نانوکامپوزیت ها؛ پارچه های خودضدعفونی کننده

به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز، عفونت های بیمارستانی یکی از تهدیدهای مهم سلامت عمومی در ایالات متحده آمریکا به شمار می روند. از هر 31 بیمار یک نفر در طول دوران بستری یا پس از مرخص شدن از بیمارستان دچار عفونت بیمارستانی می شود. با استفاده از فناوری جدید Crescoating می توان پارچه های خودضدعفونی کننده تولید کرد. این پارچه ها به همان اندازه که برای محیط بی خطر هستند برای افراد نیز ایمن بوده و باعث کاهش چشمگیر عفونت های بیمارستانی و در پی آن نجات جان بسیاری از افراد و همچنین میلیاردها دلار صرفه جویی در سال می شوند.

تشدید عفونت های بیمارستانی در پی شیوع کووید

در بیمارستان ها منسوجات زیادی وجود دارد نظیر یونیفورم پرسنل، گان بیماران، روتختی، فرش، مبلمان، حوله و پرده که همه آن ها می توانند محیط مناسبی برای رشد میکروارگانیزم ها باشند و به گسترش عفونت های بیمارستانی از جمله ویروس کووید-19 کمک کنند. به گزارش مرکز پیشگیری و کنترل بیماری های آمریکا(CDC)، از 18 مارس 2022 بیش از یک میلیون نفر از کادر درمان به کووید-19 مبتلا شده اند.

بر اساس مطالعه ای که نشان می دهد نرخ آلودگی باکتریایی یک یونیفرم تازه تمیز شده پس از هشت ساعت شیفت مشابه روپوش پزشکی است که به ندرت شسته می شود، ثابت شد که عملکرد مواد تمیز کننده و ضدعفونی کننده در جلوگیری از سرایت عوامل بیماری زا ناکافی می باشد.

شیوع پاندمی کووید-19 باعث افزایش میزان عفونت های بیمارستانی شده است برای مثال در سال 2020 عفونت جریان خون مرتبط با کاتتر ورید مرکزی(CLABSI)، عفونت دستگاه های ادراری مرتبط با کاتتر(CAUTI) و پنومونی مرتبط با ونتیلاتور به ترتیب 47، 19 و 45 درصد افزایش یافته است. علاوه بر آن بر اساس گزارش CDC عفونت های مرتبط با استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی سیلین(MRSA) نیز در سال 2020 بیشتر شده است.

این موضوع می تواند برای مکان هایی مانند خانه های سالمندان که در آن جا عفونت های تنفسی، عفونت های مجاری ادراری، گاستروانتریت، سپسیس و بیماری های پوستی بعضی از مهم ترین عوامل مرگ و میر هستند و عوامل بیماری زای مقاوم به دارو را شامل می شوند، مشکل ساز باشد. لازم است تا مراقبت بیشتری در برابر این عفونت های مرگ زا از پرسنل و افراد ساکن به عمل آورده شود.

نانوذرات نقره سمی و بی دوام

استفاده از نانوذرات نقره در صنعت نساجی به دلیل خاصیت ضدمیکروبی آن ها دارای روند افزایشی بوده است. سهم منسوجات ضدمیکروبی حاوی نقره از بازار از 9 درصد در سال 2004 به 25 درصد در سال 2011 رسید و به تدریج جایگزین ترکیبات ارگانیک مصنوعی شد. متداول ترین روش های قرار دادن نانوذرات اکسید فلز و فلز در منسوجات روش اسپری کردن محلول نانوذرات، ته نشینی لایه به لایه با پلیمرها یا پلی الکترولیت ها، پوشش دهی سونوشیمیایی، ته نشینی پلاسما و الکتروریسی است.

مشکل اینجاست که سطوح پوشش دهی شده در معرض شسته شدن قرار دارند. انتشار نانوذرات نقره در شستشوی اول 80 درصد می باشد. علاوه بر آن نقره نشانه هایی از سمی بودن را در سیستم های زیست محیطی از خود نشان داده و همچنین باعث ایجاد اختلال در فرایند تکمیل بیولوژیکی کارخانجات تصفیه پساب های صنعتی و شهری شده است.

روی به سلامت انسان و محیط زیست آسیبی وارد نمی کند

ثابت شده  است که منسوجات پوشش دهی شده با نانوذرات فلزی دارای خواص ضدمیکروبی هستند اما به دلیل آلوده کردن محیط زیست و از دست دادن عملکرد خود چندان در بخش سلامت و بهداشت مورد استفاده قرار نمی گیرند. با این حال منسوجات تهیه شده از نانوکامپوزیت روی این مشکلات را ندارند. این منسوجات ضدحساسیت و غیرسمی بوده و عملکرد ضدمیکروبی خود را تا پایان عمر پارچه حفظ می کنند و در ضمن برای تولید آن ها نیاز به سرمایه چندانی نیست.

شکل1- مقایسه (A) فرایند متداول غوطه وری-پوشش دهی با (B) فناوری حرارتی کرسکوتینگ. (A) فرایند تر سنتز نانوذرات با احیای شیمیایی (1)، غوطه وری-پوشش دهی منسوج در نانوذرات (2)، شستشو و خشک کردن (3). (B) آغشته سازی منسوج به محلول پیش ماده (1)، احیای حرارتی با حرارت دهی منسوج در دمای c° 100 (2)، شستشو و خشک کردن (3).

با استفاده از فرایند جدید کرسکوتینگ(شکل 1) که در دانشگاه مینه سوتا توسعه یافته می توان منسوجات فوق را تولید کرد. در این فرایند نانوذرات روی به طور مستقیم بر روی توده مواد اولیه پلیمری و درون آن ها رشد داده می شوند تا نانوکامپوزیت های بادوام و ایمن را ایجاد کنند(شکل 2).

منسوجات تهیه شده از نانوکامپوزیت روی به طرز بی نظیری قادر به حفظ نانوذرات درون خود بوده و حتی پس از صد بار شستشو دست نخورده باقی می مانند که یعنی منسوجات به هیچ وجه عملکرد ضدمیکروبی خود را از دست نداده و نانوذرات نیز وارد پساب ها نمی شوند. یکی دیگر از مزایای فناوری کرسکوتینگ این است که می توان آن را به خوبی بر روی منسوجات طبیعی و مصنوعی به کار گرفت(شکل 1).

شکل2- تصاویر SEM از نانوکامپوزیت های پلاستیکی تولید شده به روش "رشد مستقیم در محل". (A) فیلم نانوکامپوزیت روی-پلی یورتان. فلش آبی نشان دهنده دو تکه از فیلم نازک نانوکامپوزیت است. تصاویر واضح شده از مقطع عرضی فیلم نشان دهنده حضور نانوذرات روی درون فیلم می باشد. (B) نانوکامپوزیت های روی-نایلون درون الیاف نایلون تعبیه شده اند. (C) نانوکامپوزیت نقره-پلی استر/پنبه.

فلزات نشان داده اند که دارای خواص ضد میکروبی زیادی هستند. در این مورد خاص از روی به عنوان فلز ضدمیکروب استفاده شده چون این ماده از سوی سازمان غذا و داروی آمریکا(FDA) به عنوان ماده افزودنی مجاز(GRAS) شناخته شده و استفاده از آن در محصولات تجاری از مواد غذایی گرفته تا مواد آرایشی رایج است. روی یک انتخاب دوستدار محیط زیست بوده چون آسیبی به سلامت انسان و محیط زیست وارد نمی کند.

هنوز در مورد این که چرا نانوذرات روی در مقابله با میکروب های خطرناک تا این حد موثر عمل می کنند مطالعه دقیقی صورت نگرفته است. با این حال مطالعات پیشین نشان می دهد که خواص فتوکاتالیستی آن ها باعث تولید پراکسید هیدروژن می شود که قابلیت نفوذ به غشای میکروب ها و کشتن آن ها را دارد. در مورد تاثیر ضدمیکروبی این منسوجات بر روی عوامل بیماری زای قارچی مطالعات کمتری انجام شده است. با این وجود نتایج آزمایشات نشان می دهد که این منسوجات نانوکامپوزیتی جدید به شدت در مواجهه با قارچ های بیماری زا موثرند.

سادگی فرایند کرسکوتینگ دوام آن را نقض می کند

فناوری اختصاصی کرسکوتینگ کمپانی Claros Technologies بسیار متنوع است. این فرایند را می توان بر روی پارچه های مختلفی از جمله ابریشم، پلی استر مصنوعی، ترکیب نایلون-پنبه و پلی استر-پنبه به کار گرفت. نخستین مرحله غوطه ور کردن منسوجات درون یک محلول یونی آبی از نمک روی به مدت 30 دقیقه در دمای اتاق است. پس از آن به مدت 4 ساعت درون یک آون در دمای 100 درجه سلسیوس حرارت دهی می شوند تا آب تبخیر شده و تشکیل دانه و هسته زایی نانوذرات انجام شود. اندازه ذرات بین 5 تا 500 نانومتر است. رسوبات تشکیل شده نیز با انجام شستشو مطابق با دستورالعمل انجمن رنگرزان و شیمیدانان نساجی آمریکا(AATCC) یعنی روش LP1: Home Laundering از روی منسوج پاک می شوند.

فناوری کرسکوتینگ باعث افزایش دوام و طول عمر منسوجات نانوکامپوزیتی در مقایسه با محصولات متداول که به صورت سطحی پوشش دهی شده اند، می شود چون منسوجات متداول با گذشت زمان و شستشو نانوذرات خود را از دست می دهند.

عملکرد ضدمیکروبی نزدیک به صددرصد در آزمایشات

برای بررسی خواص ضدمیکروبی و ضدقارچی پلی استر، ابریشم و ترکیب 50:50 نایلون-پنبه که فرایند کرسکوتینگ بر روی آن ها انجام شده بود از روش تست 2004-100 انجمن AATCC استفاده شد.

نتایج به دست آمده به دو دسته تقسیم شد: تست "پیش از شستشو" که بر روی نمونه هایی که بلافاصله پس از انجام فرایند بر روی آن ها در ماشین شسته شده بودند انجام شد و تست "پس از شستشو" که توسط یک شرکت ثالث بر روی نمونه ایی که چندین بار مورد شستشو قرار گرفته بودند، انجام شد. پارچه مورد آزمایش ترکیب نایلون/پنبه بوده و آزمایش نیز بر روی گونه های باکتریایی استافیلکوکوس آرئوس(گرم مثبت) و کلبسیا پنومونیه(گرم منفی) و گونه های قارچی کاندیدا آلبیکانس(CA) انجام شده است.

تست ضدمیکروبی پیش از شستشو. پارچه مورد آزمایش به سوسپانسیون باکتری در محیط مغذی آغشته و آبکشی شد. یک سری از پارچه ها دوره نهفتگی نداشتند و یک سری دارای دوره نهفتگی 24 ساعته بودند. محلول پاک شده از روی نمونه پارچه ای به مدت 24 ساعت در دمای 37 درجه سلسیوس بر روی پلیت قرار گرفت تا دوران نهفتگی آن سپری شود. با شمارش کلونی ها بر روی پلیت میزان رشد باکتریایی تعیین شد(شکل 3).

برای بررسی عملکرد منسوج در مقابل قارچ کاندیدا آلبیکانس نیز از روش مشابهی استفاده شد. هرچند که بر اساس توصیه AATCC آزمایشات ضدقارچی و ضدباکتریایی منسوجات با هم متفاوت است اما چرخه رشد کاندیدا آلبیکانس مشابه باکتری می باشد که باعث می شود بتوان برای بررسی ضدقارچی بودن منسوج از نسخه اصلاح شده روش 2004-100 AATCC استفاده کرد.

شکل3- تصاویر منتخب از صفحات کشت سلولی مورد استفاده در تست ضدمیکروبی از طریق شمارش سلولی برای نمونه های شسته شده با محلول 105X رقیق شده پس از 24 ساعت.

بهترین و یکنواخت ترین نتایج، نتایج به دست آمده از نمونه هایی بود که دوره نهفتگی 24 ساعته را سپری کرده بودند. این نتایج کاهش میکروبی چشمگیری از 98 درصد تا بیش از 999/99 درصد را در نمونه های تهیه شده از نانوکامپوزیت روی در مقایسه با نمونه های عمل نشده نشان می داد. درصدهای به دست آمده مساوی یا بیشتر از مقادیر گزارش شده برای پارچه های پنبه ای عمل شده با نانوذرات نقره یا عمل شده با سیلوکسان سولفوپروپیل بتایین برای مقابله با استافیلوکوکوس آرئوس گرم مثبت و باکتری گرم منفی بوده است.

تست ضدمیکروبی پس از شستشو. پارچه پنبه-پلی استر تهیه شده از نانوکامپوزیت روی بر اساس روش شستشوی خانگی AATCC، 50 بار در ماشین مورد شستشو قرار گرفت و خواص ضدباکتریایی آن توسط آزمایشگاه Vartest Laboratories  بررسی شد. میزان کاهش باکتری در این منسوج بیش از 999/99 درصد برای هر دو باکتری کلبسیا پنومونیه و استافیلوکوکوس آرئوس پس از 24 ساعت نهفتگی و حتی پس از 50 بار شستشو(جدول 1) بوده است.

تایید ماندگاری بی نظیر عملکرد منسوجات توسط آزمایشگاه شخص ثالث

کمپانی Pace Analytical که یک آزمایشگاه شخص ثالث است، قابلیت نگهداری نانوذرات روی را درون منسوج پس از چندین بار شستشو مورد بررسی قرار داد. نمونه های مختلفی از پارچه های پنبه ای نانوکامپوزیتی در معرض روش آبشویی باران مصنوعی(SPLP) قرار گرفتند. این پارچه ها یک بار پس از تولید به منظور جدا کردن نانوذرات رها از روی سطح آن ها مورد شستشو قرار گرفتند. مطالعات نشان داد که برای یکی از نمونه های پنبه ای بالاترین میزان جدا شدن روی از پارچه که 106000 میکروگرم در لیتر بود، درست پس از اولین شستشوی بعد از تولید رخ داد. در آزمایشات بعدی که بر اساس روش EPA 3010A و EPA 6010B بود، شستشوی نانوذرات روی از روی پارچه ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به دست آمده از این آزمایشات نشان داد که میزان جدا شدن روی پس از هر بار شستشو بسیار کمتر بود.

بر اساس آزمایش های انجام شده ثابت شد که پارچه های نانوکامپوزیتی تولید شده به روش کرسکوتینگ بسیار بادوام هستند. بالاترین غلظت رسوب اولیه بسیار پایین تر از 250000 میکروگرم در لیتر بود که حد آستانه مجاز غلظت محلول (STLC) در کالیفرنیاست. می توان با توجه به این محدوده نتیجه گرفت که غلظت رسوب روی پس از هر بار شستشو آن قدری نیست که برای سلامت انسان و محیط زیست خطرناک باشد. در سه نوع مختلف پارچه پنبه ای مقادیر مختلفی از رسوب مشاهده شد که علت آن می تواند تفاوت در سایز الیاف و فرایندهای آماده سازی باشد.

پارچه پنبه ای عمل شده با نانوکامپوزیت روی صد بار مورد شستشو قرار گرفت. این نمونه ها برای مقابله با باکتری استافیلوکوکوس اورئوس گرم مثبت و بر اساس روش آزمایش 100 AATCC مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج به دست آمده از نمونه ها نشان دهنده کاهش 999/99 درصدی باکتری، ماندگاری و طول عمر بیشتر در مقایسه با سایر منسوجات ضدمیکرب بوده است.

منسوجات تهیه شده از نانوکامپوزیت روی ضد حساسیت هستند

ضدمیکروبی بدون و سمی نبودن منسوجات تهیه شده از نانوکامپوزیت روی ثابت شد اما تحریک شدن پوست بدن توسط این منسوجات نیز باید مورد بررسی و آزمایش قرار می گرفت. کمپانی Evalulabs تست Human Repeat Insult Patch Test را بر روی این منسوجات انجام داد تا مشخص کند که آیا استفاده از آن ها به عنوان لباس برای پوست ایمن است یا خیر. این آزمایشات پس از رضایت آگاهانه از سوی 50 فرد و با نظارت متخصص پوست انجام شد. نتایج به دست آمده نشان داد که این پارچه ها ضدحساسیت بوده و باعث ایجد تحریکات پوست نمی شوند.

آینده برای منسوجات ضدمیکروبی مورد استفاده در بخش سلامت همین حالاست

فناوری کرسکوتینگ یک فرایند نوید بخش برای تولید منسوجات نانوکامپوزیتی روی است که باعث از بین بردن بیشتر از 999/99 درصد قارچ ها و باکتری ها می شود. این منسوجات ضدحساسیت بوده و عملکرد ضدمیکروبی خود را پس از صد بار شستشو از دست نمی دهند. نکته مهم دیگر در ارتباط با آن ها ایمن بودن روی برای انسان ها و محیط زیست است. این واقعیت که فناوری کرسکوتینگ نیازمند سرمایه گذاری زیاد نیست به این معناست که به کارگیری فرایند جدید در ابعاد گسترده عملی می باشد. استفاده از پارچه های تهیه شده از نانوکامپوزیت ها در مراکز پزشکی و خانه های سالمندان برای مثال گان های جراحی برای مقابله با عفونت های بیمارستانی و سرایت بیماری بسیار فوق العاده به نظر می رسد.

جدول1- درصد کاهش میکروبی منسوجات تهیه شده از نانوکامپوزیت روی در مقابل سودوموناس آئروژینوزا(PA)، استافیلوکوکوس آرئوس مقاوم به منی سیلین(MRSA) و کاندیدا آلبیکانس(CA) پس از صفر ساعت نهفتگی(شستشوی فوری) و پس از 24 ساعت نهفتگی(منسوجات نانوکامپوزیتی روی یک بار و به عنوان بخشی از فرایند تولید مورد شستشو قرار می گیرند تا ذرات آزاد از روی آن ها جدا شود؛ کاهش میکروبی از نظر میزان میکروب های ورودی برای بعضی از نمونه ها رخ داده است).