Антимікробні полімерні композиції на основі полікарбонату

Реферат: Антимікробні полімерні композиції на основі полікарбонату містять як термостабільні біоцидні домішки тетрафторборати 1-алкіл-3-метилімідазолію. UA 78731 U (54) АНТИМІКРОБНІ ПОЛІМЕРНІ КОМПОЗИЦІЇ НА ОСНОВІ ПОЛІКАРБОНАТУ UA 78731 U UA 78731 U Корисна модель належить до загальної органічної та полімерної хімії і стосується антимікробних полімерних композицій на основі полікарбонату, які містять тетрафторборати 1алкіл-3-метилімідазолію загальної формули R N + N _ BF4 CH3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 , де R=C6-C12- алкіл, -СН2С6Н5, що можуть бути використані як термостабільні біоцидні домішки для полікарбонатів. Полікарбонати (ПК) є надзвичайно популярними термопластичними полімерами завдяки унікальному поєднанню в них високої термічної стійкості, ударної міцності і стабільності розмірів в широкому діапазоні температур, чудових оптичних і діелектричних характеристик. ПК широко використовують як конструкційний матеріал в автомобільній, електротехнічній і будівельній галузях, в медичній техніці, у виробництві товарів побутового призначення і т. д. [1]. Застосування ПК в медицині (корпуси приладів, хірургічні інструменти, тара, пакувальні плівки) зумовлено легкістю їх стерилізації, низьким водопоглинанням і біосумісністю [2]. Відомо, що при контакті з вологою, або при експлуатації в приміщеннях з кліматичним контролем, поверхня полімерних виробів швидко покривається патогенними мікроорганізмами: бактеріями, пліснявою і грибами, які спричинюють появу забруднень і запахів, а також погіршення їх фізикомеханічних властивостей. Розвиток мікроорганізмів на поверхнях медичних приладів приводить не лише до обмеження їх функціональності завдяки мікробіологічній деструкції полімеру, але й до поширення інфекцій і пов'язаних з цим захворювань [3]. ПК з антимікробними властивостями мають зростаючий попит для застосування в медичному і побутовому секторі, в харчовій промисловості і т. д. Для надання полімерам стійкості до мікробної дії до них додають при переробці органічні або неорганічні біоциди [4, 5]. Однак використання органічних біоцидів як домішок для ПК у більшості випадків неможливе завдяки їх недостатній стабільності при температурах переробки полімеру 280-320 °C. Нанодисперсні частки срібла і срібловмісних сполук є на сьогодні найбільш популярними біоцидними домішками до термопластичних полімерів, включаючи ПК, завдяки широкому спектру антимікробних властивостей, високій термостабільності і стійкості до міграції з полімерних виробів [4, 5]. Однією з проблем використання наночасток срібла є спричинення ними забарвлення ПК при переробці з розплаву [6]. Стабілізовані антимікробні ПК композити з високою стабільністю розплаву і відсутністю забарвлення при переробці одержано при застосуванні змішаного фосфату цирконію-натрію-срібла [6]. Іншим методом стабілізації композитів ПК із срібловмісними сполуками є введення іонів срібла в цеоліт перед додаванням до полімерного розплаву [7]. Однак недоліком біоцидів цеолітного типу є їх гідрофільність, яка може спричинювати термічну або хімічну деструкцію полімеру при переробці [8]. Антимікробні ПК мембрани для ультрафільтрації було одержано з розчину ПК в хлороформі, який містив біоцидну домішку бензилтриетиламоній хлорид [9]. Недоліком біоцидів такого типу є їх водорозчинність, а також недостатня термічна стійкість, що унеможливлює їх введення в ПК при його переробці з розплаву. Таким чином, основними проблемами одержання антимікробних ПК композицій переробкою з розплаву є недостатня термічна стійкість органічних біоцидів за таких умов. Неорганічні біоциди, зокрема, наночастинки срібла та його сполук, мають високу термостабільність, але можуть негативно впливати на фізико-хімічні властивості ПК завдяки своїй високій реакційній здатності. Крім цього, біоциди на основі сполук срібла мають високу вартість, пов'язану із складною технологією їх одержання. Задачею даної корисної моделі є подолання наведених недоліків, зокрема, одержання органічних біоцидів для ПК, що мають невисоку вартість, низьку леткість, достатню термостабільність і можуть бути введені в ПК безпосередньо при його переробці традиційними методами. Поставлена задача вирішується тим, що антимікробні ПК композиції містять як біоциди тетрафторборати 1-алкіл-3-метилімідазолію загальної формули: 1 UA 78731 U R N _ BF4 + N CH3 5 10 15 , де R=C6-C12- алкіл, -СН2С6Н5, де як біоцидні домішки використовують 1-гексил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1гептил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-октил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ноніл3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-децил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ундецил-3метилімідазолій тетрафторборат, 1-додецил-3-метилімідазолій тетрафторборат і 1-бензил-3метилімідазолій тетрафторборат з масовою часткою 2-5 %. Наведені вище біоциди у порівнянні з найближчим аналогом (бензилтриетиламоній хлорид) є водостійкими, мають значно вищу термічну стійкість і не спричиняють деструкції полімеру при температурах його переробки (див. приклади 1-5). 1-гексил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-гептил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1октил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ноніл-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-децил3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ундецил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-додецил-3метилімідазолій тетрафторборат і 1-бензил-3-метилімідазолій тетрафторборат можуть бути використані як термостабільні біоцидні домішки для ПК, які можуть бути введені в полімер при переробці з розплаву традиційними методами екструзії і лиття під тиском. Нижче наведено приклади конкретної реалізації корисної моделі. Приклад 1. Синтез 1-гексил-3-метилімідазолій тетрафторборату [C6C1lM][BF4] C6H13 N + C6H13Br 120-140 C N + _ 30 35 N CH3 25 HBF4, H2O -HBr BF N 20 C6H13 CH3 N + _ BF4 N CH3 1 . В круглодонну колбу ємністю 250 мл поміщують 10 г (0,12 моль) 1-метилімідазолу і 25 г (0,15 моль) 1-бромгексану. Суміш перемішують за допомогою магнітної мішалки в атмосфері аргону, нагріваючи її до 120 °C. Реакцію проводять протягом 1 год., після чого піднімали температуру до 140 °C і продовжували перемішування протягом 1 год. Після охолодження реакційної суміші до кімнатної температури отримують в'язку рідину світло-жовтого кольору - 1-гексил-3метилімідазолій бромід (1), який промивають етилацетатом (3×100 мл) для видалення залишкових вихідних реагентів, що не вступили в реакцію. Продукт розчиняють в 80 мл води, додають 20 мл 40 %-го водного розчину тетрафторборної кислоти і перемішують розчин протягом 8 год. Утворений водонерозчинний шар екстрагують метиленхлоридом (2×100 мл) і промивають водою до нейтрального середовища. Об'єднаний розчин сушать над сульфатом натрію. Розчинник відганяють при нормальних умовах, залишки метиленхлориду видаляють у вакуумі 1 мБар при 70-80 °C протягом 12 год. Одержують рухливу рідину світло-коричневого кольору - 1-гексил-3-метилімідазолій тетрафторборат (2). Вихід - 25.2 г (72 %). 1 Н ЯМР (400 мГц, ДМСО-D6): =0,86 (t, 3Н, СН3, J=7,2 Hz), 1,258 (br.s, 6Н, СН2), 1.76 (m, 2Н, СН2), 3.84 (s, 3Н, NCH3), 4,14 (t, 2Н, NCH2, J=7,2 Hz), 7,67-7,75 (m, 2H, NC(H)C(H)N), 9,06 (s, 1H, NC(H)N). 19 F ЯМР (188 МГц, CDCI3): =-147,3 (с, 4Н). Приклад 2. Синтез 1-гептил-3-метилімідазолій тетрафторборату [C7C1lM][BF4] C7H15 N + C7H15Br 120-140 C C7H15 N + N N CH3 40 2 CH3 HBF4, H2O _ -HBr BF 3 N + N CH3 _ BF4 4 . Суміш 1-метилімідазолу (10 г, 0,12 моль) і 1-бромгептану (25,1 г, 0,14 моль) перемішують в атмосфері аргону протягом 2 год. при температурі 120-140 °C. Наступні процедури аналогічні до 2 UA 78731 U 5 описаних в прикладі 1. Отримують рідину світло-коричневого кольору - 1-гептил-3метилімідазолій тетрафторборат (4). Вихід продукту - 27,4 г (78 %). 1 Н ЯМР (300 мГц, CDCI3): =0,86 (м, 3Н, СН3, J=7,2 Гц), 1,26-1,31 (м, 8Н, СН2), 1,84 (м, 2Н, СН2), 3,94 (с, 3Н, NCH3), 4,16 (т, 2Н, NCH2, J=7,2 Гц), 7,27-7,38 (м, 2Н, NC(H)C(H)N), 8,76 (с, 1Н, NC(H)N). 19 F ЯМР (188 мГц, CDCI3): =-151,7 (с, 4Н). Приклад 3. Синтез 1-октил-3-метилімідазолій тетрафторборату [C8C1IM][BF4] C8H17 N + C8H17Br 120-140 C N + 20 25 -HBr BF N CH3 15 HBF4, H2O _ N 10 C8H17 CH3 N + _ BF4 N CH3 5 . Суміш 27 г (0,14 моль) 1-бромоктану і 10 г (0,12 моль) 1-метилімідазолу перемішують при температурі 120-140 °C протягом 2 год. Після охолодження отримують в'язку рідину світлокоричневого кольору, яку промивають трьома порціями по 100 мл суміші етилацетат - гексан (3:1) для видалення вихідних реагентів, що не вступили в реакцію. Залишки розчинників видаляють у вакуумі водоструменевого насосу при температурі 60-70 °C. Отриману іонну рідину - 1-октил-3-метилімідазолій бромід (5) розчиняють в 200 мл води і додають при перемішуванні 20 мл 40 % -го водного розчину тетрафторборної кислоти. Утворений водонерозчинний шар екстрагують метиленхлоридом (3×100 мл) і промивають об'єднаний розчин водою до нейтрального середовища. Розчин продукту в метиленхлориді сушать над сульфатом натрію. Розчинник відганяють при нормальних умовах, залишки видаляють у вакуумі водоструменевого насосу і температурі 80 °C протягом 8 год. Отримують рухливу рідину світло-коричневого кольору - 1-октил-3-метилімідазолій тетрафторборат (6). Вихід продукту складає 28,5 г (86 %). 1 Н ЯМР (300 МГц, CDCI3): =0,86 (т, 3Н, СН3, J=7,2 Гц), 1,25-1,31 (м, 9Н, СН2), 1,86 (м, 3Н, СН2), 3,94 (с, 3Н, NCH3), 4,16 (т, 2Н, NCH2, J=7,2 Гц), 7,27-7,38 (м, 2Н, NC(H)C(H)N), 8,78 (с, 1Н, NC(H)N). 19 F ЯМР (188 МГц, CDCI3): =-151,4 (с, 4Н). Приклад 4. Синтез 1-додецил-3-метилімідазолій тетрафторборату [C12С1IM][BF4] C12H25 N + C12H25Br 120-140 C + 40 45 N CH3 35 C12H25 N N 30 6 CH3 HBF4, H2O _ -HBr BF 7 N + N CH3 _ BF4 8 , Суміш 1-додецилброміду (35 г, 0,14 моль) і 1-метилімідазолу (10 г, 0,12 моль) перемішують при температурі 120-140 °C протягом 2 год. При охолодженні отримують твердий аморфний продукт світло-коричневого кольору, який розчиняють в 100 мл етилацетату. До розчину додають 250 мл гексану і перемішують протягом 5 хвилин, після чого суміш виливають у розділювальну воронку. Продукт виділяють із суміші у вигляді рідкого нижнього шару. Залишки розчинників видаляють у вакуумі водоструменевого насосу при 70-80 °C. Твердий продукт - 1додецил-3-метилімідазолій бромід (7) розчиняють в 300 мл води і додають при перемішуванні 20 мл 40 %-го водного розчину тетрафторборної кислоти. Утворений водонерозчинний шар екстрагують метиленхлоридом (3×200 мл) і промивають об'єднаний розчин водою до нейтрального середовища. Розчин продукту в метиленхлориді сушать над сульфатом натрію. Розчинник відганяють при нормальних умовах, залишки видаляють у вакуумі 10 мбар і температурі 80 °C протягом 8 год. Отримують маслоподібний продукт світло-коричневого кольору -1-додецил-3-метилімідазолій тетрафторборат (8). Вихід - 33,8 г (75 %). 1 Н ЯМР (300 МГц, ДМСО-D6): =0,84 (т, 3Н, СН3, J=7,2 Гц), 1,25-1,31 (м, 16Н, СН2), 1,85 (м, 2Н, СН2), 3,84 (с, 3Н, NCH3), 4,14 (т, 2Н, NCH2, J=7,2 Гц), 7,68-7,75 (м, 2Н, NC(H)C(H)N)), 9,09 (с, 1Н, NC(H)N). 19 F ЯМР (188 МГц, ДМСО-D6): =-148,2 (с, 4Н). Приклад 5. Термічна стійкість тетрафторборатів 1-алкіл-3-метилімідазолію і їх композицій з полікарбонатом Для одержання ПК композицій до розчину полімеру в метиленхлориді з концентрацією 10 г/100 мл додають тетрафторборат 1-алкіл-3-метилімідазолію у кількості 1-5 % від маси ПК. 3 UA 78731 U 5 10 Полімерні плівки товщиною 50-60 мкм виготовляють поливом з розчину на скляну підкладку при температурі 25 °C. Залишки розчинника з ПК плівок видаляють у вакуумі 1 мбар при 80 °C протягом 12 годин. Термогравіметричний аналіз (ТГА) проводять на дериватографі Q-1500D в діапазоні температур 20-1000 °C при швидкості нагрівання 10 °C/хв у повітрі. Маса зразка становить 100 мг. Згідно з даними ТГА, температура початку деструкції тетрафторборатів 1-алкіл-3метилімідазолію знаходиться в межах 340-373 °C (таблиця 1) і є суттєво вищою від температури переробки ПК (280-320 °C). Слід зазначити, що температура початку розкладу найближчого аналога - бензилтриетиламоній хлориду, згідно з табличними даними, складає 185 °C і є недостатньою для переробки з ПК методами екструзії і лиття під тиском. Таблиця 1 Дані термогравіметричного аналізу тетрафторборатів 1-алкіл-3-метилімідазолію Зразок [C6C1lM][BF4] [C7C1IM][BF4] [C8C1lM][BF4] [C12C1lM][BF4] 15 Т∆m=5 % 365 373 352 340 Температура при втраті маси ∆m, °C Т∆m=10 % Т∆m=20 % 411 433 415 434 389 415 378 423 Т∆m=50 % 465 467 432 440 Таблиця 2 містить дані ТГА для композицій ПК з тетрафторборатами 1-алкіл-3-метилімідазолію. Одержані результати вказують на зниження термічної стійкості ПК при його модифікації даними сполуками. Тим не менше, температури початку деструкції ПК композицій знаходяться вище від температурного діапазону переробки полімеру. Таким чином, тетрафторборати 1-алкіл-3метилімідазолію мають достатню термічну стійкість для введення в ПК при його переробці з розплаву. 20 Таблиця 2 Дані термогравіметричного аналізу композицій полікарбонату, які містять 5 мас. % тетрафторборатів 1-алкіл-3-метилімідазолію Полімерна композиція ПК (контроль) ПK/[C6C1lM][BF4] ПK/[C7C1lM][BF4] ПK/[C8C1lM][BF4] ПK/[C12C1lM][BF4] 25 30 35 Т∆m=5 % 410 354 349 337 330 Температура при втраті маси Am, °C Т∆m=10 % Т∆m=20 % 440 460 362 390 368 396 347 384 346 379 Т∆m=50 % 480 445 454 443 413 Приклад 6. Антимікробні властивості полікарбонатних плівок, модифікованих тетрафторборатами 1-алкіл-3-метилімідазолію. Для визначення антимікробної активності полікарбонатних композицій використовують стандартний штам E.coli GM 2163. Нічну культуру вирощують в 5 мл бульйону Luria-Bertani (LB): 5 г дріжджового екстракту, 10 г триптону і 10 г NaCl на 1 л води при рН 7,5 і температурі 37 °C [10]. Стерилізацію середовища проводять автоклавуванням протягом 20 хв при тискові 15 psi. 8 Концентрація бактеріальної культури складає 10 колоній утворюючих одиниць (оптична густина 0,2 при довжині хвилі 620 нм). 50 мкл отриманої суспензії наносять на стерильні плівки ПК, вирізані у формі кола з діаметром 5,5 см, і інкубують протягом 2 год., після чого методом відбитку переносять бактерії на LB агар (1 л середовища LB з 15 г бакто-агару). Антимікробну активність визначають підрахунком кількості утворених колоній (КУО) на місці контакту полімерної плівки з твердим поживним середовищем через 24 год. інкубації при 37 °C. Істинне число колоній визначають по рівнянню, яке враховує можливе їх перекривання: 4 UA 78731 U  qNспост  N  Nспост 1   0.503 S   5 10 15 1 , 2 2 де S - площа відбитку (см ), q - площа однієї колонії (см ), N - шукане повне число колоній, Nспост - число спостережуваних колоній. Максимальна частка площі, яку займають колонії, що не перекриваються, прийнята рівною 0,503, як при випадковому розташуванні нерухомих на площині дисків [11]. Плівки ПК без домішок використовують як контрольні зразки. Тестування кожної плівки проводять тричі, обчислюючи середнє арифметичне числа колоній. Результати мікробіологічних досліджень наведено в табл. 3. На контрольному зразку ріст колоній спостерігають по всій площі контакту ПК плівки із середовищем. При введенні 2 мас. % тетрафторборатів 1-алкіл-3-метилімідазолію в полімерну плівку спостерігають зниження кількості колоній приблизно втричі. Помітну антимікробну активність мають ПК плівки, які містять 3 % модифікуючих домішок, знижуючи кількість колоній на площі контакту з агаром на порядок (табл. 3). Полімерні плівки, які містять 4 % біоциду, практично повністю пригнічують ріст тест-культури (в полі зору знаходяться одиничні колонії). Поверхня агару, яка контактує з ПК, що містить 5 % біоцидних домішок, є повністю вільною від бактеріальних колоній. Таблиця 3 Обчислені кількості колоній утворюючих одиниць Е.соlі в LB агарі після контакту з плівками ПК, модифікованих тетрафторборатами 1-алкіл-3-метилімідазолію протягом 2 год. Зразок ПK/[C6С1lM][BF4] ПK/[C7C1lM][BF4] ПK/[C8C1lM][BF4] ПK/[C12C1IM][BF4] 20 25 30 35 40 Вміст біоциду, % 2 3 280,45 98,67 242,66 86,35 310,75 65,24 290,47 72,15 0 720,32 720,32 720,32 720,32 4 6,57 9,38 5,05 8,85 5 0 0 0 0 Таким чином, тетрафторборати 1-алкіл-3-метилімідазолію є перспективними біоцидними домішками до ПК, які мають високу термічну стійкість і високу антимікробну активність при вмісті 3-5 мас. %. Джерела інформації: 1. Freitag D. et al. Polycarbonates. In: Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 11, 2nd ed., New York: Wiley, 1988. p. 648-718. 2. Powell DG. Medical Applications of Polycarbonate, www.devicelink.com. 3. Kaali P, Stromberg E, Karlsson S. Prevention of Biofilm Associated Infections and Degradation of Polymeric Materials Used in Biomedical Applications. In: Biomedical Engineering, Trends in Materials Science, editor Laskovski A. N, InTech, 2011. 4. Gao Y., Cranston R. Recent advances in antimicrobial treatments of textiles. Text. Res. J. 2008, 78:60-72. 5. Markarian J. Antimicrobials find new healthcare applications. Plastics Additives& Compounding 2009, 11 (1): 18-22. 6. Charles J.J, Gerace M.A. Stabilized antimicrobial polycarbonate compositions. US Patent 2010/0036014. 7. Li X. Antimicrobial thermoplastic molding composition. US Patent 2009/0304762. 8. Kaali P. et al. The influence of Ag+, Zn2+and Cu2+exchanged zeolite on antimicrobial and long term in vitro stability of medical grade polyether polyurethane. Express. Polym. Lett. 2011, 5 (12): 1028-1040. 9. Kim S. J et al. Preparation and characterization of antimicrobial polycarbonate nanofibrous membrane. Eur. Polym. J. 2007, 43 (8): 3146-3152. 10. Sambrook J., Fitsch E. F, Maniatis T: Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor Press, 1989. 11. Finegold S.M. Antimicrobial therapy of anaerobic infections: a status report. Hosp. Pract. 1979, 14(10): 71-81. 45 5 UA 78731 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Антимікробні полімерні композиції на основі полікарбонату, які відрізняються тим, що містять як термостабільні біоцидні домішки тетрафторборати 1-алкіл-3-метилімідазолію загальної формули R N + N _ BF4 CH3 10 , де R=C6-C12-алкіл, -СН2С6Н5, де застосовують 1-гексил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-гептил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-октил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ноніл-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-децил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-ундецил-3-метилімідазолій тетрафторборат, 1-додецил-3-метилімідазолій тетрафторборат і 1-бензил-3-метилімідазолій тетрафторборат з масовою часткою 2-5 %. 15 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6