Hodnocení biologických vlastností nových typů biocidních a antifoulingových povrchových úprav

Mgr. Bc. Eva Trávníčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Assessment of biological properties of new types of biocidal and antifouling coatings

Anotácia:

Předložená dizertační práce si klade za cíl zhodnotit některé možnosti prevence biologického zanášení (tzv. fouling nebo biofouling) a růstu biofilmů pomocí tvorby funkčních povlaků. Biofilmy představují velký problém v oblasti medicíny a různých průmyslových zařízení, například medicínské implantáty, plavidla, pobřežní zařízení, potrubí, produkční linky, membrány. Poté, co biofilm na určitém povrchu doroste do kritické velikosti, způsobí snížení výkonu v daném procesu anebo se zhorší kvalita a bezpečnost produktu. Pak je nezbytné přijmout opatření ke zmírnění následků růstu biofilmu. Jelikož tradiční způsoby ošetření zahrnující použití antibiotik a biocidů přestávají být účinná kvůli rostoucí rezistenci a představují zátěž pro životní prostředí, pozornost se přesouvá k novým typům materiálů s jiným mechanismem účinku, než je uvolňování látek do prostředí. V dizertační práci jsou popsány vývojové fáze růstu biofilmů v různých prostředích. Nejdůležitější fáze růstu biofilmu je často adheze buněk a práce se zaměřuje na dvě preventivní strategie tvorby povlaků proti adhezi: hydrofobitu a inhibici buněk při kontaktu. V první studii byl pomocí nízkoteplotní plazmové trysky vytvořen povlak s obsahem mědi, který je použitelný pro biomedicínské účely. Technika depozice pomocí plazmatu byla vybrána jako nezatěžující životní prostředí. Povlak byl zhodnocen z hlediska morfologie, chemického složení, stability v roztocích, antimikrobiálních vlastností a biokompatibility. Byla potvrzena chemická homogenita povlaku. Časová závislost uvolňování mědi do roztoků ukazuje, že je možné množství mědi kontrolovat pomocí parametrů depozice. Antimikrobiální účinnost byla závislá na množství uvolněné mědi, a zároveň si povlak uchoval dobrou biokompatibilitu. Cílem druhé studie bylo vyvinout povlaky proti smíšenému biofilmu včetně řas. Povlaky kombinovaly dva principy – (super)hydrofobitu a fotokatalytický účinek TiO2 nanočástic o různé velikosti. Ukázalo se, že superhydrofobita je účinnější proti řasovému zanášení než fotokatalýza, jelikož se řasy nepřichytí. Fotokatalytická aktivita byla prokázána při odbourávání NOx, ale nebyla účinná proti řasám, které mají enzymatické a metabolické přizpůsobení ke zvládání kyslíkových radikálů vznikajících při fotosyntéze. Třetí studie popisuje metodu pro rychlý screening antibakteriální účinnosti nanovláknitých filtračních membrán. Metoda je založena na bakteriální metabolizaci nefluorescentního resazurinu na fluorescentní resorufin. Byly otestovány nefunkcionalizované membrány a membrány funkcionalizované stříbrem a kvartérními amoniovými sloučeninami. V testech byly použity dvě čisté kultury a jedna smíšená kultura (odtok z čistírny odpadních vod), a byl určen vztah mezi kinetikou metabolismu resazurinu, počtu bakterií a antibakteriálním účinkem. Metoda byla porovnána se standardizovanou metodou pro testování antibakteriální účinnosti textilií založenou na kultivaci. Metoda s použitím resazurinu umožňuje testování účinnosti většího množství membrán zároveň než kultivační metoda a zároveň je méně náročná na čas, materiál a manipulační práci. Získané výzkumné výsledky ukazují, že prevence a zpomalení adheze je dobrým začátkem, nicméně pro dlouhodobou účinnost je nutné povlaky vylepšit ohledně stability, bezúdržbovosti a rozšíření spektra účinnosti (a zároveň bez zbytečné (eko)toxicity pro necílové organismy). Pro navrhování antifoulingové strategie bude potřebný komplexní přístup, nikoliv jen řešení adheze. Důležitý je také vývoj vhodných testovacích metod – další výzkum by se měl zaměřit na vývoj či zl

Anotácia:

epšení monitorovací strategie, aby bylo možné i zvnějšku zařízení detekovat raná stadia biofilmu.

Abstract:

The dissertation thesis aims to assess some of the options how to prevent biofouling and biofilm growth by creating functional coatings on surfaces. Biofouling and biofilms are the big issue in medicine and in variety of industrial structures, namely medical implants, vessels, offshore structures, piping, production lines, membranes. After critical biofilm accumulation on the surface, leading to decreasing process performance and/or impairing quality and health safety of the product, it is necessary to take remedial actions to mitigate the development of biofilms. As traditional chemical treatment by antibiotics and biocides is not that efficient anymore due to increasing resistance and poses a burden for environment, researchers and industry turned their attention to new types of materials with mechanisms of action other than leaching of active substance. In the thesis, biofilm development and its phases and biofilm features in various environments are described. The critical phase of biofilm formation is adhesion of cells; therefore, the work aims to assess two different strategies aimed at prevention and suppression of adhesion when creating antifouling coatings: hydrophobicity and contact killing. To address the aim for environmentally friendly technique, selected plasma technique, namely low-temperature DC plasma jet, was used for copper coating intended for use in biomedicine. The coating was assessed for morphological structure, chemical composition, stability in solutions, antimicrobial properties and biocompatibility. The coating’s chemical uniformity was confirmed. The time-dependent behavior of copper-release rate in solutions showed that the amount of copper can be tailored by tuning deposition parameters. Antimicrobial efficacy showed dependence on released copper, while adhered cells showed a good biocompatibility. The second study addresses industrial coating against mixed-species fouling including algae including photocatalytic coatings with TiO2 nanoparticles combined with hydrophobization agents. These coatings combined two principles of antifouling – hydrophobization and photocatalysis – and the combination was expected to be more efficient than coatings based on one principle. It was proved that superhydrophobicity lead to higher efficacy against algal fouling, as algae do not adhere. Photocatalytic activity as NOx abatement was confirmed, however, not proved efficient against algae, as algae have enzymatic and metabolic features to manage reactive oxygen species created during photosynthesis. The third study introduces a method for quick antibacterial efficacy screening of nanofiber filtration membranes under development. The method is based on non-fluorescent resazurin metabolized by bacteria to fluorescent resorufin. Pristine membranes and membranes functionalized with silver and quaternary ammonium compounds were tested with two pure bacterial cultures and one mixed-species culture from wastewater effluent. The relationship between resazurin metabolization kinetics, number of bacteria and antibacterial activity was determined. The resazurin method was compared and correlated with standardized ISO method for testing antibacterial efficacy of textiles based on cultivation. The resazurin method allows to screen membranes for efficacy in bigger batches than cultivation method, it is less demanding for time, work and material. Overall, the obtained research results showed that prevention or mitigation of adhesion is a good start, however, for long-term efficacy, the improvements regarding coatings properties like stability, maintenance-free and broader spectrum of target organisms without unnecessary (eco)toxicity are welcome. From the experience, holistic approach for antifouling strategy (and not adhesion only) will be required. Also, development of proper testing methods for coating is important. Future research should aim at a development of suitable monitoring strategy accessible from outside to d

Abstract:

etect early stages of biofouling or improve the existing monitoring systems.

Keywords

photocatalysis, antifouling, biofilms, superhydrophobic surfaces, plasma coatings

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 4. 10. 2021

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 16. 11. 2021
• Vedúci: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Alena Ševců, Ph.D., RNDr. Jana Soukupová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology