Uçucu yağların nano-bitkisel kapsüllemesini kullanan bir antimikrobiyal kumaş
Summary
Antimikrobiyal laboratuvar önlükleri, patojen birikiminin çapraz kontaminasyonunu ve kazara biyo-dökülmelerini önler. Burada, laboratuvar önlüğünün tipik kullanımı için etkinliği ve uygunluğu tam olarak değerlendirmek için nano-bitkisel kapsülleme ve modifiye standart testler kullanarak cilt dostu bir antimikrobiyal kumaş geliştirme protokolünü açıklıyoruz.
Abstract
Laboratuvar önlükleri, biyolojik tehlike laboratuvarlarında ve sağlık tesislerinde, patojenlere, dökülmelere ve yanıklara doğrudan maruz kalmayı önlemek için koruyucu giysiler olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu pamuk bazlı koruyucu kaplamalar, gözenekli yapıları, nem tutma kapasiteleri ve kullanıcının vücudundaki sıcaklığın korunması nedeniyle mikrobiyal büyüme ve bağlantı bölgeleri için ideal koşullar sağlar. Birçok çalışma, hastane giysileri ve laboratuvar önlükleri üzerinde patojenik bakterilerin hayatta kaldığını ve mikrobiyal bulaşmanın vektörleri olarak işlev gördüğünü göstermiştir.
Bu sorunları çözmek için yaygın bir yaklaşım, tekstil terbiyesinde antimikrobiyal ajanların uygulanmasıdır, ancak birçok sentetik kimyasalın toksisitesi ve çevresel etkileri nedeniyle endişeler ortaya çıkmıştır. Devam eden pandemi, etkili antimikrobiyallerin ve çevre dostu ve toksik içermeyen formülasyonların araştırılması için de bir pencere açmıştır. Bu çalışma, kitosan nanopartiküllerinde kapsüllenmiş iki doğal biyoaktif bileşik olan karvakrol ve timol kullanır ve bu da 4 log’a kadar bir azalma (% 99.99) ile dört insan patojenine karşı etkili korumayı garanti eder. Bu patojenler sıklıkla biyolojik tehlike laboratuvarlarında kullanılan laboratuvar önlüklerinde tespit edilir.
İşlenmiş kumaşlar ayrıca% 90 mikrobiyal azalma ile 10 yıkama döngüsüne kadar direnç gösterdi, bu da kullanım amacı için yeterli. Laboratuvar önlüğü kullanımının tipik senaryolarını daha iyi temsil etmek için mevcut standart kumaş testlerinde değişiklikler yaptık. Bu iyileştirmeler, antimikrobiyal laboratuvar önlüklerinin etkinliğinin daha doğru bir şekilde değerlendirilmesine ve kısa sürede nötralize edilmesi gereken herhangi bir kazara mikrobiyal dökülmenin kaderinin simülasyonuna olanak tanır. Normal koruyucu paltolara kıyasla antimikrobiyal laboratuvar önlüklerinde patojenlerin zamanla birikmesini araştırmak için daha ileri çalışmalar önerilmektedir.
Introduction
Koruyucu beyaz önlük, mikrobiyoloji laboratuvarlarında ve sağlık tesislerinde zorunlu bir kişisel koruyucu ekipman (KKD) öğesidir ve patojenlere, dökülmelere ve yanıklara doğrudan maruz kalmaktan korur. Bu pamuklu paltolar birçok faktörden dolayı mikrobiyal büyümeyi teşvik eder – dokuma kumaş bağlantı yerleri ve havalandırma sağlar, üretim sürecinde kullanılan pamuk ve nişasta, kullanıcıdan pul pul dökülmüş epitel hücreleri ile birlikte besin sağlar ve kullanıcıya yakınlık sıcaklık ve nem verir. Tekstil ürünlerinde mikrop birikmesi de alerji ve hastane enfeksiyonu, hoş olmayan kokular ve kumaş bozulması gibi sağlık sorunlarına neden olabilir1.
Normal kıyafetlerin aksine, koruyucu paltolar birçok araştırmada bulunduğu gibi nadiren yıkanır veya dezenfekte edilir 2,3. Birçok çalışma, mikrobiyal bulaşmanın bir vektörü olarak işlev gören laboratuvar önlüklerinin kanıtlarını ve sağlık hizmeti ortamında hastane enfeksiyonları riskinigöstermektedir 2,4, özellikle metisilin dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) gibi dirençli suşlar3; Bu nedenle, mikrobiyal kontaminasyondan korunmak için tasarlanan KKD’nin sağlık endişelerini gündeme getirmektedirler. Biyogüvenlik Seviye 2 (BSL-2) tesisleri veya mikrobiyoloji öğretim laboratuvarları bağlamında laboratuvar önlüğü ile ilişkili enfeksiyonlar hakkında yeterli kesitsel çalışma yoktur, ancak birçok düzenleyici otorite laboratuvar önlüklerinin kullanımını muhafaza seviyesi içinde kısıtlamaktadır. Bununla birlikte, Kuzey Amerika’daki birçok akademik kurum, aklama ve tesis içinde depolama gibi pratik kısıtlamalar nedeniyle gereksinimleri karşılamakta zorlanmaktadır, kafeteryalar ve kütüphaneler gibi halka açık alanlarda laboratuvar önlüğü giyme olayları yaygındır. Bu sorunlara pratik bir çözüm, tekstil terbiyesinde antimikrobiyal ajanların uygulanmasıdır.
Antimikrobiyal kumaşlar, esas olarak vücut kokusunu azaltmayı amaçlayan spor giyim, aktif giyim ve çoraplarda artan popülerlik kazanmaktadır. Bununla birlikte, bu kumaşların kullanımı, bazı gümüş kaplı pamuklu maskeler ve sağlık giysileri hariç, KKD geliştirmede yaygın değildir5. BSL-2 laboratuvarlarında bulunan yaygın patojenleri inhibe eden ve yaygın patojenlerin çapraz kontaminasyonuna karşı etkili koruma sağlayan laboratuvar önlükleri için antimikrobiyal bir kumaşın geliştirilmesini bildiriyoruz.
Şu anda, piyasada çeşitli antimikrobiyal kumaşlar ve kaplamalar mevcuttur, ancak bunların çoğu ağır metal kolloidal parçacıkları (örneğin, gümüş, bakır, çinko), organometalikler veya triklosan ve kuaterner amonyum bileşikleri gibi sentetik kimyasallar kullanır, bunlar çevre dostu değildir1 ve cilt tahrişi ve alerjiler gibi sağlık sorunlarına yol açabilir6. Bazı sentetik formülasyonlar, normal flora veya indükleyici antimikrobiyal direnç (AMR) gibi hedef olmayan mikroplar nedeniyle endişe yaratmaktadır. ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), kullanıcı için toksik olmaması ve eko-toksisite içermemesi gereken ticari antimikrobiyal kumaşları düzenler. Bu nedenle, geniş bir mikrop spektrumunu inhibe eden doğal biyositlere dayanan antimikrobiyal kumaşlar tercih edilir. Esansiyel yağlar (EO’lar) antimikrobiyal ve terapötik ajanlar olarak yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak antimikrobiyal terbiyede kullanımları dayanıklılıkları nedeniyle sınırlıdır 6,7,8. Nano-bitkisel terbiye8 hakkındaki bilgi birikimimize ve pazar araştırmamıza dayanarak, bitkisel bazlı antimikrobiyal kumaş ticari olarak temin edilemez. Bunun nedeni, sentetik kaplamaların üretiminin kolay olması ve uzun ömürlü olmasıdır. Sadece araştırma amacıyla bildirilen birkaç nano-bitkisel kaplı tekstil arasında neem7, moringa 9 ve köri yaprakları9 bulunmaktadır.
Bu çalışma, kekik EO’larından ekstrakte edilen iki biyoaktif bileşeni kullanmaktadır: karvakrol ve timol, çok çeşitli bakteriyel patojenlere ve virüslere karşı etkilidir, ancak genellikle insanlar için güvenli olarak kabul edilmektedir10. Bununla birlikte, bu biyoaktif bileşenler uçucudur ve bu nedenle doğrudan kumaşa uygulandığında antimikrobiyal potansiyelleri kısa ömürlüdür. Nano-bitkisel kapsülleme, biyoaktif bileşenlerin veya ilaçların, çekirdeği çevresel bozulmadan koruyan ve böylece raf ömrünü artıran polimerik bir kabuğun içine yüklendiği bir işlemdir. Ek olarak, genellikle 10 nm ila 100 nm arasında değişen polimerik parçacıkların küçük boyutu, uygulamanın etkinliğini arttırır ve biyoaktif bileşiklerin kumaş üzerine salınmasını yavaşlatır. Bu biyoaktif bileşikler, gıda koruma10 gibi çeşitli amaçlar için kullanılır, ancak tekstil kaplaması için kullanılmaz.
Birçok polimerik kapsülleyici arasında kitosan, toksisite olmaması, biyolojik olarak parçalanabilirlik, mukoadezisite ve biyouyumluluk11 gibi birçok özelliği nedeniyle çekici bir adaydır. Deniz kabuklarında ve mantar hücre duvarlarında bulunan kitinden deasetilasyon işlemi ile elde edilen doğal bir polisakkarittir. İlaç veya protein dağıtımı 11,12,13, kontrollü salınım 14 ve antimikrobiyal filmler 10 gibi biyokimyasal ve gıda koruma uygulamalarında kullanılır. Kitosan suda kolayca çözünmez, ancak asidik ortamda kolloidal bir süspansiyon oluşturur. Biyoaktif moleküller, basit bir iki aşamalı iyonik jelasyon yöntemi 14,15,16 ile kitosan nanopartiküllerine (NP’ler) yüklenir. Bu süreçte, karvakrol ve timol gibi hidrofobik biyoaktif bileşikler, bir yüzey aktif madde olan Tween 80 tarafından desteklenen bir su içinde yağ emülsiyonu oluşturur. Daha sonra, polianyonik bir bileşik olan pentasodyum tripolifosfat (TPP), kompleksi stabilize etmek için polikatyonik polimer molekülleri boyunca amino grupları ile TPP moleküllerinin fosfat grupları arasındaki çapraz bağları oluşturmak için kullanılır. Bu kompleksleşme işlemi, kitosan matrisi içindeki biyoaktif bileşikleri katılaştırır, bu da daha sonra saflaştırılır ve antimikrobiyal kumaş üretmek için pamuk örnekleri üzerine kaplanır.
Nano formülasyonlar, kumaşa uygulanmadan önce emülsiyon formunda antimikrobiyal etkinlik açısından test edilmelidir. Bu, Kirby-Bauer disk difüzyonu, kuyu difüzyonu ve silindir plakası testi gibi kalitatif bir yöntemle rahatlıkla değerlendirilebilir. Bununla birlikte, silindir plakası testi17 , formülasyonun değişen hacimlerini yükleme ve boşluk bölgesini karşılaştırma esnekliği sağlar. Bu yöntemde, antimikrobiyal formülasyonlar paslanmaz çelik silindirlere yüklenir ve test mikroorganizması veya patojeni ile aşılanan yumuşak bir agar tabakasına yerleştirilir. Test organizmasına karşı üretilen klirens bölgesinin çapı, antimikrobiyal formülasyonun inhibitör potansiyeli ile orantılıdır ve bu nedenle et suyu seyreltme yöntemlerine alternatif olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, açık bölgelerin boyutu, belirli standartlar korunmadıkça, yalnızca belirli bir plaka içindeki karşılaştırmalı veya nitel bir ölçüdür. Antimikrobiyal ajanlar, sırasıyla minimum inhibitör konsantrasyon (MIC) ve minimum bakterisidal konsantrasyon (MBC) ile ölçülebilen hücreleri öldürerek (biyostatik) veya büyümelerini inhibe ederek (biyostatik) veya hücreleri öldürerek patojenlere karşı etki eder. Bununla birlikte, biyoaktif kimyasalların etkinliği ve davranışı, formülasyonlarında (sıvı hal) ve kumaş18 gibi bir substrat üzerine kaplandığında farklıdır. Bunun nedeni, antimikrobiyal ajanların kumaşa yapışmasının stabilitesi, nem içeriği, substrat tipi ve mikropların yapışması gibi birçok faktörün etkinlikte rol oynamasıdır. Amaçlanan amaç sadece bakteriyostatik aktivite ise, “Paralel Çizgi Yöntemi”19 gibi kalitatif bir tahlil, difüzyon edilebilir antimikrobiyal formülasyonun nispeten hızlı ve kolay bir değerlendirmesini sağlayabilir. Bununla birlikte, bakterisidal etkiler belirlenecekse, çivili patojenin kütüğünün azaltılmasını sağlayan “Tekstil Malzemeleri Üzerindeki Antibakteriyel Yüzeylerin Değerlendirilmesi”20 kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biyositlerin antimikrobiyal etkinliği, bakterilerin 24 saat boyunca bir antimikrobiyal sıvıya daldırıldığı minimum inhibitör konsantrasyon (MIC) ve minimum bakterisidal konsantrasyon (MBC) gibi kantitatif testlerle geleneksel olarak test edilir. Bununla birlikte, bu analizler, sıvı arayüzün eksik olduğu ve biyositlerin kumaş lifleri boyunca yavaşça yayıldığı kaplamalı kumaşlar için uygun değildir. Bu nedenle, AATCC 147, ISO 20645, AATCC 100 ve JIS L 1902 gibi birçok standart kumaş testi oluştu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma “Uygulamalı Araştırma, İnovasyon ve Girişimcilik Hizmetleri” (ARIES), Centennial College, Kanada tarafından finanse edilmiştir.
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).
