Антимикробная ткань с использованием нано-травяной инкапсуляции эфирных масел
Summary
Антимикробные лабораторные халаты предотвращают перекрестное загрязнение в результате накопления патогенов и случайных биоразливов. Здесь мы описываем протокол разработки благоприятной для кожи антимикробной ткани с использованием нанотравяной инкапсуляции и модифицированных стандартных тестов для точной оценки эффективности и пригодности для типичного использования лабораторного халата.
Abstract
Лабораторные халаты широко используются в лабораториях биологической опасности и медицинских учреждениях в качестве защитной одежды для предотвращения прямого воздействия патогенов, разливов и ожогов. Эти защитные покрытия на основе хлопка обеспечивают идеальные условия для роста микробов и мест прикрепления благодаря своей пористой природе, влагоудерживающей способности и удержанию тепла от тела пользователя. Несколько исследований продемонстрировали выживание патогенных бактерий на больничной одежде и лабораторных халатах, действующих как переносчики микробной передачи.
Распространенным подходом к решению этих проблем является применение противомикробных агентов в отделке текстиля, но были высказаны опасения из-за токсичности и воздействия на окружающую среду многих синтетических химикатов. Продолжающаяся пандемия также открыла окно для изучения эффективных противомикробных препаратов и экологически чистых и нетоксичных составов. В этом исследовании используются два природных биологически активных соединения, карвакрол и тимол, инкапсулированные в наночастицы хитозана, которые гарантируют эффективную защиту от четырех патогенов человека с уменьшением до 4 log (99,99%). Эти патогены часто обнаруживаются в лабораторных халатах, используемых в лабораториях биологической опасности.
Обработанные ткани также выдержали до 10 циклов стирки с 90% -ным микробным снижением, что достаточно для использования по назначению. Мы внесли изменения в существующие стандартные тесты ткани, чтобы лучше представить типичные сценарии использования лабораторного халата. Эти усовершенствования позволяют более точно оценить эффективность противомикробных лабораторных покрытий и смоделировать судьбу любых случайных разливов микробов, которые должны быть нейтрализованы в течение короткого времени. Рекомендуется провести дальнейшие исследования для изучения накопления патогенов с течением времени на антимикробных лабораторных халатах по сравнению с обычными защитными покрытиями.
Introduction
Защитный белый халат является обязательным элементом средств индивидуальной защиты (СИЗ) в микробиологических лабораториях и медицинских учреждениях и защищает от прямого воздействия патогенов, разливов и ожогов. Эти хлопчатобумажные пальто способствуют росту микробов из-за многих факторов – тканый материал обеспечивает места прикрепления и аэрации, хлопок и крахмал, используемые в производственном процессе вместе с отслоившимися эпителиальными клетками пользователя, поставляют питательные вещества, а близость к пользователю дает тепло и влагу. Накопление микробов на текстиле также может вызвать проблемы со здоровьем, такие как аллергия и внутрибольничная инфекция, неприятные запахи и порча ткани1.
В отличие от обычной одежды, защитные пальто редко стирают или дезинфицируют, как было обнаружено во многих исследованиях 2,3. Многие исследования свидетельствуют о том, что лабораторные халаты выступают в качестве переносчика микробной передачи и риска внутрибольничных инфекций в медицинских учреждениях2,4, особенно резистентных штаммов3, таких как метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA); таким образом, они вызывают проблемы со здоровьем СИЗ, которые предназначены для защиты от микробного загрязнения. Недостаточно перекрестных исследований инфекций, связанных с лабораторными халатами, в контексте объектов уровня биобезопасности 2 (BSL-2) или учебных лабораторий по микробиологии, но многие регулирующие органы ограничивают использование лабораторных халатов в пределах уровня сдерживания. Тем не менее, многие академические учреждения в Северной Америке изо всех сил пытаются соответствовать требованиям из-за практических ограничений, таких как стирка и хранение внутри объекта, случаи ношения лабораторных халатов в общественных местах, таких как кафетерии и библиотеки, являются обычным явлением. Одним из практических решений этих проблем является применение антимикробных средств в отделке текстиля.
Антимикробные ткани набирают все большую популярность в спортивной одежде, спортивной одежде и носках, в основном предназначенных для уменьшения запаха тела. Однако использование этих тканей не является обычным явлением при разработке СИЗ, за исключением некоторых хлопчатобумажных масок с серебряным покрытием и медицинской одежды5. Мы сообщаем о разработке антимикробной ткани для лабораторных халатов, которая подавляет распространенные патогены, обнаруженные в лабораториях BSL-2, и обеспечивает эффективную защиту от перекрестного загрязнения распространенными патогенами.
В настоящее время на рынке доступны различные антимикробные ткани и отделочные материалы, но в большинстве из них используются коллоидные частицы тяжелых металлов (например, серебро, медь, цинк), металлоорганические соединения или синтетические химические вещества, такие как триклозан и четвертичные аммониевые соединения, которые не являются экологически чистыми1 и могут привести к проблемам со здоровьем, таким как раздражение кожи и аллергия6. Некоторые синтетические составы вызывают опасения из-за нецелевых микробов, таких как нормальная флора или индуцирование устойчивости к противомикробным препаратам (УПП). Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) регулирует коммерческие антимикробные ткани, которые должны быть нетоксичными для пользователя и не иметь экотоксичности. Поэтому предпочтительны антимикробные ткани на основе природных биоцидов, которые подавляют широкий спектр микробов. Эфирные масла (ЭО) широко используются в качестве противомикробных и терапевтических средств, но их использование в антимикробной отделке ограничено из-за их долговечности 6,7,8. Основываясь на наших знаниях и исследованиях рынка нанотравяной отделки8, антимикробная ткань на травяной основе не доступна в продаже. Это связано с тем, что синтетические покрытия просты в изготовлении и имеют длительный срок службы. Несколько текстильных изделий с нанотравяным покрытием, о которых сообщалось только в исследовательских целях, включают ним7, морингу 9 и листья карри9.
В настоящем исследовании используются два биологически активных компонента, извлеченных из ЭО орегано, карвакрол и тимол, которые эффективны против широкого спектра бактериальных патогенов и вирусов, но в целом признаны безопасными для человека10. Однако эти биологически активные компоненты являются летучими, и поэтому их антимикробный потенциал недолговечен, если их наносить непосредственно на ткань. Нанотравяная инкапсуляция – это процесс, при котором биологически активные компоненты или лекарства загружаются внутрь полимерной оболочки, которая защищает ядро от деградации окружающей среды и, таким образом, увеличивает срок годности. Кроме того, малый размер полимерных частиц, которые обычно варьируются от 10 до 100 нм, повышает эффективность применения и замедляет высвобождение биологически активных соединений на ткань. Эти биологически активные соединения используются для различных целей, таких как консервирование пищевыхпродуктов 10, но не для текстильного покрытия.
Среди многих полимерных инкапсуляторов хитозан является привлекательным кандидатом из-за многих его свойств, таких как нетоксичность, биоразлагаемость, слизистая адгезия и биосовместимость11. Это природный полисахарид, полученный в процессе деацетилирования из хитина, который содержится в ракушках и клеточных стенках грибов. Он используется в биохимических приложениях и приложениях для консервирования пищевых продуктов, таких как доставка лекарств или белков 11,12,13, контролируемое высвобождение 14 и антимикробные пленки 10. Хитозан плохо растворяется в воде, но образует коллоидную суспензию в кислых средах. Биологически активные молекулы загружаются в наночастицы хитозана (НЧ) простым двухстадийным методом ионного гелеобразования14,15,16. В этом процессе гидрофобные биологически активные соединения, такие как карвакрол и тимол, образуют эмульсию масло-в-воде, которой способствует поверхностно-активное вещество Tween 80. Впоследствии полианионное соединение, пентатриполифосфат натрия (ТЭС), используется для формирования поперечных связей между аминогруппами вдоль молекул поликатионного полимера и фосфатными группами молекул ТЭС для стабилизации комплекса. Этот процесс комплексообразования затвердевает биологически активные соединения в матрице хитозана, которая затем очищается и наносится на образцы хлопка для получения антимикробной ткани.
Наносоставы должны быть сначала протестированы на антимикробную эффективность в форме эмульсии, прежде чем наносить их на ткань. Это может быть удобно оценено качественным методом, таким как диффузия диска Кирби-Бауэра, диффузия скважины и анализ пластины цилиндра. Тем не менее, пробирная пластинацилиндра 17 обеспечивает гибкость для загрузки различных объемов состава и сравнения зоны зазора. В этом методе антимикробные составы загружают в цилиндры из нержавеющей стали и помещают на мягкий слой агара, который инокулируют исследуемым микроорганизмом или патогеном. Диаметр зоны клиренса, образующейся против исследуемого организма, пропорционален ингибирующему потенциалу антимикробной композиции и, следовательно, может быть использован в качестве альтернативы методам разведения бульона. Однако размер свободных зон является лишь сравнительным или качественным показателем в пределах конкретной плиты, если не поддерживаются конкретные стандарты. Противомикробные агенты действуют против патогенов либо путем ингибирования их роста (биостатический), либо путем уничтожения клеток (биоцидный), что может быть количественно определено минимальной ингибирующей концентрацией (MIC) и минимальной бактерицидной концентрацией (MBC) соответственно. Однако эффективность и поведение биологически активных химических веществ различны в их составах (жидкое состояние) и при нанесении покрытия на подложку, такую как ткань18. Это связано с тем, что в эффективности играют роль несколько факторов, таких как стабильность адгезии антимикробных агентов к ткани, содержание влаги, тип субстрата и адгезия микробов. Если предполагаемой целью является только бактериостатическая активность, качественный анализ, такой как «Метод параллельной полосы»19 , может обеспечить относительно быструю и простую оценку диффузионного антимикробного состава. Однако, если необходимо определить бактерицидные эффекты, можно использовать «Оценку антибактериальных покрытий текстильных материалов»20 , которая обеспечивает логарифмическое снижение количества шипованного патогена.
Protocol
Representative Results
Discussion
Антимикробная эффективность биоцидов обычно проверяется количественными анализами, такими как минимальная ингибирующая концентрация (MIC) и минимальная бактерицидная концентрация (MBC), при которых бактерии погружают в антимикробную жидкость на 24 часа. Однако эти анализы не подходят дл…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было профинансировано «Прикладными исследованиями, инновациями и предпринимательскими услугами» (ARIES), Centennial College, Канада.
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).
