Es ist in der Lage, 99,9 % der schädlichen Bakterien innerhalb von zwei Stunden abzutöten und über 99 % der Bakterien abzutöten, unabhängig von wiederholtem Kontakt mit der Kupferoberfläche, so die Copper Development Association (CDA). Die Populationen sowohl von Klebsiella pneumoniae als auch von Staphylococcus aureus in kontaminiertem Wasser wurden in 3 Stunden um>99,9 % reduziert, wenn sie dem porösen, mit Kupfer angereicherten, antimikrobiellen Keramikstein ausgesetzt wurden .

Antibakterielle Keramikanwendungen finden sich in Waschbecken, Badewannen, Toiletten, Duschen und Küchengeräten

4. Antimikrobielle Nanomaterialien

a) Organische und anorganische Nanopartikel

Organische Nanopartikel kann Mikroben eliminieren, indem es antimikrobielle Wirkstoffe freisetzt oder kontakt-kationische Oberflächen abtötet . In einem von Jones et al. durchgeführten Experiment wurde Poly-Epsilon-Caprolacton (PCL) mit Poly(N-Vinylpyrrolidon)-Jod gemischt, wodurch den Biomaterialien antibakterielle Eigenschaften verliehen wurden, ohne mechanische oder rheologische Veränderungen Eigenschaften . PCL-Abbau förderte auch die Antiadhärenz von Escherichia coli .

Schematische Darstellung verschiedener Arten von Nanopartikeln (NPs), unterteilt in organische, hybride und anorganische Kategorien [3].

Anorganische Nanopartikel sind stabiler bei höheren Temperaturen als ihre organischen Pendants , sodass sie rauen Verarbeitungsbedingungen standhalten. Daher werden anorganische Nanopartikel häufig als antimikrobielle Materialien verwendet.

b) Metalloxid-Nanopartikel

Metalloxid-Nanopartikel Zell-Membranschäden durch elektrostatische Wechselwirkung verursachen . Das Austreten von Protonen induziert die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die organische Biomoleküle wie Lipide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Proteine ​​schädigen und dadurch das Absterben von Mikroben verursachen

Aluminiumoxid zeigten eine Wachstumshemmung von Escherichia coli. Antimontrioxid ist auch toxisch für Staphylococcus aureus- und Bacillus subtilis-Mikroben. Andere Metalloxid-Nanopartikel wie Kobaltoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Titandioxid und Silber-Nanopartikel zeigten auch vielversprechende Ergebnisse der antimikrobiellen Aktivität.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Metallnanopartikeln, insbesondere von Silbernanopartikeln, auf dem Gebiet der Medizin ist die Verwendung dieser Nanopartikel als antimikrobielle Mittel. Die tödliche Wirkung von Nanopartikeln gegen ein breites Spektrum grampositiver Bakterien, gramnegativer Bakterien und Pilze wurde bestätigt.

Silbernanopartikel haben hervorragende antibakterielle Eigenschaften im Vergleich zu anderen Metallen . Die starke Bindung von Silberionen mit Thiolatgruppen von Proteinen und zellulären Enzymen macht sie zu einem idealen Zusatzstoff in Gesundheitstextilien wie Gesichtsmasken, privaten Vorhängen, Verbänden, Wundverbänden, Bettlaken und anderen Textilien im Zusammenhang mit dem Gesundheitswesen. Im Jahr 2015 machte die Verwendung von Silber in antimikrobiellen Pulverbeschichtungen 50 % des Gesamtumsatzes der Branche aus . Es wird außerdem erwartet, dass es bis 2024 2 Milliarden US-Dollar generieren wird.

Was kommt als nächstes?

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis antibakterielle Materialien, insbesondere auf dem Markt für Oberflächenbeschichtungen, mehr Zugkraft als Primärrohstoff gewinnen, sollten Regierungen strengere Normen zur Durchsetzung von Selbsthygienemaßnahmen einführen .

Darüber hinaus wird es in vielen Branchen wie Bauwesen, Lebensmittelverpackung, Textilien, Schimmelsanierung, Möbel, Küchengeräte und Automobil eingesetzt wird seine Stellung auf dem Weltmarkt weiter stärken.

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