Kompozitní materiály pro medicínské aplikace

Ing. Michal MACHOVSKÝ

Doctoral thesis

Composite Materials for Medical Application

Abstract:

The presented doctoral thesis submitted in the form of commented thematically arranged collection of original scientific articles with accompanying text is focused on preparation of polymeric composites with antibacterial properties. The development of antibacterial polymeric systems is documented from the synthesis of active fillers, investigation of their properties, compounding to polymeric matrix, testing of prepared composites and assessment of surface antibacterial activity. At the first, antibacterial filers based on zinc oxide were proposed and the original method of their preparation by use of microwave-assisted hydrothermal precipitation from soluble zinc salts introduced. Formation mechanism of zinc oxide particles from layered basic zinc hydroxide acetate intermediate product under the mild pH condition was elucidated. The method was developed further for preparation of two-dimensional mesoporous zinc oxide particles with the aim to study effect of particles morphology on the surface antibacterial performace of the composites. Both two- and three-dimensional fillers were prepared in the size order of micrometers, however, with the nanostructured morphology on mesoscale. This approach, inspired by the shape of snow flake, was adopted to avoid adverse effects that inevitably occur during processing of nanoparticles. The micro-filler keeps all advantages of conventional powder processing and, moreover, it possesses physico-chemical attributes related to nanoparticles as well. Hybrid filler containing silver and zinc oxide was synthesized finally in order to broaden the antibacterial activity of pure zinc oxide. Following experimental methods were used for characterization of prepared fillers; X-ray diffractometry, scanning electron microscopy, thermogravimetry, and Fourier transform infrared spectroscopy. This part of analytical work contributed to the discussion related to the structure of zinc oxide precursors, i.e. the bonding configuration of the anions in layered basic zinc acetates and sulphates was elucidated. The medical grade of polyvinyl chloride was selected as a model matrix for preparation of composites containing 0.3-5 wt.% of various synthesized fillers. Plasticized PVC was chosen as the most widely used plastic in medical device applications. An integral part of experimental work consists in optimization of processing conditions in order to assure good dispersion and distribution of filler in matrix. Tensile tests confirmed that incorporation of filler powders at the concentration up to 5 wt.% does not influence mechanical performance of prepared antibacterial polymer composite systems in respect to intended application. The silver containing material has very good conductivity, hence, the composites containing the Ag/ZnO filler were tested on electrical conductivity as the medical device made from this material could interfere undesirably with the diagnostic and therapeutic electronic apparatuses used in medicine. The touchstone of this work can be found in the testing of the surface antibacterial activity of the prepared composites according to the ISO 22196:2007 (E) against Escherichia coli and Staphylococcus aureus as representatives of both gram-positive and gram-negative bacteria and typical pathogens responsible for nosocomial infections. The testing method was chosen as being a standard method of quantitative assessment of antibacterial activity on plastic surfaces. Zinc oxide has been shown to possessed strong antibacterial activity against Escherichia coli and mild antibacterial activity against Staphylococcus aureus. In order to improve antibacterial performance against Staphylococcus aureus, silver nanoparticles were added. However, hybrid silver zinc oxide filler prepared with three-dimensional zinc oxide particles do not bring any synergistic effect and, enhanced antibacterial activity against Staphylococcus aureus still remains challenge.

Abstract:

Předkládaná disertační práce ve formě komentovaného souboru čtyř původních článků se zaměřuje na přípravu polymerních kompozitů s antibakteriálními vlastnostmi. Vývoj antibakteriálního polymerního systému je dokumentován od syntézy aktivních plniv, charakterizace, míchání do polymerní matrice, testování připraveného kompozitu a hodnocení povrchové antibakteriální aktivity. Jako první byl zvolen materiálový systém založený na oxidu zinečnatém. Pro jeho přípravu byla vyvinuta originální metoda mikrovlnné syntézy z rozpustných solí. Byl vysvětlen reakční mechanismus vzniku a růstu krystalických fází vrstevnatého bazického octanu zinečnatého a oxidu zinečnatého. Rozvinutím původní metody byla dále získána plniva s různou morfologií částic, jejíž efekt byl, s ohledem na cíl práce dosáhnout antibakteriálního účinku, také studován. Plniva byla záměrně připravována jako práškové materiály s velikostí částic v řádu jednotek mikrometrů, avšak s nanostrukturovanou morfologii v mezoškále. Tento přístup byl zvolen s ohledem na obejití neodstranitelných negativních efektů u jinak již známých a účinných nanočástic. Mikroplnivo si ponechává výhody "konvenčního" práškového materiálu, jako je jeho zpracovatelnost s polymerní matricí. Díky nanostruktuře však získává i vlastnosti, které jsou u nanočástic považovány za pozitivní. Inspirací byl tvar sněhové vločky. Pro zvětšení záběru vyvíjeného antibakteriálního systému byla připravena také hybridní plniva, obsahující kromě oxidu zinečnatého i částice kovového stříbra. Pro charakterizaci struktury, složení a morfologie částic byly použity následující experimentální metody: rentgenová difraktometrie, skenovací elektronová mikroskopie, termogravimetrie a infračervená spektrometrie. Tato analytická část práce mimo jiné přispěla k rozřešení dosud otevřených otázek struktury prekurzorů ZnO, tj. koordinačního typu síranových a octanových aniontů ve vrstevnatých bazických octanů a síranů zinečnatých. Jako modelová matrice pro přípravu antibakteriálních polymerních systémů bylo zvoleno medicínské PVC jako standardní systém, který jednak odpovídá nejběžněji používaným materiálům, jeho vlastnosti známy a dobře se s ním pracuje, což jej činí vhodným, aby se na něm testovaly a demonstrovaly účinky plniv, která byla přidávána v malých koncentracích v rozsahu od 0.3 až 5 hm.%. Nedílnou součástí výzkumu bylo nalezení zpracovatelských podmínek míchání, které by zajistilo co nejlepší dispergaci a distribuci plniva v matrici. Dále bylo ověřeno, že ani proces míchání, ani plniva samotná, nezpůsobují zhoršení mechanických vlastností výchozího materiálu. U kompozitů obsahujících stříbro byly zkoumány i elektrické vlastnosti připraveného materiálu, neboť by prostředek vyrobený z tohoto materiálu mohl nežádoucím způsobem interferovat s diagnostickými a terapeutickými přístroji používanými v medicíně. Ve všech případech se tyto obecnější vlastnosti materiálu ukázaly jako vhodné pro případnou medicínskou aplikaci. Prubířským kamenem práce bylo testování povrchové antibakteriální aktivity připravených kompozitních materiálů podle normy ISO 22196:2007 (E) proti Escherichia coli jako standardnímu reprezentantu gram-negativních bakterií a proti S. aureus jako zástupci gram-pozitivních, kteří zároveň patří k nejběžnějším původcům nosokomiálních infeckí. Oxid zinečnatý se ukázal jak excelentní aditivum působící proti E. coli, a něco slabší proti S. aureus. Pro dosažení synergického účinku bylo k systému přidáno stříbro, které se ovšem doposud nepodařilo propojit s nejefektivnějším ZnO systémem majícím morfologii porézní mřížky. Zvýšení

Abstract:

účinnosti proti S. aureus tak zůstáva otevřenou výzvou. Významným vodítkem je závěr třetího přiloženého článku, kde je formulováno obecné pravidlo o vztahu morfologie minerálního plniva a jeho účinnosti.

Keywords

Mikrovlnná syntéza, oxid zinečnatý, polyvinylchlorid, kompozity, povrchová antibakteriální aktivita.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 7. 2013

Accessible from:: 12. 7. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 29. 8. 2013
• Supervisor: doc. Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds