Ett antimikrobiellt tyg med nano-herbal inkapsling av eteriska oljor
Summary
Antimikrobiella laboratorierockar förhindrar korskontaminering av patogenackumulering och oavsiktliga biospill. Här beskriver vi protokollet för att utveckla ett hudvänligt antimikrobiellt tyg med hjälp av nano-herbal inkapsling och modifierade standardtester för att exakt utvärdera effekten och lämpligheten för typisk användning av labbbeläggningen.
Abstract
Labrockar används ofta i biohazardlaboratorier och vårdinrättningar som skyddskläder för att förhindra direkt exponering för patogener, spill och brännskador. Dessa bomullsbaserade skyddsbeläggningar ger idealiska förhållanden för mikrobiell tillväxt och fästplatser på grund av deras porösa natur, fukthållande kapacitet och kvarhållande av värme från användarens kropp. Flera studier har visat överlevnaden av patogena bakterier på sjukhuskläder och labbrockar, som fungerar som vektorer för mikrobiell överföring.
Ett vanligt tillvägagångssätt för att lösa dessa problem är användningen av antimikrobiella medel vid textilbehandling, men farhågor har väckts på grund av toxiciteten och miljöeffekterna av många syntetiska kemikalier. Den pågående pandemin har också öppnat ett fönster för undersökning av effektiva antimikrobiella medel och miljövänliga och toxfria formuleringar. Denna studie använder två naturliga bioaktiva föreningar, carvacrol och tymol, inkapslade i kitosan nanopartiklar, vilket garanterar effektivt skydd mot fyra humana patogener med upp till en 4-log reduktion (99,99%). Dessa patogener upptäcks ofta i laboratorierockar som används i laboratorier för biologisk fara.
De behandlade tygerna motstod också upp till 10 tvättcykler med 90% mikrobiell reduktion, vilket är tillräckligt för avsedd användning. Vi gjorde ändringar i de befintliga standardtygtesterna för att bättre representera de typiska scenarierna för användning av labbbeläggning. Dessa förbättringar möjliggör en mer exakt utvärdering av effektiviteten hos antimikrobiella laboratoriebeläggningar och simulering av ödet för eventuella oavsiktliga mikrobiella spill som måste neutraliseras inom kort tid. Ytterligare studier rekommenderas för att undersöka ackumuleringen av patogener över tid på antimikrobiella laboratorierockar jämfört med vanliga skyddsrockar.
Introduction
Den skyddande vita pälsen är en obligatorisk personlig skyddsutrustning (PPE) i mikrobiologiska laboratorier och vårdinrättningar, och den skyddar mot direkt exponering för patogener, spill och brännskador. Dessa bomullsrockar främjar mikrobiell tillväxt på grund av många faktorer – det vävda tyget ger fästplatser och luftning, bomull och stärkelse som används i tillverkningsprocessen tillsammans med exfolierade epitelceller från användaren levererar näringsämnen, och närheten till användaren ger värme och fukt. Ansamling av mikrober på textilier kan också orsaka hälsoproblem som allergier och nosokomial infektion, obehaglig lukt och tygförsämring1.
Till skillnad från vanliga kläder tvättas eller desinficeras skyddsrockar sällan, vilket finns i många undersökningar 2,3. Många studier visar bevis på laboratorierockar som fungerar som en vektor för mikrobiell överföring och risken för nosokomiala infektioner i vårdmiljön2,4, särskilt resistenta stammar3 såsom meticillinresistenta Staphylococcus aureus (MRSA); Således väcker de hälsoproblem med personlig skyddsutrustning, som är avsedd att skydda mot mikrobiell kontaminering. Det finns inte tillräckligt med tvärsnittsstudier på laboratoriebeläggningsrelaterade infektioner i samband med biosäkerhetsnivå 2 (BSL-2) anläggningar eller mikrobiologiska undervisningslaboratorier, men många tillsynsmyndigheter begränsar användningen av labbrockar inom inneslutningsnivån. Men många akademiska institutioner i Nordamerika kämpar för att uppfylla kraven på grund av praktiska begränsningar, såsom tvätt och lagring inuti anläggningen, incidenterna med att bära labbrockar i offentliga utrymmen som cafeterior och bibliotek är vanliga. En praktisk lösning på dessa problem är användningen av antimikrobiella medel vid textilbehandling.
Antimikrobiella tyger blir allt populärare i sportkläder, aktiva kläder och strumpor, främst avsedda att minska kroppslukt. Användningen av dessa tyger är dock inte vanlig vid PPE-utveckling, förutom vissa silverbelagda bomullsmasker och sjukvårdskläder5. Vi rapporterar utvecklingen av ett antimikrobiellt tyg för labbrockar, vilket hämmar vanliga patogener som finns i BSL-2-laboratorier och ger effektivt skydd mot korskontaminering av vanliga patogener.
För närvarande finns en mängd antimikrobiella tyger och ytbehandlingar tillgängliga på marknaden, men de flesta av dessa använder tungmetallkolloidala partiklar (t.ex. silver, koppar, zink), organometalliska eller syntetiska kemikalier som triklosan och kvartära ammoniumföreningar, som inte är miljövänliga1 och kan leda till hälsoproblem som hudirritation och allergier6. Vissa syntetiska formuleringar utgör oro på grund av icke-målmikrober, såsom normal flora eller inducerande antimikrobiell resistens (AMR). US Food and Drug Administration (FDA) reglerar kommersiella antimikrobiella tyger, som måste vara giftfria för användaren och fria från ekotoxicitet. Därför är antimikrobiella tyger baserade på naturliga biocider som hämmar ett brett spektrum av mikrober att föredra. Eteriska oljor (EO) används i stor utsträckning som antimikrobiella och terapeutiska medel, men deras användning i antimikrobiell efterbehandling är begränsad på grund av deras hållbarhet 6,7,8. Baserat på vår kunskap och marknadsundersökningar om nano-herbal efterbehandling8, är inget växtbaserat antimikrobiellt tyg kommersiellt tillgängligt. Detta beror på att syntetiska beläggningar är lätta att tillverka och har lång hållbarhet. Några nano-växtbaserade belagda textilier som endast rapporterats för forskningsändamål inkluderar neem7, moringa 9 och curryblad9.
Den aktuella studien använder två bioaktiva komponenter extraherade från oregano EO, carvacrol och tymol, som är effektiva mot ett brett spektrum av bakteriella patogener och virus men är allmänt erkända som säkra för människor10. Dessa bioaktiva komponenter är emellertid flyktiga, och därför är deras antimikrobiella potential kortlivad om den appliceras direkt på tyget. Nano-herbal inkapsling är en process där bioaktiva komponenter eller läkemedel laddas inuti ett polymerskal som skyddar kärnan från miljöförstöring och därmed förbättrar hållbarheten. Dessutom förbättrar den lilla storleken på de polymera partiklarna, som i allmänhet sträcker sig från 10 nm till 100 nm, applikationens effektivitet och saktar frisättningen av de bioaktiva föreningarna på tyget. Dessa bioaktiva föreningar används för olika ändamål, såsom livsmedelskonservering10, men inte för textilbeläggning.
Bland många polymera inkapslingsmedel är kitosan en attraktiv kandidat på grund av många av dess attribut, såsom icke-toxicitet, biologisk nedbrytbarhet, mukoadhesivitet och biokompatibilitet11. Det är en naturlig polysackarid, erhållen genom deacetyleringsprocessen från kitin, som finns i snäckskal och svampcellväggar. Det används i biokemiska och livsmedelskonserveringsapplikationer såsom läkemedels- eller proteinleverans 11,12,13, kontrollerad frisättning14 och antimikrobiella filmer 10. Chitosan är inte lättlösligt i vatten men bildar en kolloidal suspension i sura medier. Bioaktiva molekyler laddas i kitosannanopartiklar (NP) med en enkel tvåstegs jonisk geleringsmetod14,15,16. I denna process bildar hydrofoba bioaktiva föreningar såsom carvacrol och tymol en olja-i-vatten-emulsion, som stöds av ett ytaktivt medel, Tween 80. Därefter används en polyanjonisk förening, pentanatriumtripolyfosfat (TPP), för att bilda tvärbindningarna mellan aminogrupperna längs de polykationiska polymermolekylerna och fosfatgrupperna av TPP-molekyler för att stabilisera komplexet. Denna komplexbildningsprocess stelnar de bioaktiva föreningarna i matrisen av kitosan, som därefter renas och beläggs på bomullsprover för att producera antimikrobiellt tyg.
Nanoformuleringarna måste först testas för antimikrobiell effektivitet i emulsionsform innan de appliceras på tyget. Detta kan enkelt utvärderas med en kvalitativ metod, såsom Kirby-Bauer-diskdiffusion, brunnsdiffusion och cylinderplattanalysen. Cylinderplattanalys17 ger emellertid flexibiliteten att ladda varierande volymer av formuleringen och jämföra frigångszonen. I denna metod laddas de antimikrobiella formuleringarna i cylindrar av rostfritt stål och placeras på ett mjukt agarskikt som inokuleras med testmikroorganismen eller patogenen. Diametern på den clearancezon som produceras mot testorganismen är proportionell mot den antimikrobiella formuleringens hämmande potential och kan därför användas som ett alternativ till buljongspädningsmetoder. Storleken på de fria zonerna är dock endast ett jämförande eller kvalitativt mått inom en specifik skylt om inte särskilda standarder bibehålls. Antimikrobiella medel verkar mot patogenerna antingen genom att hämma deras tillväxt (biostatisk) eller döda cellerna (biocid), som kan kvantifieras med minsta hämmande koncentration (MIC) respektive minsta bakteriedödande koncentration (MBC). Effektiviteten och beteendet hos de bioaktiva kemikalierna är emellertid olika i deras formuleringar (flytande tillstånd) och när de beläggs på ett substrat såsom ett tyg18. Detta beror på att flera faktorer spelar en roll i effekten, såsom stabiliteten hos de antimikrobiella medlen vidhäftning till tyget, fuktinnehåll, substrattyp och vidhäftning av mikroberna. Om det avsedda syftet endast är bakteriostatisk aktivitet kan en kvalitativ analys som “Parallel Streak Method”19 ge en relativt snabb och enkel utvärdering av diffusibel antimikrobiell formulering. Om de bakteriedödande effekterna ska bestämmas kan emellertid “bedömning av antibakteriella ytbehandlingar på textilmaterial”20 användas, vilket ger logreduktionen av den spikade patogenen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den antimikrobiella effekten av biocider testas konventionellt genom kvantitativa analyser, såsom minsta hämmande koncentration (MIC) och minsta bakteriedödande koncentration (MBC), där bakterierna nedsänks i en antimikrobiell vätska i 24 timmar. Dessa analyser är dock inte lämpliga för belagda tyger, där vätskegränssnittet saknas och biociderna diffunderas långsamt längs tygfibrerna. Därför har många standardtygtester upprättats, såsom AATCC 147, ISO 20645, AATCC 100 och JIS L 1902. En jämförande st…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie finansierades av “Applied Research, Innovation and Entrepreneurship Services” (ARIES), Centennial College, Kanada.
Materials
| Acetic acid | Millipore Sigma | 64-19-7 | |
| Antibiotic base agar | BD Difco | DF0270-17-4 | Also known as Antibiotic Medium 2 |
| Antibiotic seed agar | BD Difco | DF0263-17-3 | Also known as Antibiotic Medium 1 |
| Blood Agar (Nutrient Agar with 5% Sheep Blood) | Donated by CFIA | ||
| Bromcresol Purple Lactose Agar | Donated by CFIA | ||
| Candida albicans | ATCC The Global Bioresource Center | ATTC 10231 | |
| Carvacrol | Millipore Sigma | 282197 (CAS# 499-75-2) | |
| Centrifuge Allergra X-22R Centrifuge | Beckman Coulter | Model # X-22R | Refrigerated. Wait at least 20 min or until the temperature reach the set low value (e.g., 4 °C) as the refrigeration takes time. |
| Chitosan Medium Molecular Weight (CS) | Millipore Sigma | 448877 (CAS # 9012-76-4) | |
| Clamshell Heat Press | Intiva | IM1200 | |
| Escherichia coli (E. coli) | ATCC The Global Bioresource Center | ATTC 23725 | |
| Incubator | Thermo Scientific | 1205M34 | |
| Letheen Broth | BD Difco | DF0681-17-7 | Used to neutralize antimicrobial effects. Product from different manufacturers may require to add Polysorbate 80, which is already added in Difco product. |
| Milli Q water | Millipore Sigma | ZR0Q16WW | Deionized water |
| Mueller-Hinton Agar | BD Difco | DF0252-17-6 | |
| Pentasodium tripolyphosphate (TPP) | Millipore Sigma | 238503 (CAS# 7758-29-4) | |
| Phospahte Buffered Saline (PBS) | Thermo Scientific | AM9624 | |
| Pseudomonas aeruginosa | ATCC The Global Bioresource Center | ATTC 9027 | |
| Sabouraud Dextrose Agar | BD Difco | DF0109-17-1 | |
| Shaking incubator/ Thermo shaker | VWR | Model# SHKA2000 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC The Global Bioresource Center | ATTC 6538 | |
| Thymol | Millipore Sigma | T0501 (CAS# 89-83-8) | |
| Trypticase Soy Agar | BD Difco | 236950 | |
| Trypticase Soy Broth | BD Difco | 215235 | |
| Tween 80 | Millipore Sigma | STS0204 (CAS # 9005-65-6) | |
| UV-Vis Spectrophometer | Thermo Scientific | GENESYS 30 (840-277000) |
References
- Schmidt-Emrich, S., et al. Rapid assay to assess bacterial adhesion on textiles. Materials. 9 (4), 249 (2016).
- Qaday, J., et al. Bacterial contamination of medical doctors and students white coats at Kilimanjaro Christian Medical Centre, Moshi, Tanzania. International Journal of Bacteriology. 2015, 507890 (2015).
- Treakle, A. M., et al. Bacterial contamination of health care workers’ white coats. American Journal of Infection Control. 37 (2), 101-105 (2009).
- Wong, D., Nye, K., Hollis, P. Microbial flora on doctors’ white coats. BMJ. 303 (6817), 1602-1604 (1991).
- Gouveia, I. C. Nanobiotechnology: A new strategy to develop non-toxic antimicrobial textiles for healthcare applications. Journal of Biotechnology. (150), 349 (2010).
- Joshi, M., Ali, S. W., Purwar, R., Rajendran, S. Ecofriendly antimicrobial finishing of textiles using bioactive agents based on natural products. Indian Journal of Fibre and Textile Research. 34, 295-304 (2009).
- Ahmed, H. A., Rajendran, R., Balakumar, C. Nanoherbal coating of cotton fabric to enhance antimicrobial durability. Elixir Applied Chemistry. 45, 7840-7843 (2012).
- Morais, D. S., Guedes, R. M., Lopes, M. A. Antimicrobial approaches for textiles: From research to market. Materials. 9 (6), 498 (2016).
- Venkatraman, P. D., Sayed, U., Parte, S., Korgaonkar, S. Development of advanced textile finishes using nano-emulsions from herbal extracts for organic cotton fabrics. Coatings. 11 (8), 939 (2021).
- Martínez-Hernández, G. B., Amodio, M. L., Colelli, G. Carvacrol-loaded chitosan nanoparticles maintain quality of fresh-cut carrots. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 41, 56-63 (2017).
- Zhang, H. L., Wu, S. H., Tao, Y., Zang, L. Q., Su, Z. Q. Preparation and characterization of water-soluble chitosan nanoparticles as protein delivery system. Journal of Nanomaterials. 2010, 1-5 (2010).
- Patel, R., Gajra, B., Parikh, R. H., Patel, G. Ganciclovir loaded chitosan nanoparticles: preparation and characterization. Journal of Nanomedicine & Nanotechnology. 7 (6), 1-8 (2016).
- Merodio, M., Arnedo, A., Renedo, M. J., Irache, J. M. Ganciclovir-loaded albumin nanoparticles: characterization and in vitro release properties. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 12 (3), 251-259 (2001).
- Hsieh, W. C., Chang, C. P., Gao, Y. L. Controlled release properties of Chitosan encapsulated volatile Citronella Oil microcapsules by thermal treatments. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 53 (2), 209-214 (2006).
- Yoksan, R., Jirawutthiwongchai, J., Arpo, K. Encapsulation of ascorbyl palmitate in chitosan nanoparticles by oil-in-water emulsion and ionic gelation processes. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 76 (1), 292-297 (2010).
- Keawchaoon, L., Yoksan, R. Preparation, characterization and in vitro release study of carvacrol-loaded chitosan nanoparticles. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 84 (1), 163-171 (2011).
- Cazedey, E. C. L., Salgado, H. R. N. Development and validation of a microbiological agar assay for determination of orbifloxacin in pharmaceutical preparations. Pharmaceutics. 3 (3), 572-581 (2011).
- Jayapriya, S., Bagyalakshmi, G. Textile antimicrobial testing and standards. International Journal of Textile and Fashion Technology. 4 (1), 2250-2378 (2013).
- AATCC 100. Antibacterial Finishes on Textile Materials: Assessment of Developed from American Association of Textile Chemists and Colorists. AATCC 100. , (2004).
- AATCC 147. Antimicrobial Activity Assessment of Textile Materials: Parallel Streak Method from American Association of Textile Chemists and Colorists. AATCC 147. , (2004).
- Ortelli, S., Costa, A. L., Dondi, M. TiO2 nanosols applied directly on textiles using different purification treatments. Materials. 8 (11), 7988-7996 (2015).
- Poole, K. Pseudomonas aeruginosa: resistance to the max. Frontiers in Microbiology. 2, 65 (2011).
- Pinho, E., Magalhães, L., Henriques, M., Oliveira, R. Antimicrobial activity assessment of textiles: standard methods comparison. Annals of Microbiology. 61 (3), 493-498 (2010).
- Venkatraman, P. D., Sayed, U., Parte, S., Korgaonkar, S. Novel antimicrobial finishing of organic cotton fabrics using nano-emulsions derived from Karanja and Gokhru plants. Textile Research Journal. 92 (23-24), 5015-5032 (2022).
