نسيج مضاد للميكروبات باستخدام تغليف نانو عشبي للزيوت العطرية
Summary
تمنع معاطف المختبر المضادة للميكروبات التلوث المتبادل لتراكم مسببات الأمراض والانسكابات الحيوية العرضية. هنا ، نصف بروتوكول تطوير نسيج مضاد للميكروبات صديق للبشرة باستخدام تغليف الأعشاب النانوية والاختبارات القياسية المعدلة لتقييم فعالية وملاءمة الاستخدام النموذجي لمعطف المختبر بدقة.
Abstract
تستخدم معاطف المختبر على نطاق واسع في مختبرات المخاطر البيولوجية ومرافق الرعاية الصحية كملابس واقية لمنع التعرض المباشر لمسببات الأمراض والانسكابات والحروق. توفر هذه المعاطف الواقية المصنوعة من القطن ظروفا مثالية لنمو الميكروبات ومواقع التعلق نظرا لطبيعتها المسامية وقدرتها على الاحتفاظ بالرطوبة والاحتفاظ بالدفء من جسم المستخدم. أظهرت العديد من الدراسات بقاء البكتيريا المسببة للأمراض على ملابس المستشفيات ومعاطف المختبر ، حيث تعمل كناقلات لانتقال الميكروبات.
النهج الشائع لإصلاح هذه المشاكل هو تطبيق العوامل المضادة للميكروبات في تشطيب المنسوجات ، ولكن أثيرت مخاوف بسبب السمية والآثار البيئية للعديد من المواد الكيميائية الاصطناعية. كما فتحت الجائحة المستمرة نافذة للتحقيق في مضادات الميكروبات الفعالة والتركيبات الصديقة للبيئة والخالية من السموم. تستخدم هذه الدراسة مركبين طبيعيين نشطين بيولوجيا ، كارفاكرول وثيمول ، مغلفين بجسيمات الشيتوزان النانوية ، والتي تضمن حماية فعالة ضد أربعة مسببات الأمراض البشرية مع تقليل يصل إلى 4 سجلات (99.99٪). يتم اكتشاف مسببات الأمراض هذه بشكل متكرر في معاطف المختبر المستخدمة في مختبرات المخاطر البيولوجية.
قاومت الأقمشة المعالجة أيضا ما يصل إلى 10 دورات غسيل مع تقليل الميكروبات بنسبة 90٪ ، وهو ما يكفي للاستخدام المقصود. لقد أجرينا تعديلات على اختبارات النسيج القياسية الحالية لتمثيل السيناريوهات النموذجية لاستخدام معطف المختبر بشكل أفضل. تسمح هذه التحسينات بإجراء تقييم أكثر دقة لفعالية معاطف المختبر المضادة للميكروبات ومحاكاة مصير أي انسكابات ميكروبية عرضية يجب تحييدها في غضون فترة زمنية قصيرة. يوصى بإجراء مزيد من الدراسات للتحقيق في تراكم مسببات الأمراض بمرور الوقت على معاطف المختبر المضادة للميكروبات مقارنة بالمعاطف الواقية العادية.
Introduction
المعطف الأبيض الواقي هو عنصر إلزامي لمعدات الحماية الشخصية (PPE) في مختبرات علم الأحياء الدقيقة ومرافق الرعاية الصحية ، ويحمي من التعرض المباشر لمسببات الأمراض والانسكابات والحروق. تعزز هذه المعاطف القطنية نمو الميكروبات بسبب العديد من العوامل – يوفر النسيج المنسوج مواقع التعلق والتهوية والقطن والنشا المستخدم في عملية التصنيع جنبا إلى جنب مع الخلايا الظهارية المقشرة من المستخدم التي توفر العناصر الغذائية ، والقرب من المستخدم يعطي الدفء والرطوبة. يمكن أن يسبب تراكم الميكروبات على المنسوجات أيضا مشاكل صحية مثل الحساسية وعدوى المستشفيات والروائح الكريهة وتدهور النسيج1.
على عكس الملابس العادية ، نادرا ما يتم غسل المعاطف الواقية أو تطهيرها ، كما هو موجود في العديد من الاستطلاعات 2,3. تظهر العديد من الدراسات أدلة على أن معاطف المختبر تعمل كناقل لانتقال الميكروبات وخطر الإصابة بعدوى المستشفيات في بيئة الرعاية الصحية 2,4 ، وخاصة السلالات المقاومة3 مثل المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA) ؛ وبالتالي ، فإنها تثير مخاوف صحية من معدات الوقاية الشخصية ، والتي تهدف إلى الحماية من التلوث الميكروبي. لا توجد دراسات مقطعية كافية حول العدوى المرتبطة بمعطف المختبر في سياق مرافق السلامة الأحيائية المستوى 2 (BSL-2) أو مختبرات تدريس الأحياء الدقيقة ، ولكن العديد من السلطات التنظيمية تقيد استخدام معاطف المختبر ضمن مستوى الاحتواء. ومع ذلك ، فإن العديد من المؤسسات الأكاديمية في أمريكا الشمالية تكافح لتلبية المتطلبات بسبب القيود العملية ، مثل الغسيل والتخزين داخل المنشأة ، وحوادث ارتداء معاطف المختبر في الأماكن العامة مثل الكافيتريات والمكتبات شائعة. أحد الحلول العملية لهذه القضايا هو تطبيق العوامل المضادة للميكروبات في تشطيب المنسوجات.
تكتسب الأقمشة المضادة للميكروبات شعبية متزايدة في الملابس الرياضية والملابس الرياضية والجوارب ، والتي تهدف بشكل أساسي إلى تقليل رائحة الجسم. ومع ذلك ، فإن استخدام هذه الأقمشة ليس شائعا في تطوير معدات الوقاية الشخصية ، باستثناء بعض الأقنعة القطنية المطلية بالفضة وملابس الرعاية الصحية5. أبلغنا عن تطوير نسيج مضاد للميكروبات لمعاطف المختبر ، والذي يثبط مسببات الأمراض الشائعة الموجودة في مختبرات BSL-2 ويوفر حماية فعالة من التلوث المتبادل لمسببات الأمراض الشائعة.
حاليا ، تتوفر مجموعة متنوعة من الأقمشة والتشطيبات المضادة للميكروبات في السوق ، ولكن معظمها يستخدم جزيئات معدنية ثقيلة غروانية (مثل الفضة والنحاس والزنك) أو المواد العضوية أو المواد الكيميائية الاصطناعية مثل التريكلوسان ومركبات الأمونيوم الرباعية ، وهي ليست صديقة للبيئة1 وقد تؤدي إلى مشاكل صحية مثل تهيج الجلد والحساسية6. تثير بعض التركيبات الاصطناعية مخاوف بسبب الميكروبات غير المستهدفة ، مثل النباتات الطبيعية أو تحفيز مقاومة مضادات الميكروبات (AMR). تنظم إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) الأقمشة التجارية المضادة للميكروبات ، والتي يجب أن تكون غير سامة للمستخدم وخالية من السمية البيئية. لذلك ، يفضل استخدام الأقمشة المضادة للميكروبات القائمة على المبيدات الحيوية الطبيعية التي تمنع مجموعة واسعة من الميكروبات. تستخدم الزيوت الأساسية (EOs) على نطاق واسع كعوامل مضادة للميكروبات وعلاجية ، لكن استخدامها في التشطيب المضاد للميكروبات محدود بسبب متانتها6،7،8. بناء على معرفتنا وأبحاث السوق حول التشطيب النانويالعشبي 8 ، لا يتوفر أي نسيج مضاد للميكروبات قائم على الأعشاب تجاريا. وذلك لأن الطلاءات الاصطناعية سهلة التصنيع ولها متانة طويلة. بعض المنسوجات المطلية بالأعشاب النانوية التي تم الإبلاغ عنها لأغراض البحث فقط تشمل النيم7 والمورينجا 9 وأوراق الكاري9.
تستخدم الدراسة الحالية مكونين نشطين بيولوجيا مستخرجين من OEOs من الأوريجانو ، كارفاكرول وثيمول ، وهما فعالان ضد مجموعة واسعة من مسببات الأمراض البكتيرية والفيروسات ولكن من المسلم به عموما أنهما آمنان للبشر10. ومع ذلك ، فإن هذه المكونات النشطة بيولوجيا متطايرة ، وبالتالي فإن إمكاناتها المضادة للميكروبات قصيرة الأجل إذا تم تطبيقها مباشرة على النسيج. تغليف الأعشاب النانوية هو عملية يتم فيها تحميل المكونات أو الأدوية النشطة بيولوجيا داخل غلاف بوليمري يحمي القلب من التدهور البيئي ، وبالتالي يعزز مدة الصلاحية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحجم الصغير للجزيئات البوليمرية ، والتي تتراوح عموما من 10 نانومتر إلى 100 نانومتر ، يعزز فعالية التطبيق ويبطئ إطلاق المركبات النشطة بيولوجيا على النسيج. تستخدم هذه المركبات النشطة بيولوجيا لأغراض مختلفة ، مثل حفظ الطعام10 ، ولكن ليس لطلاء النسيج.
من بين العديد من الأغلفة البوليمرية ، يعتبر الشيتوزان مرشحا جذابا بسبب العديد من سماته ، مثل عدم السمية ، والتحلل البيولوجي ، والالتصاق المخاطي ، والتوافق الحيوي11. وهو عديد السكاريد الطبيعي ، الذي تم الحصول عليه عن طريق عملية نزع الأستيل من الكيتين ، الموجود في الصدف وجدران الخلايا الفطرية. يتم استخدامه في تطبيقات الكيمياء الحيوية وحفظ الأغذية مثل توصيل الأدوية أو البروتين 11،12،13 ، والإطلاق الخاضع للرقابة 14 ، والأفلام المضادة للميكروبات 10. الشيتوزان غير قابل للذوبان في الماء بسهولة ولكنه يشكل معلقا غروانيا في الوسائط الحمضية. يتم تحميل الجزيئات النشطة بيولوجيا في جسيمات الشيتوزان النانوية (NPs) بواسطة طريقة هلام أيونية بسيطة من خطوتين14،15،16. في هذه العملية ، تشكل المركبات النشطة بيولوجيا الكارهة للماء مثل carvacrol و thymol مستحلب زيت في الماء ، والذي يساعده خافض للتوتر السطحي ، Tween 80. بعد ذلك ، يتم استخدام مركب بولي أنيوني ، خماسي الصوديوم ترايبوليفوسفيت (TPP) ، لتشكيل الروابط المتقاطعة بين المجموعات الأمينية على طول جزيئات البوليمر متعددة التكاثنات ومجموعات الفوسفات لجزيئات TPP لتحقيق الاستقرار في المعقد. تعمل عملية التعقيد هذه على ترسيخ المركبات النشطة بيولوجيا داخل مصفوفة الشيتوزان ، والتي يتم تنقيتها لاحقا وتغطيتها على حوامل قطنية لإنتاج نسيج مضاد للميكروبات.
يجب اختبار تركيبات النانو أولا للتأكد من فعاليتها المضادة للميكروبات في شكل مستحلب قبل تطبيقها على القماش. يمكن تقييم ذلك بسهولة من خلال طريقة نوعية ، مثل انتشار قرص Kirby-Bauer ، وانتشار البئر ، وفحص لوحة الأسطوانة. ومع ذلك ، فإن فحص لوحة الأسطوانة17 يوفر المرونة لتحميل أحجام مختلفة من التركيبة ومقارنة منطقة الخلوص. في هذه الطريقة ، يتم تحميل التركيبات المضادة للميكروبات في أسطوانات من الفولاذ المقاوم للصدأ وتوضع على طبقة أجار ناعمة ، يتم تلقيحها بالكائنات الحية الدقيقة أو مسببات الأمراض. يتناسب قطر منطقة الخلوص المنتجة ضد كائن الاختبار مع الإمكانات المثبطة للتركيبة المضادة للميكروبات ، وبالتالي يمكن استخدامها كبديل لطرق تخفيف المرق. ومع ذلك ، فإن حجم المناطق الواضحة ليس سوى مقياس مقارن أو نوعي داخل لوحة معينة ما لم يتم الحفاظ على معايير محددة. تعمل العوامل المضادة للميكروبات ضد مسببات الأمراض إما عن طريق تثبيط نموها (بيوستاتيك) أو قتل الخلايا (مبيد حيوي) ، والتي يمكن قياسها كميا عن طريق الحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) والحد الأدنى من تركيز مبيد الجراثيم (MBC) ، على التوالي. ومع ذلك ، فإن فعالية وسلوك المواد الكيميائية النشطة بيولوجيا تختلف في تركيباتها (الحالة السائلة) وعند طلائها على ركيزة مثل النسيج18. وذلك لأن هناك عوامل متعددة تلعب دورا في الفعالية ، مثل استقرار التصاق العوامل المضادة للميكروبات بالنسيج ، ومحتوى الرطوبة ، ونوع الركيزة ، والتصاق الميكروبات. إذا كان الغرض المقصود هو النشاط المضاد للجراثيم فقط ، فإن الفحص النوعي مثل “طريقة الخط المتوازي”19 يمكن أن يوفر تقييما سريعا وسهلا نسبيا لتركيبة مضادات الميكروبات القابلة للانتشار. ومع ذلك ، إذا تم تحديد تأثيرات مبيد للجراثيم ، فيمكن استخدام “تقييم التشطيبات المضادة للبكتيريا على المواد النسيجية”20 ، مما يوفر تقليل سجل العامل الممرض المسننة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتم اختبار فعالية مضادات الميكروبات للمبيدات الحيوية تقليديا من خلال المقايسات الكمية ، مثل الحد الأدنى للتركيز المثبط (MIC) والحد الأدنى لتركيز مبيد الجراثيم (MBC) ، حيث يتم غمر البكتيريا في سائل مضاد للميكروبات لمدة 24 ساعة. ومع ذلك ، فإن هذه المقايسات ليست مناسبة للأقمشة المطلية ، حيث تفتقر…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه الدراسة من قبل “خدمات البحوث التطبيقية والابتكار وريادة الأعمال” (ARIES) ، كلية سينتينيال ، كندا.
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) |
Referências
- 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).
