Растущая распространенность патогенов, устойчивых к антибиотикам, представляет собой серьезную проблему для общественного здравоохранения, требуя альтернативных подходов к традиционным антимикробным методам лечения. Фотодинамическая инактивация (ФДИ) представляется перспективным методом, при котором индуцированные светом активные формы кислорода (АФК) эффективно уничтожают микроорганизмы, не вызывая лекарственной устойчивости. Среди материалов, разрабатываемых для применения в ФДИ, композиты на основе поливинилхлорида (ПВХ) привлекли значительное внимание благодаря своей прочности, долговечности и возможности интеграции фотосенсибилизаторов. В данной статье будет рассмотрен синтез, химическая и биологическая характеристика материалов на основе ПВХ, предназначенных для применения в ФДИ, в частности, для борьбы с патогенными микроорганизмами, такими как золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus). Исследование сосредоточено на роли различных адипатных пластификаторов и фотосенсибилизаторов, анализируя их влияние на фотоактивность и бактерицидную эффективность композитных материалов.
ПВХ — это универсальный полимер, широко используемый в промышленности благодаря своей механической прочности, химической стойкости и долговечности. Однако в немодифицированном состоянии ПВХ не обладает собственной фотоактивностью, что требует добавления внешних примесей для придания желаемых антимикробных свойств. Для полидиметилсилоксана (ПДС) матрица из ПВХ идеально подходит благодаря своей способности иммобилизовать фотосенсибилизаторы, способствуя генерации активных форм кислорода (АФК) при воздействии света. Добавление пластификаторов является важным этапом в этой трансформации, поскольку они повышают гибкость и смешиваемость полимерной матрицы с фотосенсибилизаторами, что позволяет более эффективно поглощать свет и производить АФК.
Пластификаторы играют ключевую роль в изменении физических свойств ПВХ, делая его более гибким и адаптируемым к различным применениям. В контексте данного исследования были оценены четыре адипатных пластификатора на предмет их способности превращать ПВХ в фотоактивный материал: дибутилгександиоат (BA), бис(2-этилгексил)гександиоат (EA), диоктилгександиоат (OA) и дидецилгександиоат (DA). Эти длинноцепочечные линейные адипаты различаются по своей молекулярной структуре, что влияет на их взаимодействие с матрицей ПВХ и фотосенсибилизаторами.
Было обнаружено, что длинноцепочечные адипаты, такие как DA и OA, особенно эффективны в повышении бактерицидных свойств материала на основе ПВХ. Это можно объяснить их способностью способствовать лучшему диспергированию и иммобилизации фотосенсибилизаторов в полимерной матрице, обеспечивая оптимальное воздействие света и генерацию АФК. В отличие от них, короткоцепочечные адипаты, такие как BA, показали сниженную эффективность, вероятно, из-за ограниченной совместимости с фотосенсибилизаторами и менее благоприятной диффузии внутри полимерной сетки.
Фотосенсибилизаторы играют центральную роль в механизме фотодинамической терапии (ФДТ), поскольку они поглощают световую энергию и передают ее молекулам кислорода, генерируя активные формы кислорода (АФК), которые атакуют и разрушают бактериальные клетки. В данном исследовании были использованы два фотосенсибилизатора: 5-(4-карбоксифенил)-10,15,20-трифенил-21H,23H-порфирин (ТПП) и 20-(4-карбоксифенил)-2,13-диметил-3,12-диэтил-[21]пентафирин (ПКокс). ТПП, хорошо известное производное порфирина, обычно используется в ФДТ благодаря сильному поглощению в видимом спектре и высокому квантовому выходу генерации АФК. ПКокс, расширенный порфирин, был выбран из-за его расширенной системы сопряжения, которая обеспечивает усиленное поглощение света и образование АФК.
Результаты эксперимента показали, что комбинация адипатных пластификаторов с ТПП или ПХоксом приводит к значительной бактерицидной активности против золотистого стафилококка. Эффективность ПДИ зависела как от типа, так и от количества используемого пластификатора, при этом наибольшую эффективность показали длинноцепочечные адипаты. В одном случае полное уничтожение бактериального раствора (10⁸ КОЕ/мл) было достигнуто в течение 60 минут облучения, что подчеркивает потенциал этих материалов для практического применения в качестве антимикробных средств.
Основной механизм бактерицидного действия композитов на основе ПВХ заключается в генерации активных форм кислорода (АФК) посредством активации фотосенсибилизаторов светом. При облучении многосветодиодной синей лампой с плотностью потока 50 Вт/м² фотосенсибилизаторы поглощают фотоны и переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии фотосенсибилизаторы взаимодействуют с молекулярным кислородом, что приводит к образованию АФК, таких как синглетный кислород (¹O₂) и гидроксильные радикалы (OH•). Эти высокореактивные частицы атакуют клеточные стенки и мембраны бактерий, вызывая окислительное повреждение и приводя к гибели клеток.
Способность фотосенсибилизаторов эффективно генерировать АФК зависит от нескольких факторов, включая их концентрацию, наличие пластификаторов и однородность их дисперсии в матрице ПВХ. Длинноцепочечные адипаты, такие как допамин (DA) и олеиновая кислота (OA), обеспечивали наилучшую среду для фотосенсибилизаторов, гарантируя оптимальную генерацию АФК и максимальную бактерицидную активность.
Бактерицидная активность ПВХ-композитов была оценена в отношении золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), распространенного патогена, вызывающего различные инфекции. Результаты показали четкую корреляцию между типом используемого пластификатора и эффективностью инактивации бактерий. Длинноцепочечные адипаты, такие как DA и OA, продемонстрировали превосходные результаты, при этом DA обеспечил полное уничтожение бактерий в течение 60 минут облучения светом. Такой уровень эффективности объясняется улучшенной совместимостью длинноцепочечных адипатов как с ПВХ-матрицей, так и с фотосенсибилизаторами, что способствует лучшему поглощению света и образованию активных форм кислорода (ROS).
Более того, ПВХ-композиты продемонстрировали стабильность во времени и в окислительных условиях, что является важным критерием для практического применения в качестве антимикробных материалов. Важно отметить, что в ходе экспериментов не наблюдалось выделения токсичных компонентов, что подтверждает, что бактерицидное действие было обусловлено исключительно активными формами кислорода, генерируемыми иммобилизованными фотосенсибилизаторами. Этот вывод подчеркивает безопасность и экологичность этих материалов для использования в средах, где предотвращение микробного загрязнения имеет решающее значение, таких как медицинские изделия и пищевая упаковка.
Для подтверждения структурной целостности композитов на основе ПВХ во время и после фотодинамического процесса были использованы различные аналитические методы. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) применялась для изучения морфологии поверхности пленок, а ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье (ИК-Фурье) позволяла оценить химическую стабильность материалов. Анализ СЭМ не выявил существенных изменений в структуре поверхности пленок после облучения, что указывает на отсутствие фотодеградации в результате фотодинамического процесса. Аналогично, ИК-Фурье спектры подтвердили отсутствие химической деградации в полимерной матрице, что дополнительно подтверждает стабильность и долговечность композитов на основе ПВХ в экспериментальных условиях.
Синтез и характеристика материалов на основе ПВХ для фотодинамической инактивации патогенных микроорганизмов представляют собой перспективное направление для разработки эффективных и устойчивых антимикробных решений. Было установлено, что включение длинноцепочечных адипатных пластификаторов в матрицу ПВХ имеет решающее значение для превращения полимера в фотоактивный материал со значительными бактерицидными свойствами. В частности, комбинация дидецилгександиоата (ДА) с фотосенсибилизатором PCox привела к полному уничтожению бактерий в течение 60 минут облучения, демонстрируя потенциал этих материалов для практического применения в здравоохранении и обеспечении безопасности пищевых продуктов.
Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на оптимизации концентрации пластификаторов и фотосенсибилизаторов, изучении других потенциальных фотосенсибилизаторов и оценке долговременной стабильности этих материалов в реальных условиях. Кроме того, расширение исследования на более широкий спектр микроорганизмов позволит дополнительно подтвердить эффективность композитов на основе ПВХ как универсальной платформы для фотодинамического антимикробного применения.
