O aseptyczności PVC słów kilka...

Na froncie "walki" z szeroko pojętymi tworzywami sztucznymi wciąż mają miejsce mniejsze lub większe potyczki. Jednym z najbardziej atakowanych tworzyw sztucznych jest, popularny w wielu gałęziach gospodarki, poli(chlorek winylu), czyli szeroko znany PVC.

Warto przy okazji wspomnieć, że prawdopodobnie żaden materiał nie został tak szczegółowo przebadany pod kątem szkodliwości dla środowiska jak właśnie PVC. Wciąż jednak zdanie opinii publicznej najczęściej jest kształtowane nie przez wyniki szczegółowych badań, ale przez informacje rozpowszechniane przez media. Artykuły prasowe opisujące chociażby dwa wielkie pożary z udziałem PVC: fabryki recyklingu tworzyw sztucznych w Lengerich (1992 r.) i lotniska w Dusseldorfie (1996 r.), szybko sprowadzały dyskusję na tory emocjonalne, rozpalając ponownie uprzedzenia. Neutralne stanowisko oparte na mocnych podstawach zakłada jednak znajomość ekologicznych, ekonomicznych i społecznych aspektów materiału, podczas rozpatrywania jego całego okresu użytkowania.

Jednak mimo wielu kontrowersji związanych z PVC, oczekuje się, że rynek poli(chlorku winylu) wzrośnie z 119,4 mld USD w 2027 r. przy CAGR na poziomie 7,6%. Wzrostowi rynku PVC sprzyja zwiększony popyt ze strony branż takich jak budownictwo, opieka zdrowotna i opakowania.

Prawie 30% wyrobów medycznych na bazie tworzyw sztucznych jest produkowanych z PVC, co sprawia, że materiał ten jest najczęściej używanym polimerem do produkcji toreb, rurek, masek i innych wyrobów medycznych jednorazowego użytku. Oczekuje się, że ze względu na unikalne właściwości PVC, jego udział w sektorze medycznym pozostanie na tym samym poziomie co najmniej do 2027 roku.

Czym właściwie jest PVC?

Poli(chlorek winylu) jest pierwszym syntetycznym termoplastem wytwarzanym w skali przemysłowej. Jest to jeden z nielicznych polimerów o tak nowoczesnych zastosowaniach przy najstarszym rodowodzie. Poli(chlorku winylu) nie można przetwarzać w postaci czystego polimeru; aby nabrał on właściwości przetwórczych konieczne jest zastosowanie licznych dodatków. Sporządza się mieszanki (dry-blendy), kompozycje i granulaty z udziałem plastyfikatorów (umożliwiają termoplastyczne przetwórstwo polimeru i nadają tworzywu odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i elastyczność), stabilizatorów (zapobiegają degradacji polimeru podczas przetwórstwa), smarów i innych środków pomocniczych (np. napełniacze). PVC występuje w różnych postaciach: twardy i miękki PVC.

Twardy PVC (PVC-U- nieplastyfikowany) jest odporny na korozję, chemikalia, oleje, czynniki atmosferyczne. Jest łatwy do przetwarzania, łączenia, barwienia i drukowania, lekki, odporny na działanie ognia i samogasnący. Cechuje się doskonałymi właściwościami izolacyjnymi i można z niego produkować wyroby przezroczyste, półprzezroczyste i nieprzezroczyste. PVC-U można przetwarzać techniką wytłaczania, prasowania lub wtryskiwania.

Cechą miękkiego PVC (PVC-P plastyfikowany) jest doskonała przejrzystość i elastyczność, odporność na rozdzieranie, odporność na wpływy atmosferyczne, brak przepuszczalności tlenu i zapachów. Wyroby z tego tworzywa charakteryzują się dobrą wytrzymałością na rozciąganie (ok. 50 MPa), ściskanie (60-100 MPa) i zginanie, nadają się do formowania na gorąco i obróbki mechanicznej: cięcia, łączenia, spawania, klejenia, itd. Wyroby miękkie z polichlorku winylu powstają w procesie wytłaczania, prasowania, kalandrowania (rodzaj walcowania), wtrysku i odlewania. Miękki PVC, w zależności od rodzaju i ilości zmiękczacza charakteryzuje się określoną elastycznością, twardością (45-95° wg Shore’a), udarnością i wydłużeniem przy rozerwaniu. W celu obniżenia ceny, niektóre rodzaje miękkiego polichlorku winylu zawierają do 50% napełniaczy (kaolin, kreda, mączka kwarcowa). Jednak własności tworzyw napełnianych są gorsze od własności tworzyw nienapełnianych o tej samej twardości.

PVC jest tworzywem polimerowym, którego modyfikacja na etapie syntezy i przetwórstwa jest łatwa (tworzywo to jest czułe na drobne zmiany parametrów), w wyniku czego ma wszechstronne zastosowanie. PVC może łatwo zastępować tradycyjne materiały, takie jak drewno, aluminium, stal, miedź, ceramika. Poli(chlorek winylu) wykorzystywany jest praktycznie we wszystkich dziedzinach naszego życia.

Środki antybakteryjne

Po małej dawce wiedzy encyklopedycznej wróćmy do zagadnienia tytułowego. Dlaczego potrzebujemy antybakteryjnych tworzyw sztucznych? Antybakteryjne i przeciwdrobnoustrojowe tworzywo sztuczne jest bezpieczniejsze i bardziej higieniczne niż standardowe tworzywo, ponieważ zabija lub spowalnia rozprzestrzenianie się mikroorganizmów, minimalizując ryzyko zachorowania ludzi i zmniejszając szkodliwą pleśń w powietrzu. Obecnie, gdy coraz bardziej koncentrujemy się na poprawie i utrzymaniu zdrowia, bezpieczeństwo produktów z tworzyw sztucznych stało się niemalże trendem naszych czasów. W rezultacie rośnie zapotrzebowanie na rozwój środków przeciwbakteryjnych do wyrobów z tworzyw sztucznych. Antybakteryjne produkty tworzywowe to takie, do których dodano nieorganiczny lub organiczny środek przeciwbakteryjny. Te zalety sprawiają, że antybakteryjne tworzywa sztuczne mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których należy ograniczyć wzrost organizmów szkodliwych, takich jak bakterie, pleśń i grzyby, przy jednoczesnym zachowaniu pełnego bezpieczeństwa miejsc, takich jak szpitale, łazienki i obszary przygotowywania żywności.

Antybakteryjny PVC?

Jak wspominałam wcześniej poli(chlorek winylu) (PVC) jest komercyjnym polimerem termoplastycznym szeroko stosowanym w sektorze medycznym. Modyfikowany PVC jest obecnie badany jako materiał przeciwdrobnoustrojowy, a jego stosowanie może zmniejszyć ryzyko infekcji i zanieczyszczeń krzyżowych w procesach przemysłowych.

Bakterie, grzyby, zarazki i pleśnie występujące w przyrodzie w różnych typach i odmianach, mogą gromadzić się na materiałach i rozwijać się na nich pod wpływem odpowiedniej temperatury i wilgotności. Obecność niepożądanych mikroorganizmów ma negatywny wpływ na stan higieniczno-sanitarny instalacji wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i innych, co może skutkować między innymi powstawaniem nieprzyjemnych zapachów lub plam spowodowanych nagromadzeniem się dużych ilości bakterii, grzybów lub pleśni. Dodatkowo ich obecność może wywoływać u wielu ludzi reakcje alergiczne. Poli(chlorek winylu) używany jest do produkcji np. węży do wody pitnej, soków, wina i produktów mleczarskich, węży i rurek do zastosowań medycznych oraz do wentylacji, odkurzaczy, przesyłania gazów i cieczy. Poli(chlorek winylu) niezastąpiony jest także do produkcji drobnego sprzętu medycznego. I właśnie tam jest on szczególnie potrzebny.

Antybakteryjne chemikalia zawarte w przeciwbakteryjnych związkach PVC mogą zabijać komórki bakteryjne, a środki przeciwdrobnoustrojowe hamują wzrost mikroorganizmów. Co na ten temat mówi literatura? Szybki skrót poniżej:

Nanokompozyty srebro/PVC okazały się skutecznym środkiem przeciwbakteryjnym przy użyciu srebra jonowego lub metalicznego. Ocena związków PVC zawierających różne dawki srebra, cynku i zeolitu jednoznacznie wskazała na powstawanie biofilmów bakteryjnych jako główny czynnik przeciwdrobnoustrojowego działania dodatku. Ponadto doniesiono o skutecznym proszku przeciwbakteryjnym na bazie guanidyny, symetrycznej porfiryny PVC i proszku PVC na bazie kompozytu maleimido fenylotiomocznika.

Działanie antybakteryjne oceniono także dla PVC funkcjonalizowanego adeniną. Reakcję chemicznej modyfikacji PVC przeprowadzono adeniną w dwóch stosunkach molowych (2:1 i 4:1). Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera i analizy spektroskopowe HNMR potwierdziły budowę chemiczną PVC modyfikowanego adeniną i wskazały na wbudowanie cząsteczki adeniny w łańcuchy szkieletowe PVC. Działanie przeciwbakteryjne dwóch zmodyfikowanych próbek PVC zbadano wobec dwóch typów szczepów bakterii Gram-dodatnich (Bacillus subtitles, Staphylococcus aurous i Streptococcus faecalis), podczas gdy inne typy (Escherichia coli, Neisseria gonorrhea i Pseudomonas aeruginosa) reprezentowały bakterie Gram-ujemne. Dla porównania zbadano również działanie przeciwbakteryjne mieszaniny PVC-adenina. Dla niektórych badanych próbek PVC określono minimalne stężenie hamujące.

Literatura donosi także o badaniu m.in. właściwości przeciwbakteryjnych kompozytów PVC zawierających albo szkło domieszkowane srebrem (G), albo fosforan cyrkonu domieszkowany srebrem (P), a za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej zaobserwowano rozpraszanie tych środków przeciwbakteryjnych w całym PVC. Wyniki wykazały, że środki przeciwbakteryjne były dobrze zdyspergowane w macierzy PVC, a stosunek przeciwbakteryjny PVC-G wobec Escherichia coli i Staphylococcus aureus wynosił ponad 99,0%, co było lepsze niż PVC-P. Środki przeciwbakteryjne miały niewielki wpływ na właściwości mechaniczne PVC; zmniejszyły one jednak przejrzystość optyczną PVC, a przepuszczalność PVC-P zmniejszyła się o 28,3%. Wyniki wskazują, że tego rodzaju antybakteryjne kompozyty PVC mają ogromny potencjał w szerokiej gamie bezpieczniejszych zastosowań tworzyw sztucznych.

Powodzeniem zakończyły się również próby zsyntetyzowania nowego materiału przeciwdrobnoustrojowego zawierającego kompleksy Cu(I) i Cd(II) pochodnych bisacylotiomocznika w folii PVC. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa pokazuje, że wszystkie badane związki wykazują doskonałą aktywność w porównaniu ze standardowymi antybiotykami. Siła antybakteryjna kompozytu PVC/Cd jest znacznie lepsza w porównaniu z najbardziej odpornymi gatunkami zarówno na środki dezynfekujące, jak i antybiotyki w porównaniu z jego analogiem PVC/Cu. Co ciekawe, kompozyt PVC/Cd wykazywał doskonałą aktywność przeciwko chorobotwórczym C. albicans RCMB 005003 (1) ATCC 10,231, podczas gdy jego analog PVC/Cu był nieaktywny. Materiały te mogą być stosowane do zmniejszania infekcji ran w postaci folii kompozytowej lub powlekanych opatrunków barierowych.

Wydaje się więc naturalne, że wyniki powinny otworzyć nowy kierunek inżynierii powierzchni przeciwbakteryjnych w dziedzinie biomedycyny.

Gliwiccy badacze połączą PVC z olejkami eterycznymi

Doskonale znane naturalne olejki eteryczne to substancje zapachowe, które człowiek wykorzystuje od tysiącleci. Wiele z nich ma właściwości antyseptyczne i antybakteryjne, działają jako repelenty (na przykład olejki na kleszcze). Zastosowane w odpowiednim stężeniu pozwalają między innymi oczyszczać otoczenie z patogenów czy odpędzać owady.

Te ciekłe, lotne substancje zapachowe, znajdujące się najczęściej w specjalnych komórkach tkanki wydzielniczej roślin, oprócz odstraszania insektów lub gryzoni, pozwalają roślinom tworzyć również naturalną barierę na powierzchni ścian komórkowych narażonych na chorobotwórcze działanie mikroorganizmów.

Olejki eteryczne mają zmienny skład ilościowy, zależny od typu chemicznego rośliny oraz warunków klimatycznych i glebowych jej wzrastania. Pod względem chemicznym stanowią one stanowią wieloskładnikową mieszaninę węglowodorów, alkoholi, aldehydów, ketonów, estrów i eterów, ale także związków siarki, azotu, pochodnych acetylenu, tropolonów, kumaryn, kwasów organicznych i in. Te znane i stosowane od wieków w medycynie naturalnej substancje, spotkały się także z zainteresowaniem naukowców poszukujących alternatywy dla antybiotyków. Działanie prozdrowotne olejków eterycznych potwierdzono w wielu publikacjach naukowych, a jednocześnie brak jest doniesień o ich istotnie negatywnym działaniu na organizm ludzki.

Dlatego też badacze gliwickiego Centrum Farb i Tworzyw Łukasiewicz - IMPiB podjęli próby otrzymywania elastycznych powłok z past poli(chlorku winylu) o właściwościach specjalnych. Jednym z kierunków modyfikacji będzie opracowanie past właśnie o wysokiej skuteczności antybakteryjnej. Przeprowadzone zostaną badania właściwości przeciwbakteryjnych folii, migracji globalnej oraz chłonności. Gliwiccy naukowcy będą starali się uzyskać elastyczne biobójcze tworzywo polimerowe na bazie poli(chlorku winylu) do zastosowania w przemyśle spożywczym, medycynie oraz budownictwie. Dobranie odpowiedniego środka antybakteryjnego i jego ilości do PVC pozwoli na ochronę mikrobiologiczną produktów. Opracowane już przez Centrum Farb i Tworzyw niektóre układy kompozycji zostały stworzone w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na materiały, które ograniczają rozwój organizmów szkodliwych, takich jak bakterie, pleśń i grzyby, pozostając jednocześnie całkowicie bezpiecznymi dla wrażliwych zastosowań. Kompleksowy program badawczy zaowocował szerokim wyborem zarówno sztywnych, jak i elastycznych antybakteryjnych związków PVC, które zapewniają długotrwałą ochronę przeciwdrobnoustrojową. Wszystkie materiały zostaną niezależnie przetestowane, a gliwiccy naukowcy będą starali się udowodnić, że spełniają one wszystkie niezbędne kryteria. Mam nadzieję, że niebawem będę mogła podzielić się z państwem wynikami tych badań.

Podsumowanie

Produkty z tworzyw sztucznych poprawiają codzienne życie ludzi ale mikroorganizmy osadzające się na powierzchni produktów z tworzyw sztucznych stanowią zagrożenie dla zdrowia. Kryzys związany z pandemią COVID-19 spowodował pilną potrzebę zmierzenia się z problemem wprowadzania i rozprzestrzeniania się do środowiska ewoluujących patogenów wytwarzających różnego rodzaju zanieczyszczenia. Jednym z nich jest zanieczyszczenie mikrobiologiczne powierzchni, które należy do istotnych problemów w dziedzinie ochrony konsumentów, zdrowia ludzi i bezpieczeństwa żywności na całym świecie. W związku z tym inżynieria powierzchni materiałów o właściwościach antybakteryjnych i sposób ich działania jest uważana za jeden z możliwych sposobów zwiększenia biokompatybilności, a tym samym zmniejszenia niebezpieczeństwa zanieczyszczenia mikrobiologicznego i uniknięcia zakażenia poprzez modyfikację powierzchni i właściwości materiałów.