Preparation and characterization of dual functional antimicrobial (bio)degradable polymers

Titelangaben

Wang, Hui:
Preparation and characterization of dual functional antimicrobial (bio)degradable polymers.
Bayreuth , 2016 . - 142 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

The present thesis covers the preparation of (bio)degradable materials with antimicrobial properties, which has a broad range of applications, e.g. packaging materials, compost bags, hygienic products or Bioglass® scaffolds for tissue engineering.
Selected routes to combine (bio)degradability and antimicrobial properties are comprised in the three parts of this work. In all parts of this work polyguanidine salts are used as antimicrobial materials, which are well-known antimicrobial agents against Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi and viruses. Polyguanidine hydrochloride is synthesized by step-growth reaction to produce low molecular weight polymers. The antibacterial activity of water-soluble polyguanidine is determined by minimum inhibition concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) tests. As (bio)degradable materials aliphatic polyesters and 45S5 Bioglass® were chosen. Throughout the work, polymer synthesis, extrusion or coating techniques were employed to produce new antimicrobial and (bio)degradable materials.
A major challenge of this work was the production of new materials with antibacterial activity without sacrificing (bio)degradability. In the first part, polyguanidine salts as antibacterial material were immobilized in (bio)degradable polycaprolactone (PCL) to achieve this goal. Due to the amine end group (-NH2), polyguanidine hydrochloride (PHMG) can be used as an initiator to open the caprolactone ring for the synthesis of block copolymers of PHMG and polycaprolactone. The structure of the block copolymer has been confirmed by 2D-NMR and MALDI-ToF MS analysis. The copolymer has high antibacterial activity and a fast antibacterial action. Reduction of bacterial cells was higher than 3 log levels in a short period of time. The copolymer also showed enzymatic degradability. The polycaprolactone block completely degraded within hours. Because of its low cytotoxicity, the new material has many potential applications, e.g. additive for food packaging, tissue engineering or gene transfection.
The second part deals with the formation of antibacterial (bio)degradable polymers by melt blending of PHMG and poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT). PBAT is a (bio)degradable aliphatic-aromatic polyester with good mechanical properties, which is often utilized as the matrix material for blending with other functional polymers, to create multifunctional materials. In this work, the antimicrobial additive was added by physical blending of an aqueous solution into molten PBAT. The highlight of this part is the achieved balance between antibacterial properties and (bio)degradability. After melt extrusion with an aqueous solution of the antibacterial additive, the mechanical properties of the new material were even improved. The PBAT/PHMG blends showed (bio)degradability in compost and permanent antibacterial activity. Due to the enhanced mechanical properties, the material can be directly applied as packaging material or in compost bags.
In the third part of this thesis the antibacterial polymer poly(p-xylylene guanidine) hydrochloride (PPXG) as additive is coated on the surface of bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering. PPXG is a new polyguanidine salt, which was synthesized by polycondensation of guanidine hydrochloride and p-xylylene diamine. The new PPXG with aromatic group shows higher thermal stability than the aliphatic counterpart and it exhibits a higher glass transition temperature. However, the inflexible benzene ring limits the interaction between polymer chain and bacterial membrane, hence leading to weaker antibacterial activity compared to PHMG. The antibacterial activity of PPXG was determined by MIC and MBC tests. The antibacterial activity of Bioglass® was determined by Kirby-Bauer and time-dependent tests. Bioglass® loaded with 10 mg mL-1 antibacterial polymer shows strong antibacterial activity against Gram-positive bacteria B. subtilis and an inhibiting effect against Gram-negative bacteria E. coli. Because of the low cytotoxicity of the antimicrobial polymer, coated Bioglass® scaffolds still showed bioactivity, i.e. in vitro biocompatibility in MG-63 cells.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Doktorarbeit behandelt die Herstellung von (bio)abbaubaren Materialien mit antibakteriellen Eigenschaften zur Verwendung in unterschiedlichen Bereichen, wie z.B. Verpackungsmaterialien, Komposttüten, Hygieneprodukten, oder auch Bioglass®-Gerüsten für das ‚Tissue Engineering‘.
Die verschiedenen Wege zur biologischen Abbaubarkeit und antimikrobiellen Eigenschaften zu kombinieren sind in den drei Teilen dieser Arbeit dargelegt. In allen Teilen der Arbeit wurde ein Polyguanidinsalz als antibakterieller Wirkstoff eingesetzt, da Polyguanidine für ihre antimikrobielle Wirkung gegen Gram-positive und Gram-negative Bakterien, Pilze und Viren bekannt sind. Die Synthese von Oligoguanidin mit niedrigem Molekulargewicht erfolgte über Polykondensation. Die antibakterielle Aktivität von wasserlöslichem Oligoguanidin wurde mit Hilfe von Tests zur Bestimmung der minimalen Hemmkonzentration (MHK) und der minimalen bakteriziden Konzentration (MBK) nachgewiesen. Als biologisch abbaubare Materialen wurden aliphatische Polyester und 45S5 Bioglass® eingesetzt. In der gesamten Arbeit wurden die Techniken Polymersynthese, Extrusion und Beschichtung für die Produktion von neuen antimikrobiellen und bioabbaubaren Materialien verwendet.
Eine große Herausforderung dieser Arbeit ist die Herstellung von neuen Materialien mit antibakterieller Aktivität ohne Verlust der Bioabbaubarkeit. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde im ersten Teil ein Polyguanidinsalz, als antimikrobielles Material, in Polycaprolacton, als abbaubarem Matrix Material, immobilisiert. Wegen der Aminendgruppe (-NH2) konnte Oligoguanidin hydrochlorid als Initiator genutzt werden, um das Lacton zu öffnen. Die Struktur der gebildeten Blockcopolymere wurde mittels 2D-NMR und MALDI-ToF-MS Analyse nachgewiesen. Das auf diese Weise hergestellte Copolymer besitzt eine starke antibakterielle Aktivität. Das Copolymer zeigt außerdem enzymatische Abbaubarkeit. Der Polycaprolacton-Block wurde nach kurzer Inkubationszeit komplett abgebaut. Kombiniert mit der niedrigen Zytotoxizität sind viele Anwendungen für das Material denkbar: Als Additiv für Lebensmittelverpackungen, für Tissue Engineering oder Gentransfektion.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Extrusion des bioabbaubaren Polymers Poly(butylen-adipat-co-terephthalat) (PBAT) mit dem antibakteriellen Additiv Polyhexamethylen guanidinhydrochlorid (PHMG). PBAT ist ein bioabbaubarer aliphatisch-aromatischer Polyester mit guten mechanischen Eigenschaften, weshalb es häufig als Matrixmaterial benutzt wird, um es mit anderen Polymeren zu mischen. In dieser Arbeit wurde PBAT durch Beimischen von PHMG eine antimikrobielle Wirkung hinzugefügt. Das Highlight der Arbeit ist die Balance zwischen antibakteriellen Eigenschaften und biologischer Abbaubarkeit. Nach der Schmelzextrusion mit einer wässrigen Lösung des antibakteriellen Zusatzes, wurden die mechanischen Eigenschaften gegenüber dem reinen Matrixmaterial sogar verbessert. Der Blend PBAT/PHMG zeigt biologische Abbaubarkeit im Kompost und zudem langanhaltende antibakterielle Aktivität. Wegen der verbesserten mechanischen Eigenschaften kann das Material direkt als Verpackungsmaterial und für Komposttüten verwendet werden.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurde das antibakterielle Polymer Poly-p-xylylenguanidin-hydrochlorid (PPXG) als Beschichtungsmaterialien auf Oberflächen von Bioglasgerüsten für Knochen eingesetzt. PPXG ist ein neues Polyguanidinsalz, das durch Polykondensation von Guanidinhydrochlorid und p-Xylylendiamin synthetisiert wurde. Das neu hergestellte PPXG mit aromatischen Gruppen zeigt höhere Thermostabilitäten als aliphatische Polyguanidinsalze und auch einen höheren Glasübergang. Allerdings schränkt der unflexible Benzolring die Wechselwirkung mit der Bakterienmembran ein, sodass eine schwächere antibakterielle Aktivität gegenüber den flexibleren Alkylketten beobachtet wurde. Die antibakterielle Aktivität von PPXG wurde mittels MHK und MBK Tests bestimmt. Außerdem wurde die antibakterielle Wirkung von beschichteten Bioglassgerüsten mit Kirby-Bauer- und zeitabhängigen Tests quantifiziert. Mit 10 mg mL-1 antibakteriellem Polymer inkorporiertes Bioglass® zeigte eine stark antibakterielle Aktivität gegen die Gram-positiven Bakterien B. subtilis und einen hemmenden Effekt gegen die Gram-negativen Bakterien E. coli. Wegen der niedrigen Zytotoxizität der antimikrobiellen Beschichtungen zeigt das Bioglass® Bioaktivität und in vitro Biokompatibilität bei MG-63 Zellen.