Sinteza in karakterizacija biokompozitnih materialov na osnovi sporopolenina za doseganje večje učinkovitosti proti mikroorganizmom odpornim na antibiotike

Povzetek

Cilj naših raziskav je bila sinteza in karakterizacija novih biokompozitnih materialov, uporabnih kot obloge za rane, z biocidnim delovanjem proti mikroorganizmom odpornim na antibiotike. Razviti smo želeli materiale, ki so v celoti sestavljeni iz biorazpoložljivih in obnovljivih naravnih materialov ter zagotavljajo zadostno trdnost in fleksibilnost, učinkovito vezavo antibiotikov in želeno poroznost za hitrejše celjenje ran. Zato smo sintetizirali biokompozitne materiale na osnovi celuloze (CEL) in živalskih biopolimerov kot sta keratin (KER) in hitosan (CS). Različno poroznost in hitrost sproščanja antibiotikov smo zagotovili z dodajanjem različnih deležev sporopolenina (SEC) pri sintezi materialov z različnimi razmerji CEL:KER ali CEL:CS. SEC pri tem omogoča mikroenkapsulacijo antibiotikov in izboljša poroznost materialov, ki je pomembna za difuzijo plinov in sproščanje antibiotikov. Materiale smo pripravili s postopki zelene kemije in sinteze z ionskimi tekočinami kot zelenimi topili za raztapljanje biopolimerov.

Biokompozite s protimikrobno učinkovitostjo smo proučevati z optotermično spektrometrijo na odklon žarka (BDS). Za meritve sproščanja antibiotikov pa smo uporabili optotermično spektrometrijo s toplotnimi lečami (TLS). V uvodnem delu projekta smo optimizirali in validirali instrumente BDS in TLS, ki smo jih v ta namen skonstruirali ter preverili pravilnost meritev BDS z novo neodvisno tehniko na osnovi fotopiroelektričnega pojava (PPE). Pri tem smo razvili tudi novo metodo PPE za meritve toplotnih lastnosti poroznih vzorcev.

Z določanjem poroznosti biokompozitov smo omogočili optimizacijo njihove sinteze ter njihovih lastnosti. Pri tem smo z BDS raziskali tudi dvodimenzionalno (površinsko) in tridimenzionalno (podpovršinsko) porazdelitev lastnosti materialov (poroznost, hrapavost površine, koncentracija antibiotikov), ki so ključnega pomena za trdnost in prožnost materiala ter za dobro protimikrobno delovanje in hkratni dostop kisika do zdravljene rane, ki je bistvenega pomena za učinkovito delovanje oblog za rane in za uspešno celjenje. Rezultate meritev strukturnih lastnosti materialov in homogenosti porazdelitve SEC in antibiotikov smo potrdili s tehnikama elektronske mokroskopije (SEM) in masne spektrometrije sekundarnih ionov z detekcijo na čas preleta (ToF-SIMS).

Uporaba TLS je omogočila direktno določevanje antibiotikov v mediju kateremu so bili izpostavljeni biokompozitni materiali, brez potrebe po predhodni separaciji s HPLC. Poručili smo hitrost in dinamiko sproščanja ter zvezo med sproščanjem antibiotikov, poroznostjo materialov in začetno vsebnostjo antibiotikov.

V zaključnih raziskavah smo testirali protimikrobno učinkovitost biokompozitov. Na splošno so rast mikroorganizmov najučinkoviteje zavirali materiali s 30% deležem SEC z dodanimi antibitoki. Glede na dodani antibiotik pa so bili najučinkovitejši materiali z dodanim ciprofloksacinom, ki so pokazali preko 97% zaviranje rasti pri vseh testiranih mikroorganizmih.

Ključne rezultate naših raziskav sintetiziranih biokompozitov lahko strnemo v naslednje ugotovitve:

1) Poroznosti sintetiziranih materialov so nizke (pod 0,1 %). Materiali na osnovi CEL:CS imajo v primerjavi z materiali CEL:KER podobne sestave višjo poroznost, obenem pa že sam CS kaže protimikrobno aktivnost (kot je poznano iz literature in so potrdile tudi naše raziskave), ki je KER nima. Poroznost lahko povečamo z zvišanjem deleža CEL, kljub temu smo za nadalnje delo izbrali materiale s sestavo CEL:CS (25:75) saj je znižanje poroznosti zaradi manjšega deleža CEL minimalno (20-30%) v primerjavi s povečanjem poroznosti, ki ga prispeva dodatek SEC.

2) Dodatek SEC poveča poroznost materialov, ki se z deležem (10, 30, 50%) dodanega SEC poveča tudi do 200 %. Pomembna pa je ugotovitev, da je poroznost materiala CEL:CS:SEC višja v primerjavi s samim CEL:CS tudi po dodatku SEC z nanešenimi antibiotiki. Dodani antibiotiki namreč znižujejo poroznost sintetiziranih biopolimerov, predvidoma zaradi vgrajevanja v pore materiala. Sama poroznost biokompozitov je bila pri vseh testiranih materialih enakomerna glede na globino oz. debelino materiala. Ugotovili pa smo večjo hrapavost površine biokompozitov (kar je pri oblogah za rane zaželeno), ki je bila sorazmerna % dodanega SEC. Meritve s SEM so potrdile enakomerno porazdelitev SEC na popvršini biokompozitov, rezultati analiz s tehniko ToF-SIMS pa so pokazali, da antibiotiki med sintezo minimalno difundirajo v okolico in ostanejo pretežno vezani v mikrokapsulah SEC. Tridimenzionalno homogenost porazdelitve antibiotikov v biokompozitih potrjujejo tudi meritve z BDS.

3) Sproščanje testiranih antibiotikov iz materialov CEL:CS (25:75) z dodanim 10, 30, 50% SEC je v vseh primerih hitro in zaznavno že po nekaj minutah. Maksimalne vrednosti, ki pričakovano naraščajo s % SEC, pa koncentracije antibiotikov v mediju dosežejo po 30 - 70 minutah. Najhitreje se sprošča gentamicin, najpočasneje pa amoksicilin. Sama dinamika sproščanja antibiotikov ni direktno povezano s poroznostjo biokompozitov pač pa je prvenstveno odvisna od količine antibiotika (oz. % SEC) dodanega materialu.

4) Proti testiranim organizmom(E. faecalis, P. aeruginosa, P. mirabilis S. maltophilia, S. aureus) so največjo protimikrobno učinkovitost pokazali biokompoziti z dodanim ciprofloksacinom, ki so bili ne glede na količino dodanega SEC z antibiotikom, preko 99% učinkoviti pri zaviranju rasti mikroorganizmov, razen v primeru S. maltophilia, pri katerem je bil najbolj učinkovit material s 30% dodanega SEC z antibiotikom in je zagotavljal 97% učinkovitost, materiala z 10 oz. 50% dodanega SEC pa sta imela bistveno nižji učinkovitosti (70% in 50%). Visoko učinkovitost (> 99%) proti posameznim mikroorganizmom (P. mirabilis in P. aeruginosa) so pokazali tudi materiali z gentamicinom, pri katerih pa se je tudi pojavil trend upadanja učinjovitosti (pod 70%) pri najvišjem dodanem deležu SEC. Proti S. aureus in S. maltophilia je bila učinkovitost teh materialov 90% (za 30% delež SEC). Najmanj učinkoviti so bili materiali, ki smo jih pripravili z dodatkom amoksicilina in so bili učinkoviti le proti E. faecalis (70%) in S. aureus (85% - le pri 50% dodanega SEC).

Letni obseg financiranja ARIS (2139 ur D).

Sodelujoče institucije:

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Laboratorij za analizno kemijo in industrijsko analizo (vodja prof. dr. Matjaž Finšgar)

Univerza Marquette, Oddelek za kemijo - prof. dr. Chieu D. Tran (neformalno sodelovanje, financirano preko programa Erasmus+)

Člani raziskovalne skupine:

• prof. dr. Mladen Franko, vodja
• izr. prof. dr. Dorota Korte
• izr. prof. dr. Martina Bergant Marušič
• dr. Swapna Mohanachandran Nair Sindhu
• dr. Christina Paparokidou
• Petra Makorič
• dr. Particia Cazon Diaz
• izr. prof. dr. Matjaž Finžgar
• dr. Tinkara Mastnak
• dr. Tanja Vrabelj
• David Majer
• Daša Zajc

Bibliografija raziskovalne skupine

Rezultati projekta:

1. KHABIBULLIN, Vladislav R., FRANKO, Mladen, PROSKURNIN, Mikhail A. Accuracy of measurements of thermophysical parameters by dual-beam thermal-lens spectrometry. Nanomaterials. [Online ed.]. 2023, vol. 13, no. 3, [article no.] 430, str. 1-30, ilustr. ISSN 2079-4991. https://www.mdpi.com/2079-4991/13/3/430, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=7887, DOI: 10.3390/nano13030430. [COBISS.SI-ID 138797827], [Odprti dostop]
   projekt: J7-2602-2020 Sinteza in karakterizacija biokompozitnih materialov na osnovi sporopolenina za doseganje večje učinkovitosti proti mikroorganizmom odpornim na antibiotike; financer: Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
2. BUDASHEVA, Hanna, SWAPNA, Mohanachandran Nair Sindhu, BRATKIČ, Arne, SANKARARAMAN, Sankaranarayana Iyer, KORTE, Dorota. Unveiling labile iron speciation in aquatic systems : depth binding profiles in chelex-based resin hydrogels using diffusive gradients in thin films - beam deflection spectrometry. Microchemical journal. [Online ed.]. Feb. 2024, vol. 197, str. 1-12, ilustr. ISSN 1095-9149. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0026265X23014455?via%3Dihub, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=8727, DOI: 10.1016/j.microc.2023.109826. [COBISS.SI-ID 179547139], [JCR, SNIP, WoS, Scopus]
3. CABRERA, Humberto, KORTE, Dorota, BUDASHEVA, Hanna, ASBAGHI, Behnaz Abbasgholi N., BELLUCCI, Stefano. Through-plane and in-plane thermal diffusivity determination of graphene nanoplatelets by photothermal beam deflection spectrometry. Materials. Dec. 2021, vol. 14, iss. 23, str. 1-17, ilustr. ISSN 1996-1944. https://www.mdpi.com/1996-1944/14/23/7273, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=7012, DOI: 10.3390/ma14237273. [COBISS.SI-ID 87055363], [JCR, SNIP, WoS do 13. 9. 2023: št. citatov (TC): 9, čistih citatov (CI): 2, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.40, Scopus do 15. 3. 2024: št. citatov (TC): 11, čistih citatov (CI): 4, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.80]
   projekt: J7-2602 Sinteza in karakterizacija biokompozitnih materialov na osnovi sporopolenina za doseganje večje učinkovitosti proti mikroorganizmom odpornim na antibiotike [SCABIOSA]; financer: ARRS
4. HAMULIĆ, Damir, MEDOŠ, Gregor, KORTE, Dorota, RODIČ, Peter, MILOŠEV, Ingrid. The effect of curing temperature and thickness of polybutyl methacrylate siloxane coatings on the corrosion protection of structural steel S355. Coatings. 2023, vol. 13, iss. 4, [article no.] 675, str. 1-19, ilustr. ISSN 2079-6412. https://www.mdpi.com/2079-6412/13/4/675, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=8085, DOI: 10.3390/coatings13040675. [COBISS.SI-ID 146847235], [JCR, SNIP, WoS do 13. 12. 2023: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 2, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.40, Scopus do 27. 11. 2023: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 2, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.40]
5. TRIPON, Carmen, SWAPNA, Mohanachandran Nair Sindhu, COBIRZAN, Nicoleta, KORTE, Dorota, GUTT, Robert, BOJAN, Marcel, FRANKO, Mladen, DADARLAT, Dorin. Improved photopyroelectric (PPE) configuration for thermal effusivity investigations of porous solids. Materials. 2023, vol. 16, issue 7, [article no.] 2880, str. 1-12, ilustr. ISSN 1996-1944. https://www.mdpi.com/1996-1944/16/7/2880, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=8134, DOI: 10.3390/ma16072880. [COBISS.SI-ID 148590851], [JCR, SNIP, WoS do 26. 8. 2023: št. citatov (TC): 1, čistih citatov (CI): 0, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.00, Scopus do 7. 9. 2023: št. citatov (TC): 1, čistih citatov (CI): 0, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.00]
6. SWAPNA, Mohanachandran Nair Sindhu, TRIPON, Carmen, GUTT, Robert, FARCAS, Alexandra, BOJAN, Marcel, KORTE, Dorota, KACSO, Irina, FRANKO, Mladen, DADARLAT, Dorin. Non-contact and self-calibrated photopyroelectric method for complete thermal characterization of porous materials. Materials. 2023, vol. 16, issue 15, [article no.] 5242, str. 1-16, ilustr. ISSN 1996-1944. https://www.mdpi.com/1996-1944/16/15/5242, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=8332, DOI: 10.3390/ma16155242. [COBISS.SI-ID 160644611], [JCR, SNIP, WoS, Scopus]
7. SWAPNA, Mohanachandran Nair Sindhu, KORTE, Dorota, SANKARARAMAN, Sankaranarayana Iyer. Unveiling the role of the beam shape in photothermal beam deflection measurements : a 1D and 2D complex geometrical optics model approach. Photonics. 2022, vol. 9, iss. 12, str. 1-13, ilustr. ISSN 2304-6732. https://www.mdpi.com/2304-6732/9/12/991, https://repozitorij.ung.si/IzpisGradiva.php?id=7788, DOI: 10.3390/photonics9120991. [COBISS.SI-ID 134426627], [JCR, SNIP, WoS do 12. 9. 2023: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 0, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.00, Scopus do 15. 9. 2023: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 0, čistih citatov na avtorja (CIAu): 0.00]
   projekt: J7-2602 Sinteza in karakterizacija biokompozitnih materialov na osnovi sporopolenina za doseganje večje učinkovitosti proti mikroorganizmom odpornim na antibiotike [SCABIOSA]; financer: ARRS

Projekt financira, Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije