Ανάπτυξη και μελέτη λειτουργικών συμπολυμερών που φέρουν βιοστατικές ομάδες
Authors: Κορομηλάς Νικόλαος 
Published: September 2021

Η μικροβιακή μόλυνση αποτελεί έναν από τους σοβαρότερους κινδύνους παγκοσμίως για τη δημόσια υγεία, διότι επηρεάζει πάρα πολλά πεδία, όπως είναι οι ιατρικές συσκευές, τα φάρμακα, η υγειονομική περίθαλψη, τα συστήματα καθαρισμού του νερού, η αποστείρωση του χώματος, τα χρώματα, ο οδοντιατρικός και χειρουργικός εξοπλισμός, οι συσκευασίες και η αποθήκευση των τροφίμων, τα ύφαλα των πλοίων, τα υφάσματα και τα δίχτυα. Για την καταπολέμηση των μικροβίων, έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αντιμικροβιακοί παράγοντες, που όμως εμφανίζουν πολλά μειονεκτήματα, όπως η πτητικότητα, η τοξικότητα στο περιβάλλον, ο μικρός χρόνος δράσης και η διείσδυση στο ανθρώπινο ή ζωικό δέρμα. Για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα, η ερευνητική κοινότητα τα τελευταία χρόνια στρέφεται ολοένα και περισσότερο στην ελκυστική εναλλακτική λύση των αντιμικροβιακών πολυμερικών υλικών.Συνεπώς, στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρήθηκε η σύνθεση νέων λειτουργικών συμπολυμερών, φιλικών προς το περιβάλλον, που φέρουν ομάδες με αντιμικροβιακή δράση. Για τη σύνθεση των συμπολυμερών έγινε επιλογή κατάλληλων χαρακτηριστικών δομικών μονάδων, οι οποίες, ανάλογα με την λειτουργικότητά τους και το σκοπό για τον οποίο χρησιμοποιήθηκαν, μπορούν να ταξινομηθούν σε έξι κατηγορίες: υδρόφιλες μονάδες (ακρυλικό οξύ-AA, 4-στυρενοσουλφονικό νάτριο-SSNa), υδρόφοβες μονάδες (μεθακρυλικός μεθακρυλεστέρας-MMA, τριτοταγής ακρυλικός βουτυλεστέρας-tBA, μεθακρυλικός γλυκιδυλεστέρας-GMA), μονάδες ομοιοπολικής σύνδεσης του αντιμικροβιακού είδους (χλωριούχο 4-βινυλοβενζύλιο-VBC), μονάδες ηλεκτροστατικής σύνδεσης του αντιμικροβιακού είδους (SSNa), μονάδες που φέρουν δραστικές ομάδες (AA, GMA) και μονάδες ιχνηθέτησης (2-πυρίδινο 4-φαίνυλο 7-στυρυλοκινολίνη-QPy). Οι ενώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την ομοιοπολική δέσμευση στη μονάδα VBC και την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση στη μονάδα SSNa ήταν η Ν,Ν-διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ) και το βρωμιούχο δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο (AmC16) ή το βρωμιούχο δεκαεξυλοτριβουτυλοφωσφόνιο (PhC16) αντίστοιχα.Σε πρώτο στάδιο, παρασκευάστηκαν στατιστικά συμπολυμερή με την τεχνική του πολυμερισμού ελευθέρων ριζών (FRP). Αρχικά, συντέθηκαν τα στατιστικά συμπολυμερή P(MMA-co-VBCx) και P(SSNa-co-VBCx) σε διάφορα ποσοστά MMA και SSNa (mol/mol) και χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού υδρογόνου (1H NMR) και φασματοσκοπία υπερύθρου μέσω μετασχηματισμού Fourier (FT-IR), ενώ για τα συμπολυμερή με MMA προσδιορίστηκε το μοριακό βάρος με χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (SEC). Μετά τον πολυμερισμό, η μονάδα VBC τροποποιήθηκε με την αμίνη HAM που φέρει μακριά υδρογονανθρακική αλυσίδα. Για λόγους σύγκρισης, χρησιμοποιήθηκε επίσης μια αμίνη με μικρό αριθμό ατόμων άνθρακα (τριαιθυλαμίνη-TEAM). Από τον χαρακτηρισμό με 1H NMR και FT-IR πιστοποιήθηκε ότι τα στατιστικά συμπολυμερή P(MMA-co-VBCx) έχουν τροποποιηθεί πλήρως, οδηγώντας στα υδρόφοβα πολυκατιόντα P(MMA-co-VBCTEAMx) ή στα υδρόφοβα/υδροφοβικά τροποποιημένα πολυκατιόντα P(MMA-co-VBCHAMx), ενώ τα συμπολυμερή P(SSNa-co-VBCx) τροποποιήθηκαν μερικώς, οδηγώντας στη σύνθεση των πολυαμφολυτών P(SSNa-co-VBCTEAM-co-VBCx) και των υδρόφοβα τροποποιημένων πολυαμφολυτών P(SSNa-co-VBCHAM-co-VBCx). Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα της μερικούς τεταρτοταγοποίησης, συντέθηκαν τα συμπολυμερή P(SSNa-co-VBCHAMx) μέσω απευθείας πολυμερισμού της μονάδας SSNa και του χλωριούχου 4-βινυλοβενζυλοδιμεθυλοδεκαεξυλαμμωνίου (VBCHAM). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε σύνθεση των στατιστικών συμπολυμερών P(AA-co-VBCHAMx) με δύο διαφορετικές συνθετικές πορείες και χαρακτηρίστηκαν με 1H NMR και φασματοσκοπία υπερύθρου εξασθενημένης ολικής ανάκλασης μέσω μετασχηματισμού Fourier (ATR-FTIR). Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων των τεχνικών θολομετρίας και ιχνηθέτησης με Nile red βρέθηκε ότι η συμπεριφορά διαλυτότητας και αυτο-οργάνωσης αυτών των συμπολυμερών σε νερό επηρεάζονται κυρίως από το καθαρό φορτίο του συμπολυμερούς και όχι από τη φύση της υδρόφοβης ή φορτισμένης μονάδας, όπως επίσης και ότι η εισαγωγή του κατιονικών αμφίφιλων ομάδων (VBCHAM) ευνοεί την αυτο-οργάνωση των τελικών υδρόφοβα τροποποιημένων πολυμερών, σχηματίζοντας συσσωματώματα σε υδατικό διάλυμα. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν τα στατιστικά συμπολυμερή P(GMA-co-VBCHAMx), P(GMA-co-SSAmC16x) και P(QPy-co-SSNax) και χαρακτηρίστηκαν με 1H NMR και FT-IR, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε η σύνθεση μιας νέας κατηγορίας στατιστικών συμπολυμερών, των συμπολυμερών P(SSAmC16-co- VBCHAMx), τα οποία συνδυάζουν τα δύο είδη ενσωμάτωσης του αντιμικροβιακού σε ένα σύστημα, καθώς λειτουργούν τόσο μέσω επαφής όσο και μέσω απελευθέρωσης. Η αντιμικροβιακή δραστικότητα των συντεθειμένων πολυμερών ερευνήθηκε σε καλλιέργειες αρνητικών κατά Gram (P. aeruginosa, E.coli) και θετικών κατά Gram (S. aureus, Ε faecalis) βακτηρίων μέσα σε 3 και 24 ώρες από την έκθεση στους 4 και 22oC. Διαπιστώθηκε ότι ο συνδυασμός του υδρόφιλου μονομερούς ΑΑ, σε χαμηλές συστάσεις, με τη μονάδα VBCHAM εμφάνισε υψηλή βιοστατική δραστικότητα έναντι της P. aeruginosa και του Ε. faecalis και ο συνδυασμός της μονάδας VBCHAM με τη μονάδα SSAmC16 οδήγησε σε αποτελεσματικά αντιμικροβιακά υλικά, ιδιαίτερα έναντι των θετικών κατά Gram βακτηρίων.Με βάση την εμπειρία και τις αντιμικροβιακές και φυσικοχημικές ιδιότητες των στατιστικών συμπολυμερών, προωθήθηκε ο σχεδιασμός συμπολυμερών ελεγχόμενης οργάνωσης, και πιο συγκεκριμένα, συμπολυμερών με συσταδική αρχιτεκτονική, λαμβάνοντας όμως υπόψιν και τους συνθετικούς περιορισμούς και τα προβλήματα διαλυτότητας, μιας που πρόκειται για ιδιαίτερα απαιτητικές δομές. Γι’ αυτό το σκοπό, επιχειρήθηκε η σύνθεση δισυσταδικών συμπολυμερών με πολυμερισμό ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου (ATRP) χρησιμοποιώντας υδρόφοβους μακρο-εκκινητές με βάση τις μονάδες ΜΜΑ και tBA για περαιτέρω πολυμερισμό του κατιονικού μονομερούς χλωριούχο 4-βινυλοβένζυλο διμεθυλοδεκαεξυλαμμώνιο (VBCHAM). Μετέπειτα υδρόλυση των μονάδων tBA οδήγησε στο σχηματισμό των υδρόφιλων συστάδων AA. Επιπλέον, και σε αυτή την περίπτωση συντέθηκαν συμπολυμερή αποτελούμενα από τις μονάδες VBCHAM και SSAmC16, χρησιμοποιώντας ως μακροεκκινητές τόσο το PVBCHAM όσο και το PSSAmC16. Όλα τα πολυμερή χαρακτηρίστηκαν με 1H NMR και ATR-FTIR, ενώ πραγματοποιήθηκε SEC σε όποια πολυμερή ήταν εφικτό, και επιπλέον, πιστοποιήθηκε η δυνατότητα αυτo-οργάνωσης των συμπολυμερών σε αιθανόλη και μεθανόλη μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM). Η δυσκολία στην παρασκευή των συγκεκριμένων δισυσταδικών συμπολυμερών αποδεικνύεται από την ύπαρξη αρκετών αποτυχημένων προσπαθειών στη σύνθεση των παραπάνω συμπολυμερών, στη μέτρια έως χαμηλή απόδοση και στις ανεπιτυχείς προσπάθειες για τη σύνθεση των δισυσταδικών συμπολυμερών με SSNa και VBCHAM, καθώς επίσης και για τη σύνθεση των ομοπολυμερών PSSNa, PVBCHAM και PSSAmC16 με φωτοεπαγόμενο ζωντανό πολυμερισμό ριζών. Όπως και στην περίπτωση των στατιστικών συμπολυμερών, έτσι και στα συσταδικά, την ισχυρότερη βακτηριοστατική δράση εμφάνισαν τα συμπολυμερή της μονάδας VBCHAM με τις μονάδες AA και SSAmC16.Λόγω των δεδομένων συνθετικών δυσκολιών στην παρασκευή των συσταδικών συμπολυμερών, επιχειρήθηκε η σύνθεση πολυμερών ελεγχόμενης οργάνωσης μέσω μιας απλής συνθετικής μεθόδου, η οποία περιελάμβάνε ήπιες τεχνικές πολυμερισμού και αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης. Για το σκοπό αυτό συντέθηκαν με FRP δύο σειρές στατιστικών συμπολυμερών, τα συμπολυμερή P(GMAx-co-SSAmC16) και P(AAy-co-VBCHAM) με τις μονάδες GMA και AA να φέρουν τις δραστικές ομάδες εποξειδίου και καρβοξυλίου αντίστοιχα. Η αντίδραση μεταξύ αυτών των δύο σειρών συμπολυμερών, με x και y να είναι η περιεκτικότητα σε mol των δύο δραστικών μονάδων, διερευνήθηκε σε μείγματα που ελήφθησαν μέσω χύτευσης του διαλύματος και ύστερα από κατεργασία των σχηματιζόμενων μεμβρανών σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα συνδυασμένα αποτελέσματα από το χαρακτηρισμό των σχηματιζόμενων μεμβρανών με ATR-FTIR, από τις δοκιμές διαλυτότητας, τη θολομετρία και το ΤΕΜ υποδεικνύουν ότι η αντίδραση λαμβάνει χώρα ήδη από τους 80oC, οδηγώντας ως επί το πλείστον σε εμβολιασμένα πολυμερή, ενώ αδιάλυτα διασυνδεδεμένα δείγματα λαμβάνονται συνήθως σε υψηλότερες θερμοκρασίες (120οC ή 150oC). Οι αντιμικροβιακές δοκιμές αποκάλυψαν ότι οι διασυνδεδεμένες μεμβράνες παρουσίασαν ισχυρή βακτηριοστατική δράση κατά των S. aureus και P. Aeruginosa, καθιστώντας την παρούσα προσέγγιση ως εύκολα προσαρμόσιμη μεθοδολογία για την παρασκευή λειτουργικών αντιμικροβιακών για διάφορες εφαρμογές.