سنتز میکروژل ضدباکتریایی: اصلاح‌ صوت‌شیمیایی کربوپل برای کاربردهای بهداشتی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 قم، دانشگاه صنعتی قم، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 1519-37195

2 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه چسب و رزین، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2021.1779

چکیده

فرضیه‌: پلیمرهای پرکاربرد در حوزه زیست‌‌پزشکی و به‌ویژه صنعت آرایشی و بهداشتی باید در برابر انواع مختلف میکروارگانیسم‌ها و باکتری‌ها مقاوم باشند. پلیمرها در این دسته‌بندی شامل پلیمرهای آکریلاتی هستند که به‌طور کلی از پلیمرشدن رسوبی تهیه می‌شوند. کربوپل نام تجاری پلیمری
آکریلاتی بر پایه پلی(‌آکریلیک اسید) است. این پلیمر کاربرد گسترده‌ای به‌عنوان عامل غلظت‌دهنده و
ژل‌کننده در خواص رئولوژیکی دارد. با القای شیمیایی عامل ضدمیکروبی به ساختار کربوپل، میکروژل‌هایی با خواص ذاتی ضدمیکروبی به‌دست می‌آیند که در مصارف بهداشت فردی و عمومی از جمله مبارزه و کنترل بیماری همه‌گیر کرونا (کووید 19) کاربردهای مؤثری دارند.
روش‌ها: در این پژوهش سعی شده است تا با پیوندزنی و اصلاح سطحی کربوپل با مقادیر مختلف مونومر کاتیونی آکریلوئیل‌اکسی‌اتیل تری‌متیل آمونیوم کلرید (A.Etac)، ماهیت ضد‌باکتریایی آن به‌مقدار زیادی بهبود یابد. در این مطالعه، اصلاح سطحی کربوپل برای اولین بار با امواج فراصوت انجام شد. همچنین، مقدار تورم نمونه پیش و پس از اصلاح نیز در محلول‌های آبی، الکلی و نمکی بررسی شد. برای ارزیابی موفقیت در اصلاح شیمیایی میکروذرات کربوپل از طیف‌نمایی زیرقرمز (IR)، میکروسکوپی الکترون پویشی با پاشنده انرژی پرتو X و نیز آزمون‌های باکتریایی، رئومتری و تورمی استفاده شد. ماهیت ضد‌باکتریایی نمونه‌ها در برابر باکتری‌های گرم منفی (E. coli) و گرم مثبت (S. aureu) با روش ارزیابی خواص ضدباکتریایی بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج تجربی نشان داد، کربوپل اصلاح‌شده به‌مقدار بسیار شایان توجهی در برابر باکتری مقاوم شده است. گفتنی است، نمونه‌ها در برابر باکتری‌های گرم مثبت نسبت به باکتری‌های گرم منفی مقاومت بیشتری نشان دادند. نتایج آزمون رئولوژیکی نیز نشان داد، پس از اصلاح شیمیایی سطحی، استحکام ژل حاصل به‌مقدار شایان توجهی افزایش یافته است. همچنین نمونه‌های اصلاح‌شده، مقدار تورم بیشتری را در محیط آبی و زیستی (محلول آب نمک %0.09) نشان دادند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Anti-Bacterial Microgel Synthesis: Sonochemical Modification of Carbopol for Hygienic Applications

نویسندگان [English]

  • Aghil Asadi 1
  • Mohsen Najafi 1
  • Hossien Bouhnedi 2
  • Mehdi Haji Bagherian 1
1 Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Qom University of Technology, P.O. Box: 37195-1519, Qom, Iran
2 Department of Adhesive and Resin, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The volume of studies conducted on biopolymeric materials emphasizes the high-consumption of polymers in biomaterial fields, especially in cosmetics industry which must be resistant to different kinds of microorganisms and bacteria. Polymers in this category include acrylate polymers, which are generally made by precipitation polymerization. Carbopol is a brand of acrylic polymer, based on poly(acrylic acid). This polymer is highly used as thickening and gelling agents for its rheological features. By chemically induced antimicrobial agents into the carbopol structure, microgels of inherently antimicrobial properties are obtained with effective applications in personal and public health applications, including combating and controlling corona epidemics (Covid 19).
Methods: In this study, it has been tried to improve the antibacterial nature of Carbopol by its bonding and surface modification with different amounts of cationic monomer acryloyl oxyethyl trimethyl ammonium chloride (A.Etac). In this work, for the first time, we attempted to modify the surface of carbopol by ultrasound. We also studied the swelling rate of the sample before and after surface modification in aqueous, alcoholic and salt solutions. Infrared spectroscopy (IR), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive X-Ray analysis (SEM-EDX), antibacterial, rheometry and swelling tests were used to evaluate the chemical surface modification of Carbopol microparticles to achieve the stated goals. Antibacterial properties of the samples were evaluated by gram-negative bacteria (E. coli) and gram-positive bacteria (S. aureu) by plate count agar method.
Findings: Experimental results showed that the modified carbopol was significantly resistant to the bacteria. It should be noted that the samples showed more resistance to gram-positive bacteria than gram-negative bacteria. The results of rheological analysis also showed that the gel strength significantly increased after surface chemical modification. In addition, modified samples showed higher swelling in water and biological media (0.9% brine)

کلیدواژه‌ها [English]

  • carbopol
  • trimethyl ammonium chloride (methacryloyloxyethyl)
  • surface modification
  • antibacterial properties
  • ultrasonic waves
  1. Zohuriaan-Mehr M.J., Pourjavadi A., Salimi H., and Kurdtabar M., Protein- and Homo Poly(amino acid)–Based Hydrogels with Super-swelling Properties, Polym. Adv. Technol., 20,
    655-671, 2009.
  2. Bochholz F.L. and Graham A.T., Modern Superabsorbent Polymer Technology, Wiley VCH, New York, 1990.
  3. Branon-Peppas L. and Harland R.S., Absorbent Polymer Technology, Elsevier, Amsterdam, 1990.
  4. Kabiri K., Azizi A., Zohuriaan-Mehr M.J., Bagheri Marandi G., Bouhendi H., and Jamshidi A., Super-Alcogels Based on 2-Acrylamido-2-Methylpropane Sulphonic Acid and Poly(ethylene glycol) Macromer, Iran. Polym. J., 20, 175-183, 2011.
  5. Marandi G.B., Azizi A., Kabiri K., Zohuriaan-Mehr M.J., and Boohendi H., An Alcogel Based on Poly(2-acrylamido-2- methylpropane sulphonic acid) and the Effect of Neutralization Degree on Its Swelling, Thermal and Mechanical Properties, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 23, 145-153, 2010.
  6. Kabiri K. and Roshanfekr S., Converting Water Absorbent Polymer to Alcohol Absorbent Polymer, Polym. Adv. Technol., 24, 28-33, 2013.
  7. Ashkani M., Kabiri K., Salimi A., and Bouhendi H., Modification of Rice Husk with Glycidyl Crosslined Microgel Latex for Preparation of Hybrid Hydrogel, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 129-141, 2018.
  8. Kabiri K. and Hajighasem A., Cationic Highly Alcohol-Swellable Gels: Synthesis and Characterization, J. Polym. Sci., 20, 218, 2013.
  9. Varid V., Mohammadi M., Bouhendi H., and Kabiri K., The Absorption of Alcohol and Saline Solution by Carbopol Grafted with 2-Acrylamido-2-Methylpropane Sulfonic Acid Prepared through Ultrasonic Method, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 255-266, 2019.
  10. Shay G.D., Thickeners and Rheology Modifiers, Paint and Coating Testing Manual, 15th Edition of the Gardner-Sward Handbook, Koleske J. (Ed.), West Conshohocken, PA: ASTM International, 341-372, 2012.
  11. NPCS Board of Consultants and Engineers, The Complete Book on Water Soluble Polymers, Asia Pacific Business, 2009.
  12. Pishran Sanat Engineering Tehran Mehr, Preliminary Feasibility Study of Superabsorbent Powder Production, http://www.fardanfara.com, Available in March 2013.
  13. Kenawy E.R., Worley S.D., and Broughton R., The Chemistry and Applications of Antimicrobial Polymers: A State of the Art Review, Biomacromolecules, 8, 1359-1384, 2007.
  14. Ikeda T., Yamaguchi H., and Tazuke S., New Polymeric Biocides: Synthesis and Antibacterial Activities of Polycations with Pendant Biguanide Groups, Antimicrob. Agents. Chemother., 139-144, 1984.
  15. Kenawy E.R., Abdel-Hay F.I., El-Shanshoury A.R., and El-Newehy M.H.J., Biologically Active Polymers: Synthesis and Antimicrobial Activity of Modifiedglycidyl Methacrylate Polymers Having a Quaternary Ammonium and Phosphonium Groups, Contr. Rel., 50, 145-152, 1998.
  16. Blank  L.M.B., White W.C., and Boyce T.D.,  Antimicrobial Superabsorbent Articles, US Pat. 4985023, 1991.
  17. Mohamed N.A. and ElGhany N.A.A., Synthesis and Antimicrobial Activity of Some Novel Terephthaloyl Thiourea Cross-Linked Carboxymethyl Chitosan Hydrogels, Cellulose, 19, 1879-1891, 2012.
  18. Varaprasad K., Reddy G.S.M., Jayaramudu J., Sadiku R., Ramam K., and Ray S.S., Development of Microbial Resistant Carbopol Nanocomposite Hydrogels via a Green Process, Biomater. Sci., 2, 257-263, 2014.
  19. Gownolla M.R., Antibacterial Nanocomposite Hydrogels for Superior Biomedical Applications: A Facile Ecofriendly Approach, RSC Adv., 1, 14351-14358, 2015.
  20. Bao Y., Ma J., and Li N.., Synthesis and Swelling Behaviors of Sodium Carboxymethylcellulose-g-Poly(AA-co-AM-co-AMPS)/MMT Superabsorbent Hydrogel, Carbohyd. Polym, 76-82, 2011.
  21. Marandi G.B. and Reza G., Effect of Hydrophobic Monomer on the Synthesis and Swelling Behaviour of a Collagen-graft-Poly[(acrylic acid)-co-(sodium acrylate)] Hydrogel, Polym. Int., 58, 227-235, 2009.
  22. Pass J., Phillips G.O., and Wedlock D.J., Interaction of Univalent and Divalent Cations with Carrageenans in Aqueous Solutions, Macromolecules, 10, 197-201, 1977.
  23. Cao L., Chen L., and Lai W., Precipitation Copolymerization of N-Isopropylacrylamide and Acrylic Acid in Supercritical Carbon Dioxide, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 45, 955-962, 2007.
  24. Zhang Y., Li X., Dong Q., and He P., Synthesis and Water Absorbency of Polyampholytic Hydrogels with Antibacterial activity, J. Appl. Polym. Sci., 120, 1767–1773, 2011.
  25. Kanazawa A., Ikeda T., and Endo T., Polymeric Phosphonium Salt as a Novel Class of Cationic Biocides. V. Synthesis and Antibacterial Activity of Polyesters Releasing Phosphonium Biocides, J. Appl. Polym. Sci., 31, 3003-3011, 1993.
  26. Franklin T.J. and Snow G.A., Biochemistry of Antimicrobial Action, Chapman and Hall, London, 58. 1981.
  27. Rogers H.J., Bacterial Cell Structure, American Society for Microbiology, 1983.