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Jun 19, 2024

Hocheffiziente und langlebige antimikrobielle Nanokomposit-Textilien

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 17332 (2022) Diesen Artikel zitieren 2974 Zugriffe 1 Zitate 4 Altmetric Metrics Details Krankenhausbedingte Infektionen verursachen Millionen von Krankenhausaufenthalten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17332 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Infektionen im Zusammenhang mit dem Gesundheitswesen verursachen jedes Jahr Millionen von Krankenhausaufenthalten und kosten Milliarden von Dollar. Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist die Entwicklung antimikrobieller Textilien für Textilien im Gesundheitswesen (Krankenhausbettwäsche, Kittel, Laborkittel usw.). Mit Metallnanopartikeln beschichtete Textilien besitzen nachweislich antimikrobielle Eigenschaften, wurden jedoch aufgrund der Gefahr der Auslaugung und des daraus resultierenden Funktionsverlusts, der Toxizität und der Umweltverschmutzung nicht von Gesundheitseinrichtungen übernommen. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und Erprobung antimikrobieller Zink-Nanokomposit-Textilien vor, die mithilfe eines neuartigen Crescoating-Verfahrens hergestellt werden. Bei diesem Verfahren werden Zink-Nanopartikel in situ in der Masse verschiedener natürlicher und synthetischer Stoffe gezüchtet, um sichere und langlebige Nanokomposite zu bilden. Die Zink-Nanokomposit-Textilien zeigen innerhalb von 24 Stunden eine beispiellose mikrobielle Reduktion von 99,99 % (4 log10) bis 99,9999 % (6 log10) bei den häufigsten grampositiven und gramnegativen Bakterien sowie Pilzpathogenen. Darüber hinaus bleibt die antimikrobielle Wirkung auch nach 100 Wäschezyklen erhalten, was die hohe Langlebigkeit und Strapazierfähigkeit des Textils beweist. Eine unabhängige dermatologische Untersuchung bestätigte, dass das neuartige Textil nicht reizend und hypoallergen ist.

Mit dem Gesundheitswesen verbundene Infektionen (HAIs) stellen für die öffentliche Gesundheit ein großes Problem dar. Mindestens einer von 31 Patienten infiziert sich während oder nach der Behandlung in Krankenhäusern in den Vereinigten Staaten1. Textilien in Gesundheitseinrichtungen (Vorhänge, Bettwäsche, Arbeitskleidung, Teppiche, Patientenkittel, Handtücher, Möbel) sind dafür bekannt, dass sie Mikroorganismen beherbergen und die Verbreitung von HAIs, einschließlich SARS-CoV-22,3, begünstigen. Regelmäßiges Reinigen und Auftragen von Desinfektionsmitteln auf alle Textilien im Krankenhausumfeld reicht nicht aus, um eine Übertragung zu verhindern. Selbst bei regelmäßiger Reinigung wurde festgestellt, dass die Kleidung von Gesundheitspersonal nach einem typischen Arbeitsplan von 8 bis 12 Stunden eine erhebliche Menge an Mikroben aufwies, und etwa 92 % der Krankenhausvorhänge enthielten innerhalb einer Woche nach der Reinigung Krankheitserreger4.

Das Ausmaß dieses Problems hat seit der COVID-19-Pandemie, die dazu führte, dass die Gesundheitseinrichtungen voll ausgelastet waren und die Gefahr einer weiteren Ausbreitung von Infektionen bestand, noch weiter zugenommen. Zu den häufigsten HAIs, die in Krankenhäusern in den Vereinigten Staaten beobachtet werden, gehörten die zentralkatheterassoziierte Blutbahninfektion (CLABSI), die katheterassoziierte Harnwegsinfektion (CAUTI) und die beatmungsassoziierte Pneumonie um 47 %, 19 % bzw. 45 % Das Jahr 2020. Darüber hinaus berichteten die Centers for Disease Control and Prevention (CDC), dass die Infektionen im Zusammenhang mit Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) im Jahr 2020 mit dem Ausbruch der COVID-19-Pandemie zunahmen5.

In den Vereinigten Staaten war die Übertragung von SARS-CoV-2 in Krankenhäusern, Pflegeheimen und medizinischen Einrichtungen vorherrschend, was dazu führte, dass sich in den USA bis zum 18. März 2022 über 1037.400 Beschäftigte im Gesundheitswesen mit COVID-19 infizierten6,7. Während sich der Fokus der Beschäftigten im Gesundheitswesen auf die Bekämpfung dieses Problems verlagert hat, sind einige der häufigsten Todesursachen in Pflegeheimen in den Hintergrund getreten, wie Atemwegsinfektionen, Harnwegsinfektionen (HWI), Gastroenteritis, Sepsis und Hautkrankheiten, bei denen es sich um multiresistente Arzneimittel handelt bakterielle und pilzliche Krankheitserreger8,9. Dies macht diese Einrichtungen zu „Hotspots“ für solche Infektionen, was einen dringenden Bedarf an selbstdesinfizierenden antiviralen/antimikrobiellen Textilien zur Eindämmung der Übertragung dort ergibt, wo idealerweise geringe Kapitalinvestitionen erforderlich sind.

Der Einsatz von Nanotechnologie und Nanomaterialien ist einer der vielversprechendsten Ansätze für die Entwicklung der nächsten Generation funktioneller Textilien10,11. Die Bedeutung von Nanomaterialien, insbesondere von Nanopartikeln, liegt in ihrer Fähigkeit, vielfältige Funktionalitäten zu verleihen, wobei diese Funktionalitäten aufgrund des erhöhten Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und der hohen Oberflächenenergie bemerkenswert verbessert werden12. Insbesondere Silbernanopartikel erfreuen sich aufgrund ihrer antimikrobiellen Breitbandeigenschaften zunehmender Beliebtheit in der Textilindustrie. Zwischen 2004 und 2011 stieg der Silbermarktanteil antimikrobieller Textilien von 9 auf 25 % und ersetzte nach und nach synthetische organische Verbindungen13. Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um Metall- und Metalloxid-Nanopartikel in Textilien zu integrieren14. Zu den gebräuchlichsten Ansätzen gehören das Sprühen einer Nanopartikellösung15, die schichtweise Abscheidung mit Polymeren oder Polyelektrolyten16, die sonochemische Beschichtung17, die Plasmaabscheidung18 und das Elektrospinnen19.

Aktuelle Methoden zur Funktionalisierung von Nanopartikeln weisen erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit auf20. Nanopartikel-Oberflächenbeschichtungen unterliegen der Auswaschung, da Nanopartikel aus dem Fasermaterial freigesetzt werden. Dies gilt insbesondere für Textilien und Bekleidung, die mechanischer Beanspruchung, Abrieb sowie wiederholten Wasch- und Trockenzyklen ausgesetzt sind. Die Emission von Silbernanopartikeln aus Textilien variiert je nach Produkt und kann beim ersten Waschen bis zu 80 % betragen20,21. Darüber hinaus haben sich Silber und andere in Textilien verwendete Nanopartikel wie Kupfer als toxisch für Umweltsysteme erwiesen22,23,24. Diese antimikrobiellen Nanopartikel können auch biologische Behandlungsprozesse stören, die in kommunalen und industriellen Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden25.

Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf die Verwendung eines neuartigen Verfahrens namens Crescoating, was Beschichtung durch Wachstum [-cresco] bedeutet, für die Einführung von Nanopartikeln in Textilien zur Bildung stabiler Nanokomposite und den Nachweis der antimikrobiellen Wirkung von Zink-Nanokomposit-Textilien. Typischerweise werden Nanokomposite als mindestens zweiphasige Materialien beschrieben, bei denen eine der Komponenten im Nanomaßstab vorliegt. Dies könnte entweder eine metallische oder eine nichtmetallische Nanopartikelphase sein, die in einen makroskaligen Träger wie in diesem Fall die Stoffe eingebettet ist. Beim Crescoating-Behandlungsprozess werden Nanopartikel direkt auf und in der Masse der Polymermaterialien gezüchtet. Dieses Massenwachstum ermöglicht eine verbesserte Nanopartikelretention und verhindert sowohl Textilleistungsverluste als auch Nanopartikelemissionen in Wassersysteme.

Zink wurde aufgrund seiner zahlreichen Vorteile gegenüber Nanopartikeln, die derzeit in Textilien verwendet werden, ausgewählt. Neben seinen antimikrobiellen Eigenschaften26 ist es von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) allgemein als sicher (GRAS) anerkannt, weist keine Umwelt- oder Humantoxizität auf und wird häufig in kommerziellen Produkten von Lebensmitteln bis hin zu Kosmetika verwendet26. Der Nachweis der antimikrobiellen Eigenschaften erfolgte durch Tests verschiedener Textilien gegen verschiedene Mikroorganismen, darunter gramnegative, grampositive Bakterien und Pilze.

Die Nanokomposit-Textilien wurden hergestellt, indem die Textilien in einer wässrigen ionischen Vorläuferlösung getränkt wurden, die thermisch behandelt wurde, um Nanopartikel in der Masse und auf der gesamten Oberfläche der Stoffe zu bilden. Die hier verwendete Technologie heißt Crescoating (Abb. 1) und beginnt mit der Bildung fester Keime aus der Ionenlösung unter Erhitzen, gefolgt von deren Keimbildung zur Bildung definierter Nanopartikel. Die thermische Behandlung erfolgte mithilfe eines Konvektionsofens, der zur Verdampfung von Wasser und anschließender Keimbildung und Keimbildung der Partikel führte. Die Größe der Partikel kann je nach Prozessbedingungen zwischen 5 und 500 nm liegen und sie werden in die textilen Träger eingebettet. Diese Methode verbessert die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Nanokomposit-Textilien im Gegensatz zu herkömmlichen oberflächenbeschichteten Produkten, die durch mehrere Waschzyklen mit der Zeit ihre Nanopartikel verlieren.

Vergleich von (A) konventionellem Tauchbeschichtungsverfahren mit (B) thermischer Crescoating-Technologie. (A) Nasssynthese von Nanopartikeln durch chemische Reduktion (1), Tauchbeschichtung des Textils im Nanopartikel (2), gefolgt von Waschen und Trocknen (3). (B) Imprägnierung des Textils in Vorläuferlösung (1), thermische Reduktion durch Erhitzen des Textils auf 100 °C (2), gefolgt von Waschen und Trocknen (3).

Die Wirksamkeit dieser Methode wurde zuvor bei der Umweltsanierung unter Verwendung von Polyurethanschaum sowie Polypropylen-, Polycotton- und Nylon-Baumwollgeweben aufgrund ihrer antiviralen Eigenschaften nachgewiesen27,28,29,30. Abbildung 2 zeigt REM-Bilder von Nanokompositmaterialien aus Polyurethan, Nylon und Polyester.

REM-Bilder von Kunststoff-Nanokompositen, die mit dem „In-situ-Wachstum“-Verfahren hergestellt wurden. (A) Zink-Polyurethan-Nanokompositfilm. Die blauen Pfeile zeigen zwei Stücke des Nanokomposit-Dünnfilms. Die Bildverstärkung am Filmquerschnitt zeigt das Vorhandensein von Zink-Nanopartikeln im Film. (B) Zink-Nylon-Nanokomposit mit in die Nylonfasern eingebetteten Zink-Nanopartikeln. (C) Silber-Polyester/Baumwoll-Nanokomposit.

Um die Vielseitigkeit der Crescoating-Technologie zu demonstrieren, wurde das Verfahren an verschiedene Stoffe angepasst, wobei auch unterschiedliche Metallnanopartikel verwendet wurden (Abb. 3).

Vielseitigkeit des In-situ-Nanopartikelwachstumsprozesses unter Verwendung verschiedener Nanopartikel auf verschiedenen Textilien. nSe: Nanoselen, nb: Nanobor, nCe: Nanocer, nFe: Nanoeisen, nAg, Nanosilber.

In dieser Studie wurden als Stoffträger Seide, synthetisches Polyester, Nylonbaumwolle und Polyesterbaumwolle verwendet. Es wurden natürliche, synthetische und gemischte Textilien ausgewählt, um zu analysieren, wie gut die antimikrobielle Behandlung bei verschiedenen Stoffarten wirken würde. Insbesondere werden die oben ausgewählten Stoffe häufig in der Konsumgüter- und Textilindustrie verwendet, und es wäre von Vorteil, ihnen eine antimikrobielle Aktivität zu verleihen. Die Synthese von Zink-Nanokomposit-Textilien basierte auf einer zuvor entwickelten Methode30. Kurz gesagt, die Stoffe wurden zunächst 30 Minuten lang bei Raumtemperatur in ionische Vorläuferlösungen von Zinksalz getaucht. Anschließend wurden sie 4 Stunden lang in einem Konvektionsofen auf 100 °C erhitzt, wobei eine dünne Schicht der Lösung darüber gehalten wurde. Auf den Zinkträgern bildeten sich weiße Niederschläge. Jeglicher ungebundener Niederschlag wurde nach der Methode LP1: Home Laundering der American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC) abgewaschen und getrocknet31.

Die synthetisierten Nanokomposite wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (6700 SEM, JEOL Inc.) charakterisiert. Abbildung 4 zeigt Zink-Nanokomposite, die in Polyestergeweben gewachsen sind. Auf dem textilen Träger sind sehr kleine Zink-Nanopartikel in einem Größenbereich von ≤ 100 nm zu erkennen. Die Nanopartikelbedeckung auf dem Träger ist weder einheitlich noch weit verbreitet. REM-Bilder von unbehandelten Kontrollgeweben finden Sie in der ergänzenden Abbildung S1. Ungebundene Nanopartikel, die durch Händewaschen der Nanokompositstoffe unmittelbar nach der Synthese gesammelt wurden, wurden in unserer vorherigen Studie mithilfe von Röntgenkristallographie (D8 Discover, Bruker Corp.) analysiert30. Die Musteranpassung wurde mit der JADE for XRD-Software (Materials Data Inc.) durchgeführt. Zinkpartikel bestanden hauptsächlich aus zwei kristallinen Phasen von Zinkhydroxid (Zn(OH)2) und Zinkcarbonathydroxid (Zn5(CO3)2(OH)6-Hydrozinkit).

REM-Bilder von Nanopartikeln, die aus zinkbehandeltem Polyestergewebe gewonnen wurden.

Die Bildung dieser Nanopartikel folgt einem dreistufigen Prozess, der der zuvor untersuchten Bildung von Eisenoxid-Nanopartikeln ähnelt28. Die thermische Synthese von Nanopartikeln auf Trägern wird durch die Bildung von Festphasenkeimen erreicht, die Keime bilden, um Nanopartikel zu bilden. Bei Zink werden die Salzvorläufer hydrolysiert, um Hydroxid-Zwischenprodukte in Form von Zn(OH)2 zu bilden. In Gegenwart von Carbonat aus der Atmosphäre und/oder durch den Abbau des Acetat-Gegenions bilden sich Zinkcarbonathydroxidpartikel. Die Hydrozincit- und Zinkhydroxidphasen sind in Röntgenbeugungsmustern zu erkennen30,32.

Die Retention von Zink-Nanopartikeln in den Textilien nach mehreren Waschzyklen wurde von einem externen Testunternehmen, Pace Analytical LLC, getestet. Proben verschiedener Arten von Nanokomposit-Baumwollgeweben wurden dem synthetischen Fällungs-Leachat-Verfahren (SPLP) unterzogen. Diese Stoffe wurden nach der Herstellung zuvor gewaschen, um lose Nanopartikel von ihrer Oberfläche zu entfernen. Der auf dem EPA 3010A-Präparat und der EPA 6010B-Analysemethode basierende Test wurde dann angewendet, um das Auslaugen von Zink-Nanopartikeln aus den Stoffen zu untersuchen33. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die höchste Zinkauswaschung von 106.000 µg/L nach der ersten Wäsche nach der Herstellung bei einer der Baumwollarten auftritt. Alle anderen Werte sind niedriger und führen zu einer deutlich geringeren Auswaschung nach jedem weiteren Waschgang (siehe ergänzende Informationen Tabelle S1). Dies zeigt, dass die mit der neuartigen Crescoating-Methode hergestellten Nanokompositgewebe äußerst langlebig sind. Es wurde festgestellt, dass die höchste anfängliche Sickerwasserkonzentration deutlich unter 250.000 µg/L liegt, was dem Wert der löslichen Schwellengrenzkonzentration (STLC) für den Bundesstaat Kalifornien entspricht34. Basierend auf diesem Grenzwert kann gefolgert werden, dass die Zinkkonzentration, die nach jedem Waschgang aus den Textilien austritt, nicht groß genug ist, um eine Gesundheits- oder Umweltgefahr darzustellen. Die bei den drei verschiedenen Baumwolltypen beobachteten unterschiedlichen Auslaugungswerte könnten auf Unterschiede in deren Fasergrößen und Vorbehandlungsprozessen zurückzuführen sein, wie z. B. Mercerisierung (Oxidation der Fasern zur leichteren Metallbindung), die für die Baumwolltypen 1 und 2 durchgeführt wurde.

Für antimikrobielle Tests wurden Zinknanopartikel auf Textilmustern aus Polyester, Seide und Nylon/Baumwolle (50:50) gezüchtet, die von Testfabrics Inc. bzw. Rockywoods Fabrics LLC bezogen wurden. Die AATCC-Testmethode 100–2004 wurde für antibakterielle und antimykotische Tests funktionalisierter Stoffe verwendet. Das Experiment wurde dreifach durchgeführt. Für antimikrobielle Tests wurden zwei Bakterienarten Pseudomonas aeruginosa (PA, ATCC 27853) (Gram-negativ) und Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) (Gram-positiv) sowie eine Pilzart Candida albicans (CA) ausgewählt. Die Ergebnisse wurden in zwei Kategorien unterteilt: ein „Vor dem Waschen“-Test, der an Mustern durchgeführt wurde, die kurz nach der Behandlung in der Maschine gewaschen wurden, und ein „Nach dem Waschen“-Test mit Mustern, die mehreren Maschinenwasch- und Trocknungszyklen unterzogen wurden. Die Tests „nach dem Waschen“ wurden von einem externen Testunternehmen durchgeführt (siehe Bericht in den Zusatzinformationen). Der verwendete Stoff war eine Polyester-Baumwollmischung und die Tests wurden an den Bakterienarten Staphylococcus aureus (SA, ATCC 6538) (Grampositiv) und Klebsiella pneumoniae (KP, ATCC 4352) (Gramnegativ) durchgeführt. Dies wurde durchgeführt, um die antimikrobielle Wirksamkeit verschiedener Zink-Nanokomposit-Gewebe gegen verschiedene Krankheitserreger unter verschiedenen Bedingungen zu überprüfen.

Kurz gesagt, die Stoffproben wurden mit Bakteriensuspensionen in Nährbrühe beimpft und gespült. Diese Proben wurden in zwei Sätze mit unterschiedlichen Elutionszeiten aufgeteilt, eine sofortige Elution nach 0 Stunden und eine Elution nach einer Inkubationszeit von 24 Stunden. Die eluierte Lösung aus den beimpften Geweben wurde dann ausplattiert und 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Das Bakterienwachstum wurde durch Koloniezählung auf Platten quantifiziert, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Ergebnisse werden in % Reduktion angegeben und nach der folgenden Formel berechnet (Gleichung 1).

Dabei ist A die Anzahl der aus dem beimpften behandelten Probengewebe gewonnenen Bakterienkolonien und B die Anzahl der aus dem beimpften unbehandelten Kontrollgewebe gewonnenen Bakterienkolonien, beide über einen festgelegten Kontaktzeitraum inkubiert. Für alle Experimente gilt Gl. 2 wurde zur Bestimmung der Testwirksamkeit verwendet. Bei dieser Berechnung handelt es sich um eine qualitative Überprüfung, um zu bestätigen, dass die anfängliche Konzentration der verwendeten Bakterien für die Durchführung des antimikrobiellen Tests ausreichte. Diese Zahl muss größer als 1,5 sein.

Dabei ist a die Anzahl der Bakterienkolonien, die unmittelbar nach der Inokulation aus unbehandeltem Kontrollgewebe gewonnen wurden, und b die Anzahl der Bakterienkolonien, die nach 24-stündiger Inkubation nach der Inokulation aus unbehandeltem Kontrollgewebe gewonnen wurden. Bei allen gemeldeten Experimenten lagen diese Wirksamkeitswerte zwischen 1,5 und 3,5, was die wirksame Bakterienkonzentration bestätigte.

Ausgewählte Fotos von Zellkulturplatten, die bei antimikrobiellen Tests mittels Zellzählung für Proben verwendet wurden, die nach 24 Stunden mit 105-facher Verdünnung eluiert wurden.

Für Tests gegen den Pilzerreger Candida albicans wurde das oben beschriebene Verfahren analog befolgt. Obwohl sich die von der AATCC empfohlenen Antimykotika-Tests für Textilien von denen von Bakterien unterscheiden, ähnelt der Wachstumszyklus von Candida albicans dem von Bakterien, was Antimykotika-Tests mit dieser modifizierten Version der AATCC-Testmethode 100–200435 ermöglicht.

Die in Tabelle 1 gezeigten 0-Stunden-Daten für jedes Textil zeigten unterschiedliche antibakterielle Eigenschaften für Pseudomonas aeruginosa (PA), Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) und Candida albicans (CA). Dies könnte auf die schnelle Elution mikrobieller Impfungen aus dem Gewebe zurückzuführen sein, wodurch den Nanopartikeln viel weniger Zeit bleibt, mit den pathogenen Zellen zu interagieren und deren Wachstum konsequent zu reduzieren. Dennoch lag der Prozentsatz der mikrobiellen Reduktion bei fast allen Proben zwischen 32 und 91 %, was darauf hindeutet, dass die Nanokompositstoffe immer noch einige antimikrobielle Eigenschaften hervorrufen können. Bei mit MRSA behandeltem Nanokomposit-Polyester wurde ein negativer Wert beobachtet, was darauf hindeutet, dass mehr Bakterien gewonnen wurden als bei der Kontrolle. Dies könnte an den unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der einzelnen Stoffe liegen oder an einer falschen Vermischung der Bakterienkonzentration. „NA“ wird entweder für einen negativen Wert verwendet oder weist auf eine Kontamination hin. Die 24-Stunden-Elutionsergebnisse zeigten hingegen eine signifikante mikrobielle Reduktion in mit Zink-Nanokomposit-Textilien behandelten Proben im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen (ANOVA, p < 0,05). Die Prozentsätze der mikrobiellen Reduktion schwankten deutlich weniger und reichten von 98 bis > 99,999 % (> 1 log10 bis > 5 log10). Die erhaltenen Prozentsätze sind höher oder ähnlich denen, die in der Literatur für antimikrobielle Baumwollstoffe gegen grampositive S. aureus und gramnegative Bakterien angegeben werden36,37. Obwohl der antimikrobielle Mechanismus von Zinknanopartikeln nicht eindeutig untersucht ist, deuten Berichte aus früheren Studien darauf hin, dass ihre photokatalytischen Eigenschaften durch eine Reihe von Reaktionen in Gegenwart von H2O Wasserstoffperoxid (H2O2) erzeugen. Diese Wasserstoffperoxidmoleküle sind für die Mikrobenzellen giftig, da sie die Zellmembran durchdringen und diese abtöten können38. Es liegen weniger Studien zur antimikrobiellen Wirksamkeit dieser Textilien gegenüber Pilzerregern vor. Die hier erzielten Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass diese neuartigen Nanokomposittextilien auch für antimykotische Anwendungen eingesetzt werden können.

Zink-Nanokomposit-Polyester-Baumwolle wurde 50 Mal gemäß der AATCC LP1: Home Laundering-Methode in der Maschine gewaschen und die antibakteriellen Eigenschaften wurden separat durch einen unabhängigen Test von Vartest Laboratories LLC bewertet. Es wurde festgestellt, dass die Bakterienreduktion sowohl für Klebsiella pneumoniae (KP, Gram-negativ) als auch für Staphylococcus aureus (SA, Gram-positiv) 0 % betrug, was darauf hindeutet, dass das Nanokomposittextil während des 0-stündigen Prozesses (sofortige Elution) keine antimikrobiellen Eigenschaften aufwies nach 50 Waschzyklen (siehe Tabelle 2 und ergänzende Informationen). Allerdings zeigte das gleiche Material auch nach 50 Waschzyklen antimikrobielle Eigenschaften mit einer Bakterienreduktion von mehr als 99,999 % (5 log10) sowohl für Klebsiella pneumoniae als auch für Staphylococcus aureus nach 24-stündiger Inkubation (siehe Tabelle 2 und ergänzende Informationen). Zwar gab es in der Vergangenheit einige Studien zur Anwendung von Zinkoxid-Nanopartikeln zur Herstellung antimikrobieller Textilien, doch die meisten dieser Studien zeigen deutlich geringere Prozentsätze der mikrobiellen Reduktion als der gewünschte Bereich von 99,999 % (5 log10) für Proben, die über 20 Zyklen gewaschen wurden39,40 . Andererseits könnten die mit der neuartigen Crescoating-Technik hergestellten Zink-Nanokomposit-Textilien ihre antimikrobiellen Eigenschaften auch nach mehr als 50-maliger Wiederverwendung behalten. Vorläufige Tests an Proben, die 100 Zyklen lang gewaschen wurden (siehe nächster Abschnitt), zeigen ebenfalls eine vielversprechende antibakterielle Aktivität. Daher können diese Stoffe erfolgreich zur Herstellung antimikrobieller Textilien im Gesundheitswesen eingesetzt werden.

Baumwollstoff aus Zink-Nanokomposit wurde 100 Mal nach der AATCC LP1: Home Laundering-Methode gewaschen. Diese Proben wurden dann gemäß der AATCC-Testmethode 100 gegen das grampositive Bakterium Staphylococcus aureus getestet. Die Ergebnisse der 24-Stunden-Elutionsproben zeigen eine Reduktion von > 99,999 % (> 5 log10), was darauf hindeutet, dass die Nanokompositgewebe ihr antimikrobielles Verhalten sogar beibehalten können nach mehreren Wäschen. Dies bedeutet, dass die neuartigen Nanokompositstoffe im Vergleich zu anderen zuvor untersuchten antimikrobiellen Textilien eine längere Lebensdauer und Haltbarkeit aufweisen39,40.

Um festzustellen, ob die antimikrobiellen Nanokompositstoffe sicher als Kleidung verwendet werden können, wurde von Evalulabs LLC der Human Repeat Insult Patch Test (HRIPT) durchgeführt. Die Tests wurden nach Einholung der Einverständniserklärung von 50 menschlichen Probanden und unter der Aufsicht eines zugelassenen Dermatologen durchgeführt. Das Protokoll wurde vor den Tests von der Ethikkommission und der unabhängigen Ethikkommission (IEC) von Evalulab LLC genehmigt, um die Rechte der menschlichen Teilnehmer zu schützen, und die Tests wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stoffe nicht reizend und hypoallergen für die menschliche Haut waren. Der vollständige Bericht dieses Tests ist in den Zusatzinformationen verfügbar.

Als Vorläufer wurde Zinkacetat-Dihydrat (Sigma Aldrich, USA) verwendet. Die verwendeten textilen Stoffträger waren Polyester-Baumwolle, Nylon-Baumwolle (50/50 Nylon-Baumwoll-Camouflage-Ripstop-Stoff) (Rockywoods Fabrics LLC), angrenzender Seidenstoff, 60 g/m2 (ISO 105-F06, Testfabrics Inc.) und angrenzender synthetischer Polyester-Stoff , 130 g/m2 (ISO 105-F04, Testfabrics Inc.). Für die Synthese auf Zink-Nanokomposit-Textilien wurden Lösungen von Zinksalzen in gefiltertem entionisiertem Wasser mit einer Leitfähigkeit von ~ 18 Megaohm cm-1 hergestellt (SpectraPure, USA). In einem typischen Syntheseprozess wurden Stoffe 30 Minuten lang bei Raumtemperatur in die Lösungen getaucht. Anschließend wurden die Stoffe 4 Stunden lang in einem Konvektionsofen (Modell FDL 115, BINDER GmbH, Tuttlingen, Deutschland) auf 100 °C erhitzt.

Die für den Test verwendeten Bakterienstämme waren der grampositive Staphylococcus aureus subsp. aureus (ATCC 6538) und Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus, der gramnegative Pseudomonas aeruginosa (ATCC 27.853) und der Pilz Candida albicans. Alle Organismen wurden in tryptischer Sojabrühe (TSB) kultiviert, gefolgt von einer Reihenverdünnung, um eine Endkonzentration von 105 KBE/ml für die Gewebeimpfung zu erreichen. Die Konzentration wurde durch eine dreifach durchgeführte Plattenzählmethode bestätigt. Der grampositive Staphylococcus aureus subsp. aureus (ATCC 6538) und das gramnegative Klebsiella pneumoniae (ATCC 4352) wurden für Tests Dritter verwendet.

Die antimikrobielle Leistung wurde mithilfe einer modifizierten Form der Plattenzählmethode quantifiziert, die in der AATCC-Testmethode 100–2004 beschrieben ist. Bei den auf antimikrobielle Aktivität getesteten Materialien handelte es sich um Textilien aus Zink-Nanokomposit, darunter Seide, Nylon-Baumwolle und Polyester (PE). Die Tests wurden an Mustern durchgeführt, die nach der Herstellung einmal in der Maschine gewaschen wurden, was als „Vor dem Waschen“-Proben gilt, und solchen, die maschinellen Wasch- und Trocknungszyklen unterzogen wurden, die als „Nach dem Waschen“-Proben gelten. Bei den Kontrollen handelte es sich um unbehandelte Stoffe. Ein Muster unbehandelter Stoff und ein Muster behandelter Stoff wurden jeweils in separate Petrischalen von 60 mm × 15 mm gelegt. Die Muster wurden gleichmäßig auf das Maß 4 x 2,5 cm zugeschnitten. Die unbehandelten und behandelten Stoffe wurden dann mit einer Konzentration von 105 KBE/ml jedes zuvor zubereiteten Mikrobenstamms beimpft. Der Zweck dieser Impfung besteht darin, die Stoffprobe vollständig mit der Kultur zu durchtränken. Anschließend wurden die Petrischalen mit Parafilm verschlossen und 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Für 0-Stunden-Sofortelutionstests wurden Proben auf ähnliche Weise vorbereitet und sofort in Röhrchen mit 5 ml Hank's Balanced Salt Solution (HBSS-Puffer) überführt. Die mikrobielle Kultur wurde dann durch gründliches Vortexen vollständig von den Stoffproben eluiert. Anschließend wurden die Stoffproben aus der HBSS-Pufferlösung entfernt. Die 24 h inkubierten Proben wurden auf ähnliche Weise eluiert. Ein Röhrchen mit 5 ml HBSS-Lösung wurde direkt mit der mikrobiellen Kultur beimpft und diente als Kontrolle. Alle eluierten Proben wurden mit HBSS seriell verdünnt, dreimal für Proben mit sofortiger Elution und fünfmal für Proben mit 24-Stunden-Elution, und auf tryptischem Sojaagar (TSA) ausplattiert, gefolgt von einer Inkubation bei 37 °C für 18–24 Stunden.

Die Anzahl der Mikrobenkolonien wurde nach der Inkubation gezählt und der Reduktionsprozentsatz wurde wie zuvor beschrieben berechnet.

Für weitere Waschtests wurden Nanokomposit-Polyester-Baumwolltextilien Waschzyklen gemäß AATCC LP1: Home Laundering-Methode in einer Maschinenwaschmaschine (Vortex M6, SDL Atlas) unterzogen, gefolgt von Trocknungszyklen in einem Wäschetrockner (Vortex M6D, SDL Atlas). Diese Methode umfasst einen 16-minütigen Waschzyklus mit warmem Wasser bei starkem Rühren, gefolgt von Spülen für 2 Minuten und 30 Sekunden, Schleudern für 5 Minuten und schließlich Wäschetrocknungszyklen bei hoher Hitze. Das Gesamtladungsgewicht der Stoffe betrug 1,8 ± 0,1 kg und der Wasserstand 72 ± 4 l. Für alle Waschschritte wurde AATCC High Efficiency Liquid Standard Reference Waschmittel verwendet. Die Proben wurden 50 und 100 Waschzyklen unterzogen, um ihre Haltbarkeit und Langlebigkeit zu testen.

Die antimikrobiellen Tests wurden dreifach für 0-stündige und 24-stündige Kontaktperioden durchgeführt. Geometrische Mittelwerte und Standardabweichungen wurden berechnet und für die statistische Analyse verwendet. Für die Varianzanalyse wurde eine einfaktorielle ANOVA verwendet und die signifikanten Unterschiede in den Mittelwerten wurden bei Signifikanz = 0,05 getestet.

Eine neuartige Crescoating-Technologie wurde als vielversprechende Technik zur Synthese hocheffizienter antimikrobieller Nanokompositstoffe eingesetzt. Antimikrobielle Tests, die an Zink-Nanokomposit-Textilien gegen grampositive und gramnegative Bakterien und Pilze durchgeführt wurden, zeigten eine mikrobielle Reduktion von > 99,999 % (> 5 log10). Die Stoffe sind außerdem sicher, äußerst langlebig und können über 100 Wasch-/Trocknungszyklen ohne Verlust ihrer Funktionalität wiederverwendet werden. Dermatologische Tests Dritter haben gezeigt, dass die Nanokomposit-Gewebematerialien nicht reizend und hypoallergen für die menschliche Haut sind. Daher können diese Stoffe erfolgreich als medizinische Textilien wie Krankenhauswäsche und OP-Kittel eingesetzt werden, was bei der Bekämpfung nosokomialer Infektionen und der Krankheitsübertragung im Gesundheitswesen hilfreich sein kann.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren sind dankbar für die finanzielle Unterstützung des USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch-Projekt 1006789, und des Schwan Food Company Graduate Fellowship (A. Abbas), des Centers for Disease Control and Prevention Award # 75D30121C10530, des USDA Small Business Innovationsforschungsstipendium Nr. 2020-33610-32483 und Small Business Technology Transfer-Stipendium des US-Verteidigungsministeriums Nr. W911QY-19-P-0180 (Claros Technologies Inc.). Die hier vorgestellte Arbeit ist Gegenstand einer internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/US2016/056850 und der US-Patentanmeldung Nr. 63/123,814 „Antimicrobial and Antiviral Nanocomposite Sheets“.

Abteilung für Bioprodukte und Biosystemtechnik, University of Minnesota Twin Cities, 2004 Folwell Ave, St. Paul, MN, 55108, USA

Vinni Thekkudan Novi & Abdennour Abbas

Claros Technologies Inc., 1600 Broadway St NE, Suite 100, Minneapolis, MN, 55413, USA

Andrew Gonzalez, John Brockgreitens und Abdennour Abbas

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VTN hat alle antimikrobiellen Testexperimente entworfen und durchgeführt und das Manuskript verfasst. AG und JB haben die Nanokomposittextilien vorbereitet und charakterisiert. AA entwarf den Versuchsplan und überwachte das Projekt.

Korrespondenz mit Abdennour Abbas.

Das in diesem Artikel beschriebene antimikrobielle Textil wird von Claros Technologies unter dem Markennamen ZioShield vermarktet. Dr. Abdennour Abbas ist Anteilseigner von Claros Technologies Inc. und Gründer und Chief Technology Officer von Claros Technologies Inc., das über eine Lizenz der University of Minnesota zur Kommerzialisierung der in diesem Manuskript beschriebenen Technologie verfügt. Andrew Gonzalez ist Anteilseigner von Claros Technologies und leitender Materialingenieur von Claros Technologies. Dr. John Brockgreitens ist Anteilseigner von Claros Technologies und Direktor für Forschung und Entwicklung. Die University of Minnesota hält ebenfalls Kapital- und Lizenzbeteiligungen an Claros. Diese Interessen wurden von der University of Minnesota gemäß ihren Richtlinien zu Interessenkonflikten überprüft und verwaltet. Bei keinem anderen Autor besteht ein Interessenkonflikt.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Novi, VT, Gonzalez, A., Brockgreitens, J. et al. Hocheffiziente und langlebige antimikrobielle Nanokomposit-Textilien. Sci Rep 12, 17332 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22370-2

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Eingegangen: 11. Juli 2022

Angenommen: 13. Oktober 2022

Veröffentlicht: 15. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22370-2

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