PL 221845 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 221845 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 401751 (22) Data zgłoszenia: 26.11.2012 (51) Int.Cl. D06M 14/00 (2006.01) D06M 16/00 (2006.01) A61L 17/00 (2006.01) (54) Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 09.06.2014 BUP 12/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.06.2016 WUP 06/16 (72) Twórca(y) wynalazku: DAWID STAWSKI, Łódź, PL STEFAN POŁOWIŃSKI, Łódź, PL DOROTA WOJCIECHOWSKA, Bielsko-Biała, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Ewa Kaczur-Kaczyńska
2 PL 221 845 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych. Produkty o działaniu antybakteryjnym, jak również bakteriostatycznym znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia, przede wszystkim w praktyce szpitalnej jako materiały opatrunkowe lub materiały o innym przeznaczeniu, ale coraz częściej produkowane są także antybakteryjne ubrania, bielizna, tekstylne przedmioty użytku codziennego. Do wytwarzania produktów o działaniu antybakteryjnym stosuje się różnego rodzaju środki antybakteryjne, zróżnicowane pod względem efektywności, mechanizmu działania, trwałości użytkowania, sposobu aplikacji na produkt oraz oddziaływania bakteriobójczego lub też bakteriostatycznego. Jako środki bakteriobójcze rozumiane są te, które zabijają bakterie i mikroorganizmy; są wśród nich środki wyjaławiające, dezynfekujące, antyseptyczne oraz leki bakteriobójcze antybiotyki i chemioterapeutyki. Substancje bakteriostatyczne, w przeciwieństwie do bakteriobójczych, jedynie hamują rozwój i rozmnażanie się bakterii oraz mikroorganizmów. Ze względu na wpływ środka antybakteryjnego lub bakteriostatycznego na żywy organizm, obok doboru odpowiedniego środka, istotny jest także dobór sposobu jego przyłączenia do wyrobu. W przypadku gdy czynnik antybakteryjny wprowadzony do materiału nie tworzy trwałych wiązań, a jedynie podlega stopniowemu uwalnianiu z matrycy, dochodzić może do uodpornienia mikroorganizmów na jego działanie wskutek nieprzekraczania poziomu MIC minimalnego stężenia hamującego. Natomiast czynnik antybakteryjny trwale połączony z materiałem wiązaniami chemicznymi będzie chronił taki materiał przed mikroorganizmami. Zbyt duże stężenie środka antybakteryjnego albo użycie niewłaściwego środka, zwłaszcza niebezpiecznego, może spowodować zbytnie wyjałowienie organizmu i przyczynić się do działania odwrotnego niż zamierzone. Szczególną ostrożność należy zachować przy stosowaniu środków antybakteryjnych nowych, nie do końca poznanych. Jak chodzi natomiast o wpływ wielkości cząstek środka antybakteryjnego na żywy organizm, to środki antybakteryjne w postaci nanometrycznej uważane są za zdolne do przenikania bariery krew-mózg, depozycji w mózgu oraz innych tkankach, zależnie od dawki i sposobu podania. Stąd też coraz większe zainteresowanie budzą polimerowe związki syntetyczne o działaniu antybakteryjnym. Znany jest sposób wytwarzania wyrobów włókienniczych o właściwościach antybakteryjnych i antygrzybiczych, polegający na przygotowaniu stopu tworzywa, z którego ma być formowane włókno, wprowadzeniu środka mikrobójczego do tego stopu i następnie formowaniu włókien z tego stopu. Jako środki mikrobójcze stosuje się zwykle nanometryczne cząstki srebra lub tlenku cynku. Większość mikromikrobójczych związków organicznych ulega rozkładowi w wysokiej temperaturze formowania włókien. Znane jest także wprowadzanie środka bakteriobójczego do gotowych wyrobów włókienniczych. I tak znane jest osadzanie środków mikrobójczych, w postaci srebra lub czwartorzędowanych polimerów aminowych, na powierzchni włókien i następnie utrwalanie wiązania tych środków z włóknem za pomocą środków wiążących. Z opisu patentowego PL 174680 jest znane nadawanie właściwości antybakteryjnych włóknom poliamidowym, poliestrowym, poliakrylonitrylowym w drodze napawania włókien kąpielą zawierającą biocyd szeregu nitrofuranowego. Z opisu patentowego PL 179483 jest znane nadawanie włóknom syntetycznym właściwości antybakteryjnych, polegające na wytworzeniu na włóknach centrów aktywnych w postaci nadtlenków i wodoronadtlenków, następnie wprowadzaniu na włókna grup kwasowych w drodze szczepienia na nich monomeru winylowego i w końcu napawaniu włókien roztworem antybiotyku. W opisie patentowym PL 211651 nadaje się wyrobom włókienniczym, jak nici, włókniny lub tkaniny, właściwości antybakteryjne i antygrzybicze w drodze naniesienia na ich powierzchnię, w procesie ich barwienia, lapacholu lub mieszaniny lapacholu z lawsonem. Z czasopisma Biomacromolecules 2010, 11, 443 453 wiadomo, iż poli[2-(n,n-dimetyloamino)- metakrylan etylu] (PDAMA) wykazuje działanie antybakteryjne w odniesieniu do Gram-dodatnich i Gram-ujemnych bakterii. Znane są zastosowania specjalne PDAMA, w tym medyczne i sensoryczne. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych, z włókniny w drodze nanoszenia na jej powierzchnię środka antybakteryjnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na powierzchnię włókniny z mikrowłókien, o masie powierzchniowej 20 80 g/m 2, korzystnie 28 g/m 2, po jej wysuszeniu, nanosi się 0,2 1,5%, korzystnie 0,5% wodny roztwór poli[2-(n,n-
PL 221 845 B1 3 -dimetyloamino) metakrylanu etylu] (PDAMA) metodą napawania, depozycji (osadzania) lub natryskiwania w czasie co najmniej 15 minut, po czym suszy się materiał w temperaturze 20 50 C, korzystnie 20 30 C i ewentualnie nanosi się kolejne warstwy o działaniu antybakteryjnym oraz suszy materiał po naniesieniu każdej warstwy w temperaturze podanej wyżej, przy czym kolejne warstwy nanosi się tak, aby warstwa PDAMA, z uwagi na najskuteczniejsze działanie antybakteryjne, stanowiła warstwę wierzchnią. Jako materiał bazowy stosuje się włókninę otrzymaną metodą melt-blown, spun-bonded, klasyczną techniką włókninową, elektroprzędzenia z roztworu i ze stopu, metodą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro z polimerów biodegradowalnych, takich jak poli-l kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) kwasu mlekowego, mieszanka polimeru złożonego z (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), kopolimer poli(l-dl) kwasu mlekowego z poli(kwasem glikolowym) oraz kopolimery lub mieszanki poli(kwasu mlekowego) z biodegradowalnymi polimerami, jak polikaprolakton (PCL), poliglikolid (PGA), polihydroksyalkanolany (PHA), zwłaszcza polihydroksymaślan (PHB), a także z polimerów biostabilnych, korzystnie z polipropylenu (PP). Jako kolejne warstwy antybakteryjne nanosi się na przemian warstwę srebra przez zanurzenie w 10% roztworze tlenku srebra w roztworze wodnym poli(kwasu akrylowego) na czas co najmniej 15 minut, w którym następnie przeprowadza się redukcję srebra kwasem galusowym w temperaturze 50 C w czasie 15 minut lub przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut, oraz warstwę PDAMA postępując jak opisano wyżej. Sposobem według wynalazku otrzymuje się materiał kompozytowy zawierający warstwę materiału włóknistego z naniesioną polimerową warstwą antybakteryjną oraz ewentualnie kolejnymi warstwami o działaniu antybakteryjnym. Włókniny modyfikowane powierzchniowo przy zastosowaniu PDAMA jako czynnika antybakteryjnego wykazują, w porównaniu z wyrobami modyfikowanymi dotychczasowymi metodami, lepszą skuteczność antybakteryjną, a nadto modyfikacja sposobem według wynalazku jest mniej skomplikowana z aplikacyjnego punktu widzenia. Materiał kompozytowy otrzymany w wyniku stosowania sposobu według wynalazku znajduje zastosowanie zwłaszcza do celów filtracyjnych, ale także medycznych. Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek przedstawiający zdjęcia SEM włókniny bez naniesionych warstw antybakteryjnych i włókniny z naniesionymi warstwami antybakteryjnymi. P r z y k ł a d I Polimer poli[2-(n,n-dimetyloamino) metakrylan etylu] (PDAMA) otrzymano w wyniku polimeryzacji metakrylanu dimetyloaminoetylu z zastosowaniem 2,2'-azobisizobutylonitrylu (AIBN) jako inicjatora. Otrzymano PDAMA o wagowo średniej masie cząsteczkowej M w = 63 000 g/mol. Materiał włóknisty wytworzony z mikrowłókien polipropylenowych (PP) o średnicy 9,65 m, o masie powierzchniowej 27,9 g/m 2, otrzymano przy zastosowaniu techniki melt-blown. Przygotowano 0,5% roztwór wodny PDAMA. Następnie materiał włóknisty zanurzono na czas 15 minut w roztworze PDAMA, po czym otrzymaną próbkę wysuszono. P r z y k ł a d II Polimer, próbkę włóknistą oraz roztwór PDAMA przygotowano postępując jak w przykładzie I. W celu naniesienia kolejnych warstw antybakteryjnych przygotowano 10% roztwór soli srebra w poli(kwasie akrylowym) (PAA-Ag) poprzez rozpuszczenie tlenku srebra(i) (Ag 2 O) w roztworze poli(kwasu akrylowego). Następnie materiał włóknisty, na który naniesiono uprzednio warstwę z PDAMA postępując jak w przykładzie I, po wysuszeniu, zanurzono na czas 15 minut w roztworze PAA-Ag, w którym następnie zredukowano srebro poprzez obróbkę kwasem galusowym w temperaturze 50 C w czasie 15 minut. Otrzymaną próbkę wysuszono. Przygotowano także próbkę zawierającą dwie warstwy PDAMA i jedną warstwę srebra, w której warstwy PDAMA stanowiły warstwę wierzchnią i spodnią warstwę srebra nanoszono przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut (srebro wiązało się w tym przypadku z warstwą PDAMA w wyniku oddziaływań elektrostatycznych). Nadto przygotowano próbkę zawierającą dwie warstwy PDAMA i dwie warstwy srebra, w której kolejność warstw od powierzchni w głąb próbki była następująca: warstwa PDAMA, warstwa srebra, warstwa PDAMA, warstwa srebra warstwy srebra nanoszono w tym przypadku także z zolu srebra. P r z y k ł a d III Polimer, oraz roztwór PDAMA przygotowano postępując jak w przykładzie I. Materiał włóknisty z mikrowłókien z PLA o średnicy około 24 25 m, o masie powierzchniowej 90 100 g/m 2, otrzymano techniką igłowania czyli klasyczną metodą otrzymywania włóknin. Naniesienie warstwy z PDAMA przeprowadzono analogicznie jak w przykładzie I.
4 PL 221 845 B1 Następnie określono ładunek elektryczny, zbadano budowę chemiczną, strukturę makroskopową oraz właściwości antybakteryjne kompozytów otrzymanych w przykładach I III. W celu określenia ładunku elektrycznego oraz potencjału przepływu kompozytów otrzymanych w przykładach I II zastosowano analizator ładunku cząstek aparat Mütek PCD 03. Kompozyty przygotowano w formie suspensji, po czym miareczkowano aż do neutralizacji. Ilość ładunku w odniesieniu do masy 1 g wyznaczono z zależności: w której a oznacza ilość roztworu zużytego do miareczkowania w celu osiągnięcia punktu neutra l- nego, cm 3, m oznacza masę kompozytu, g. W celu przeprowadzenia analizy chemicznej oraz morfologicznej powierzchni kompozytów otrzymanych w przykładach I II posłużono się skaningowym mikroskopem elektronowym Nova Nano- SEM, a także zastosowano detektor EDS. Widma EDS kompozytów otrzymanych w przykładach I II oraz włókniny PP bez warstw antybakteryjnych przedstawiono poniżej.
PL 221 845 B1 5 Wyniki analizy poniższych widm, które są widmami elementarnej analizy jakościowej węgla, tlenu i srebra kompozytów otrzymanych w przykładach I II i włókniny PP są następujące. W widmie włókniny PP widoczne są tylko charakterystyczne linie węgla K, co jest typowe dla makrocząsteczki poliolefinowej. W widmie kompozytu z jedną warstwą PDAMA obserwuje się linie O K, przy czym analiza ilościowa informuje o 6% zawartości tlenu na powierzchni badanego kompozytu. Widmo kompozytu zawierającego warstwę PDAMA i warstwę srebra zawiera dodatkowo linie L, L, L oraz silniejszy pik linii O K, charakterystyczny dla PDAMA; analiza ilościowa wykazuje obecność 4% srebra. Z widma kompozytu zawierającego warstwy PDAMA, srebro, PDAMA i srebro wynika, iż zawiera 17% tlenu i 9% srebra. Zauważono, że warstwy PDAMA osadzone na poprzedzającej ją warstwie srebra wyraźnie dają się zaobserwować metodą EDS poprzez spadek zawartości srebra z 4% do 3%, oraz znaczący wzrost tlenu z 7% do 14%. W celu zbadania budowy chemicznej kompozytu zawierającego jedną warstwę PDAMA i dla porównania włókniny bez warstw antybakteryjnych wykonano widma FTIR ATR na aparacie Perkin Elmer System 2000 z zastosowaniem przystawki wielokrotnego odbicia. Widma te przedstawiono poniżej. Poszczególne widma stanowiły średnią z 10 skanów kompozytu. W widmie kompozytu pojawił się sygnał 1729 cm -1, pochodzący od grupy karbonylowej z makrocząsteczki PDAMA, który nie jest widoczny w przypadku widma samej włókniny. Właściwości antybakteryjne kompozytów otrzymanych w przykładach I II zbadano w oparciu o standardy ASTM E2149-10: Standard Test Method for Determining the Antimicrobial Activity of Immobilized Antimicrobial Agents Under Dynamic Contact Conditions. Użyto bakterie Staphylococcus aureus (ATCC No. 6538). Kompozyty otrzymane w przykładach I II, w tym jeden z kompozytów po praniu, oraz włókninę PP bez warstw antybakteryjnych dodano do 50 ml inokulum bakterii i wytrząsano przez 1 godzinę w kolbach Erlenmeyera. Po wstrząsaniu inokulum natychmiast rozcieńczono, umieszczono na płytkach Petriego i hodowano w temperaturze 35 C przez 24 godziny w celu określenia liczby jednostek tworzących kolonie / ml (CFU ml -1 ). Bakteryjne stężenie roztworu w czasie "0" oznaczono wykonując seryjne rozcieńczenia i stosując standardową liczbę bakterii tylko z inokulum. Wyniki testu antybakteryjnego przedstawiono jako procentowe zmniejszenie (R%): A CFU ml -1 dla kolby zawierającej kompozyty po określonym czasie kontaktu, B CFU ml -1 inokulum dla kolby po określonym czasie kontaktu. Wyniki badań właściwości antybakteryjnych przedstawiono w poniższej tablicy I.
6 PL 221 845 B1 Nr próbki T a b l i c a I Skład Początkowe CFU/ml Antybakteryjność Końcowe CFU/ml 1 PP 508 000 406 000 20 2 PP-PDAMA 440 000 0 100 3 PP-PDAMA-Ag 634 000 520 000 18 4 PP-PDAMA-Ag prana 638 000 508 000 20 5 PP-PDAMA-Ag-PDAMA 454 000 0 100 6 PP-PDAMA-Ag-PDAMA-Ag 558 000 342 000 39 Redukcja bakterii, % W celu wyznaczenia potencjału przepływu, rodzaju ładunku elektrycznego i ilości ładunku kompozyty otrzymane w przykładach I II oraz włókninę PP bez warstw antybakteryjnych ponumerowano jak w poniższej tablicy II: Nr próbki T a b l i c a II Ilość warstw 1 2 3 4 1 2 PDAMA 3 PDAMA Ag 4 PDAMA Ag + pranie 5 PDAMA Ag PDAMA 6 PDAMA Ag PDAMA Ag Wyniki pomiarów potencjału przepływu, rodzaj ładunku elektrycznego i ilości ładunku przedstawiono w tablicy III. T a b l i c a III Nr próbki Rodzaj ładunku Właściwości elektrokinetyczne Potencjał strumieniowy (mv) 1-513 4 2 + +534 20 3 i 4-1693 48 5 + +638 44 6-221 4 Ilość ładunku (eq/g) x 10 6 Z analizy właściwości elektrokinetycznych włókniny PP i kompozytów otrzymanych w przykładach I II wynika, iż włóknina PP (1) charakteryzuje się ujemnym ładunkiem o niewielkiej wartości. Po osadzeniu warstwy PDAMA (2) postać powierzchni zostaje zmodyfikowana pod względem wartości i znaku ładunku. Kompozyt z naniesioną dodatkowo warstwą srebra (3 i 4) odznacza się ujemnym ładunkiem i dużą liczbą konkretnego ładunku. Natomiast w kompozycie zawierającym dwie warstwy PDAMA i dwie warstwy srebra (6) dochodzi do zmniejszenia liczby ładunków, co może być związane z nieprawidłowym pokryciem powierzchni badanego kompozytu. Ważne informacje na temat nieprawidłowości w pokryciu powierzchni widoczne są na zdjęciach SEM przedstawionych na rysunku, na którym a) oznacza zdjęcie włókniny PP bez warstw antybakteryjnych, b) zdjęcie kompozytu z jedną warstwą PDAMA, c) zdjęcie kompozytu z warstwą PDAMA i warstwą srebra, d) zdjęcie kompozytu
PL 221 845 B1 7 z 3 warstwami: PDAMA, srebro i PDAMA, e) zdjęcie kompozytu z 4 warstwami: PDAMA, srebro, PDAMA, srebro. Wyniki uzyskane dla kompozytów zawierających w swojej zewnętrznej warstwie srebro (próbki 3 i 4 w tablicy II) są zaskakujące, podobne do wyników dla samej włókniny (próbka 1 w tablicy II). Przyczyną takiego stanu rzeczy jest najprawdopodobniej stosowanie różnych metod osadzania srebra. Sposób redukcji poliakrylanu srebra nie był wydajny lub też srebro nie odkładało się w odpowiedniej formie. Kompozyty, których warstwę zewnętrzną stanowił PDAMA (próbki 2 i 5 w tablicy II) wykazują doskonałe działanie przeciwbakteryjne wobec Staphylococcus aureus. Wyniki otrzymane dla kompozytów z warstwą PDAMA wyraźnie potwierdzają silne działanie antybakteryjne polimeru. Dla kompozytu (próbka 6 w tablicy II), procent spadku zawartości bakterii jest większy niż w innych próbkach zawierających w swojej zewnętrznej warstwie srebro. Spowodowane jest prawdopodobnie obecnością PDAMA w poprzednich (głębszych) warstwach badanego kompozytu. Wyniki badań właściwości antybakteryjnych w ujęciu dynamicznym dla kompozytów zawierających różne ilości PDAMA i dla włókniny igłowanej bez PDAMA podano w tablicy IV. Właściwości antybakteryjne określono dla bakterii gram(+) Bacillus subtilis. Badania przeprowadzono na bazie PN-EN ISO 20743. Badane kompozyty wykazały własności bakteriostatyczne w stosunku do próby kontrolnej. Nr próbki T a b l i c a IV Rodzaj próbki Masa powierzchniowa próbki (g/m 2 ) Zawartość środka modyfikującego PDAMA (%) Bacillus subtilis Gęstość optyczna zawiesiny bakteryjnej (zmętnienie) przy =660 nm Stężenie bakterii w 1 ml pożywki 1 Kontrola 0,843 2,6 x 10 9 2 Zerowa niemodyfikowana 3 Włóknina z włókien modyfikowanych, przerobionych w postać włókniny igłowej 4 Włóknina igłowa modyfikowana 5 Włóknina igłowa modyfikowana 6 Włóknina igłowa modyfikowana 7 Włóknina igłowa modyfikowana 82 0 0,498 3,1 x 10 8 80 1,54 0,261 2,7 x 10 6 39 2,71 0,321 5,4 x 10 7 39 3,85 0,241 2,4 x 10 6 82 2,68 0,228 1,6 x 10 6 82 4,10 0,236 1,4 x 10 6 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego o właściwościach antybakteryjnych, z włókniny w drodze nanoszenia na jej powierzchnię środka antybakteryjnego, znamienny tym, że na powierzchnię włókniny z mikrowłókien, o masie powierzchniowej 20 80 g/m 2, korzystnie 28 g/m 2, po jej wysuszeniu, nanosi się 0,2 1,5%, korzystnie 0,5% wodny roztwór poli[2-(n,n-dimetyloamino)metakrylanu etylu] metodą napawania, depozycji lub natryskiwania w czasie co najmniej 15 minut, po czym suszy się materiał w temperaturze 20 50 C, korzystnie 20 30 C i ewentualnie nanosi się kolejne warstwy o działaniu antybakteryjnym oraz suszy materiał po naniesieniu każdej warstwy w temperaturze podanej wyżej, przy czym kolejne warstwy nanosi się tak, aby warstwa z poli[2-(n,n- -dimetyloamino) metakrylanu etylu] stanowiła warstwę wierzchnią. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się włókninę otrzymaną metodą melt- -blown, spun-bonded, klasyczną techniką włókninową, elektroprzędzenia z roztworu i ze stopu, meto-
8 PL 221 845 B1 dą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro, z polimerów biodegradowalnych, takich jak poli-l kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) kwasu mlekowego, mieszanka polimeru złożonego z (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), kopolimer poli(l-dl) kwasu mlekowego z poli(kwasem glikolowym) oraz kopolimery lub mieszanki poli(kwasu mlekowego) z biodegradowalnymi polimerami, jak polikaprolakton, poliglikolid, polihydroksyalkanolany, zwłaszcza polihydroksymaślan, a także z polimerów biostabilnych, korzystnie z polipropylenu. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kolejne warstwy antybakteryjne nanosi się na przemian warstwę srebra przez zanurzenie w 10% roztworze tlenku srebra w roztworze wodnym poli(kwasu akrylowego) na czas co najmniej 15 minut, w którym następnie przeprowadza się redukcję srebra kwasem galusowym w temperaturze 50 C w czasie 15 minut, lub przez zanurzenie w zolu srebra na czas 15 minut, oraz warstwę poli[2-(n,n-dimetyloamino)metakrylanu etylu] postępując jak opisano w zastrzeżeniu 1. Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)