Применение антимикробных полимерных материалов в медицине и при упаковке продуктов питания

Описаны принципы создания антимикробных полимерных материалов с использованием органических добавок, в том числе на основе лесохимического сырья, хитозана, неорганических добавок с использованием ионов серебра, меди и цинка. Рассмотрены принципы создания бактерицидных добавок с использованием нанотехнологий. Представлены бактерицидные пленки для покрытия различных поверхностей: виниловые пленки с ионами серебра, пленки на основе хитозана, на основе композиционных материалов с применением полигуанидинов, пятислойные пленки EVOH, пленки на основе латексных композиций. Рассмотрено новое направление – создание электретных полимерных материалов с бактерицидными свойствами. В отдельных главах описаны бактерицидные материалы медико-технического назначения и для упаковки пищевых продуктов. Кратко описаны методы определения чувствительности микроорганизмов к антибактериальному препарату, представлены основные технологии производства бактерицидных полимерных материалов.

Болезнетворные микроорганизмы, находящиеся на поверхности и в самих продуктах, вызывают их порчу, а попадая в организм пользователя через продукты, окружающую среду, контактирующие предметы, всегда являются причиной токсикозов и болезней. Применение материалов с антибактериальными свойствами позволит остановить рост микроорганизмов и обеспечить непрерывную антибактериальную защиту промышленным и продовольственным товарам, находящимся в упаковке. Биоцидные продукты в составе упаковочных материалов предназначены разрушать, удалять или делать неэффективными такие вредные организмы как бактерии, вирусы и грибки. Они должны быть не только эффективны против вредных организмов, но должны полностью разлагаться естественным путем и снижать прямые (связанные с токсичностью) или непрямые (связанные с хронической токсичностью) риски для человека. Активные компоненты биоцидных продуктов обычно являются активными веществами химической природы, иногда активными веществами натурального происхождения или же смесью того и другого. Биоцидные продукты должны быть не токсичными и/или не вредными для человека и окружающей среды, а также биоразлагаемыми и биосовместимыми для человека. Этими качествами обладают биоциды растительного происхождения. В то же время они должны быть веществами, задерживающими развитие микроорганизмов.

Специалистами упаковочной отрасли введен в обращение термин «активная упаковка», подчеркивающий способность упаковочных материалов направленно воздействовать на продукт. Этот тип упаковки обычно содержит специальные добавки, способствующие улучшению товарного вида и сохранению органолептических свойств пищевой продукции. К «активным» упаковкам относят антифунгцидные, антисептические, бактерицидные, съедобные, антиадгезионные покрытия, само разлагающиеся и обогащенные витаминами («полезные») пленки, а также пленки на основе электретных материалов. Подобная упаковка позволяет исключить из цикла производства консерванты.

Вследствие огромных материальных потерь, вызываемых действием микроорганизмов, в настоящее время все большее внимание уделяется биозащите различных материалов, повреждаемых при их производстве, хранении и эксплуатации. Кроме того, создаются антибактериальные и антигрибковые волокнистые материалы и изделия из них для нужд медицины. В последние годы встает вопрос о необходимости создания совершенно новых материалов со специальными заранее заданными свойствами.

Установлено, что бактерии и грибки могут осаждаться на поверхности полимерных изделий и даже проникать в поверхностный слой. Поэтому для борьбы с ними механическая чистка поверхности изделия не всегда эффективна. Появления бактерий и (или) грибков на поверхности полимерного изделия можно избежать путем введения антибактериальных веществ или создания электретных материалов.

.1. 

Классификация полимеров

Полимер (от греческих слов poly – много и meros – доля, часть) – соединение с высокой молекулярной массой, макромолекулы которого состоят из очень большого числа простых, одинаковых, повторяющихся звеньев (мономеров) или повторяющихся группировок. Например, полиэтилен [– СН2 – СН2 –] n образуется из мономера этилена СН2 = СН2, где число n может достигать нескольких десятков тысяч единиц. Для макромолекулы полимера характерно то, что ее длина в тысячу раз и более превышает поперечный размер. Так, для полистирола при n = 6000 макромолекула имеет длину 1,5·10– 6 м, а ее поперечный размер равен 1,5·10– 9 м, т. е. в 1000 раз меньше. Простейшей моделью макромолекулы является нить, рис.1, с насаженными на нее бусинками, причем эта нить находится в запутанном состоянии.

Молекулярная масса полимера может составлять от 5000 до 1000000 а.е.м. (атомная единица массы). При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

По происхождению полимеры могут быть природными и синтетическими. Природными полимерами являются белки, полисахариды, целлюлоза, крахмал, натуральный каучук, слюда, асбест, природный графит.

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья.

Рис.1. Простейшая модель макромолекулы полимера

К синтетическим полимерам относятся синтезированные высокомолекулярные вещества, полученные полимеризацией или поликонденсацией (полиэтилен, полистирол, синтетические смолы, волокна, каучуки и т. д.) и химическим модифицированием.

Полимеризация— состоящий из многих частей – процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует так называемое мономерное (структурное) звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков. Обычно мономерами являются соединения, содержащие кратные связи либо циклические фрагменты, способные раскрываться и образовывать новые связи с другими молекулами, обеспечивая рост цепей.

Поликонденсация – процесс синтеза полимеров из полифункциональных (чаще всего бифункциональных) соединений, обычно сопровождающийся выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спиртов и т. п.) при взаимодействии функциональных групп.

Линейная поликонденсация проводится в расплаве, в растворе, на границе раздела фаз («межфазная поликонденсация»), а также в твердом состоянии. Поликонденсация в расплаве – способ проведения поликонденсации при отсутствии растворителя или разбавителя, образующийся при этом полимер находится в расплавленном состоянии. Температура реакции на 10—20°С превышает температуру плавления (размягчения) образующегося полимера (200—400°С). На конечной стадии в реакторе создают высокий вакуум, что позволяет достичь наиболее полного удаления выделяющихся при реакции низкомолекулярных соединений. Поликонденсация в расплаве – основной промышленный метод линейной поликонденсации.