Kompozitní materiály pro medicínské aplikace

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 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.