برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷,۴۵۴
  • بازدید این ماه ۱۵۹
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۴
  • قبول شدگان ۶۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
امتیاز کاربران

تکمیل ضدمیکروبی منسوجات با استفاده از نانومواد (بخش اول)

در این مقاله با مروری کوتاهی بر مبانی و اصول ضدمیکروبی منسوجات به معرفی مختصری از مواد ضدمیکروبی رایج و در ادامه به نانوساختارهای دارای خواص ضدمیکروبی پرداخته می شود.

1- مقدمه
در محیط پیرامون انسان شمار زیادی از میکروارگانیزم ها زندگی می کنند. در صورت برهم خوردن تعادل این موجودات در طبیعت، سلامت فرد و جامعه به دلیل تولید و انتشار بوی نامطبوع و کاهش سطح استانداردهای بهداشتی تهدید خواهد شد. حضور میکروارگانیزم ها بر روی منسوجات می تواند سبب ایجاد تاثیرات نامطلوبی نظیر رنگ پریدگی یا لکه گذاری بر روی منسوجات، تجزیه ساختمان مواد سازنده الیاف، کاهش استحکام و در نهایت پوسیدگی منسوج شود. اغلب الیاف و پلیمرها از خود مقاومتی در برابر اثرات ناشی از میکروب ها نشان نداده و با مهیا کردن عوامل رشد میکروارگانیزم ها نظیر دما و رطوبت مناسب، مواد غذایی ناشی از تعریق و چربی ناشی از غدد پوستی، سلول های مرده پوست و همچنین مواد به کارگرفته شده در مرحله تکمیل منسوجات، باعث رشد سریع و انتشار انواع میکروب ها می شوند. از این رو به سبب شیوع بیماری ها و زیان های ناخواسته ناشی از میکروارگانیزم ها، تلاش زیادی برای کنترل اثرات این موجودات انجام شده است. منسوجات علاوه بر اینکه محیط مناسبی برای رشد میکروب ها فراهم می کنند می توانند سبب انتقال انواع بیماری ها در مراکز خدمات درمانی شوند، لذا استفاده از منسوجات ضدمیکروبی در این مراکز می تواند از شیوع بیماری های مقاوم در برابر دارو جلوگیری به عمل آورد و همچنین خطر ابتلا به بیماری در کارکنان این مراکز و عموم مردم را کاهش دهد. از سوی دیگر، استفاده از مواد شیمیایی با خواص ضد میکروبی در تکمیل منسوجات، به دلیل سمی بودن و مشکلات زیست محیطی از معایب زیادی برخوردار است. استفاده از نانوذرات بخصوص نانوذرات فلزی و معدنی عرصه جدیدی را در تکمیل منسوجات ضدمیکروبی فراهم کرده است[1].

2- اصول اصلاح ضدمیکروبی منسوجات
میکروارگانیزم ها شامل قارچ ها باکتری ها، ویروس ها، جلبک ها، هاگ ها و ... هستند؛ که غالباً به عنوان میکروب بیان شده و در محیط پیرامون یافت می شوند. این موجودات ریز، وزنی در حدود 25 برابر وزن تمام حیوانات دارند و در محیط اطراف خود نقش موثری در تخمیر، تولید ترکیبات متابولیک، تهیه مواد شیمیایی(اسید لاکتیک و اسید سیتریک)، تکمیل چرخه بازگشت مواد به طبیعت و اثرات نامناسبی از جمله فساد مواد غذایی، تخریب مواد ، پوسیدگی کالاها و ایجاد انواع بیماری ها ایفا می کنند[2].
از آنجایی که منسوجات علاوه بر مهیا نمودن محیط مناسب رشد و تکثیر میکروب ها می توانند سبب انتقال و شیوع انواع بیماری ها شوند، از این رو تحقیقاتی برای تولید الیاف و منسوجات ضدمیکروبی با اهداف زیر انجام شده است.
• جلوگیری از اثرات نامطلوب میکروارگانیزم ها بر خواص کاربردی منسوجات
برخی از الیاف به ویژه الیاف سلولزی مورد تجزیه بیولوژیکی میکروب ها قرار می گیرند. این عملکرد میکروب ها می تواند سبب تغییر رنگ و کاهش خواص مکانیکی(استحکام سایشی و کششی) الیاف شده و موجبات پوسیدگی منسوج را فراهم آورد. همچنین میکروارگانیزم ها می توانند سبب کاهش ویسکوزیته و تخریب مواد مورد مصرف در فرایندهای مختلف منسوجات شوند.
• جلوگیری از ایجاد بوی نامطبوع
میکروب ها برای رشد و تکثیر به مواد غذایی، رطوبت و دمای مناسب نیاز دارند. تعرق و سلول های مرده پوست بدن، رطوبت و دمای بدن بستر مناسبی را برای حیات میکروب ها در منسوجات فراهم می کند. در این شرایط میکروارگانیزم ها مواد فراری با بوی نامطبوع از جمله اسید های چرب (استیک، پروپیونیک، بوتیریک، والریانیک، کاپروئیک)، متیل آمین ها، آمونیاک، آلدهیدها، سولفیدها، مرکاپتان ها، لاکتون ها و ترکیبات آروماتیک تولید می کنند[2]. به منظور کاهش بوی نامطبوع ناشی از حضور میکروب ها بر منسوجات روش هایی از جمله انسداد منافذ پوست، استفاده از میکرو و نانوکپسول ها، تبدیل ترکیبات بدبو به ترکیبات بی بو و کاهش فراریت مواد دارای بوی نامطبوع. استفاده از ترکیبات ضدمیکروب در مرحله تولید یا تکمیل منسوجات از کارآمدترین روش ها برای از بین بردن بو نامطبوع به شمار می رود[3].

2-1 ساختمان سلولی میکروارگانیزم ها
سلول باکتری از یک دیواره سخت ساخته شده است که در این دیواره تاژک یا مژک های شلاق وجود دارد که حرکت و چسبندگی باکتری به سطوح به واسطه این ساختار انجام می شود(شکل 1). نوعی پوسته شبیه کپسول سلول را پوشانده و مواد داخل سلول را در بر می گیرد[4].
باکتری ها از نظر دیواره های سلولی به دو دسته ی باکتری گرم مثبت و باکتری گرم منفی تقسیم بندی می شوند. باکتری های گرم مثبت دارای دیواره ای نسبتاً ضخیم، متشکل از تعداد زیادی لایه های پپتیدوگلایکن (Peptidoglycan) و تنها یک غشا پلاسما هستند؛ در حالی که باکتری گرم منفی یک لایه نازک از پپتیدوگلایکن یک دیواره سلولی پیچیده تر با دو غشا سلولی دارند. از این رو باکتری های گرم منفی نسبت به بسیاری از عوامل شیمیایی مقاوم تر از باکتری های گرم مثبت هستند[4].

filereader.php?p1=main_ccd3beaf04f96a5f3
شکل 1: ساختمان سلول باکتری [4].

2-2 شرایط زندگی میکروارگانیزم ها
بهترین روش برای جلوگیری و به حداقل رساندن مضرات میکروب ها برهم زدن شرایط رشد و تکثیر این موجودات است. پوشاک به دلیل تماس نزدیک با بدن، بهترین محیط را برای رشد و تکثیر قارچ ها، باکتری ها و مخمرها فراهم می کنند. در ذیل شرایط مناسب برای رشد میکروارگانیزم ها اشاره شده است.
1- مواد مغذی: گرد و غبار، لکه های چربی و مواد غذایی، سلول های مرده پوست، تعریقات بدن و چربی ناشی از غدد پوستی و برخی از مواد طبیعی به کارگرفته شده در فرایند تکمیل منسوجات می توانند شرایط لازم برای تغذیه میکروب ها را فراهم کنند.
2- آب: تمام میکروارگانیزم ها به لایه نازکی از آب برای رشد نیاز دارند که این مقدار رطوبت بر پوست و منسوجات وجود دارد.
3- اکسیژن: اکسیژن مورد نیاز میکروب ها به راحتی در محیط اطرافشان وجود دارد.
4- گرما: اکثر قارچ ها و باکتری ها در دمای ˚C 20-10 رشد می کنند و برخی میکروب ها محیطی گرم تر از پوست بدن مانند پوشاک و ملحفه را ترجیح می دهند[4].

2-3 تعاریف و اصطلاحات رایج در مواد ضدمیکروب
اصلاح ضدمیکروبی جلوگیری از رشد سریع باکتری ، قارچ و جلبک ها بر منسوجات می باشد. این منسوجات ضد میکروب عاری از میکروب یا استریل نیستند، بلکه این منسوجات در اثر استفاده از یک یا چند ماده فعال قادر به جلوگیری از رشد میکروارگانیزم ها و یا از بین بردن آن ها می باشند[5].
موادی ضدمیکروبی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
1- مواد بیواستاتیک یا متوقف کننده رشد باکتری (Bacteriostatic):این مواد با آمیـنواسیدهای زنجیره ی DNA در باکتری پیوند داده و مانع از تکثیر DNA و در نتیجه تکثیر باکتری شده و به این ترتیب سبب ثابت نگه داشته شدن تعداد باکتری های می شوند.
2- مواد بیوسید یا باکتری کش (Bactericide): این مواد با ایجاد اختلال در سوخت و ساز (متابولیسم) باکتری و یا متوقف سازی کامل آن سبب مرگ باکتری می شوند. این مواد آنزیم های لازم و حیاتی در واکنش های زیستی را بی اثر می کنند[2].
اگر ماده ای تاثیر منفی بر حیات میکروارگانیزم ها داشته باشد، این ماده به عنوان ماده ضدمیکروب شناخته می شود. اصطلاح آنتی باکتریال (Antibacterial) یا آنتی میکوتیک (Antimycotic) به موادی گفته می شود که منجر به محدودیت فعالیت باکتری ها و قارچ ها می شوند[2].

2-4 ویژگی های یک ماده ضدمیکروب مناسب
به منظور اصلاح ضدمیکروبی منسوجات، ماده ضد میکروب باید از ویژگی های مناسب برخوردار باشد که برخی از این ویژگی ها عبارتند از:
1- قابلیت کاربرد ساده در روش های تکمیلی متداول
2- پایداری در مقابل فرآیند شستشو، خشک شویی و دوام در زمان مصرف
3- دارا بودن خاصیت ضدباکتری نسبت به میکروارگانیزم های نامطلوب
4- قابلیت انتقال رطوبت مناسب
5- سازگاری با رنگ کالا و مواد تکمیلی دیگر
6- عدم سمیت برای مصرف کننده کالا و محیط زیست.
7- امکان تاثیر انتخاب گر بر طیف وسیعی از باکتری ها و عدم تاثیر بر فلورای پوستی (باکتری های موثر پوستی) و عدم ایجاد سازگاری در مقابل میکروارگانیزم ها
8- در دسترس بودن و عملکرد سریع
9- نداشتن رنگ و بوی تاثیرگذار بر روی منسوج
در حال حاضر ماده ای ایده آل با دارا بودن تمامی ویژگی های ذکر شده شناخته نشده است و غالباً بر اساس نوع و کاربرد نهایی کالا از مواد ضد میکروب مختلف استفاده می شود[5].

2-5 نحوه ی تاثیرگذاری مواد ضدمیکروب بر میکروارگانیزم ها
به طور کلی مواد ضدمیکروب با اثرگذاری بر دیواره سلولی، غشاء داخلی یا سیتوپلاسم و اختلال در سنتز پروتئین، بلوکه کردن اسیدهای نوکلئیک، اکسیداسیون گروه های حاوی SH، واکنش با گروه آمینو، تسریع نفوذ مواد با وزن مولکولی کم مانند نمک های پتاسیم و اسیدهای آمینه به درون سلول، تورم و ترکیدگی سلول و ... سبب غیرفعال شدن و مرگ میکروب می شوند.

filereader.php?p1=main_76fc44cc3c7739b06
شکل 2 . عملکرد های مختلف مواد ضدمیکروبی [4].

ترکیبات ضدمیکروب از نوع آنتی بیوتیک ها، فرمالدئید، یون فلزی سنگین مانند نقره، مس و ...، نمک چهارگانه ی آمونیوم (با زنجیر های بلند هیدروکربنی)، فنول ها، عوامل اکسیدکننده مانند کلر، کلرآمین، هیدروژن ، ازن و ... بوده که با روش های فیزیکی یا شیمیایی منجر به تاثیر برمیکرو ب ها می شوند [1].
براساس گزارش های منتشر شده، آنتی بیوتیک ها از طریق منفعل سازی آنزیم های سلولی، منجر به غیرفعال شدن باکتری می شوند. نمک های آمونیوم چهارگانه و ترکیبات فنول با اثرگذاری بر خواص غشایی میکروارگانیزم ها به سلول ها آسیب رسانده و فعالیت باکتری را کند می کنند. ترکیبات اکسید کننده می توانند از طریق واکنش های شیمیایی با برخی عوامل حیاتی به سرعت میکروارگانیزم ها را غیر فعال کنند ولی بیشتر این ترکیبات سمی و حساسیت زا هستند. عوامل اکسید کننده شامل آلدئیدها، هالوژن ها و ترکیبات پراکسید بر غشا سلولی میکروارگانیزم ها و در صورت ورود به سیتوپلاسم بر آنزیم های داخل سلول اثر می گذارند. ترکیبات رادیکالی نظیر هالوژن ها به دلیل داشتن الکترون آزاد فعالیت زیادی داشته و با ساختارهای آلی واکنش می دهند. عوامل آزاد کننده کلر و عوامل پراکسیدی در مقابل ویروس ها و در برخی موارد آغازیان و انواع باکتری و قارچ موثر هستند. اثر ضدمیکروبی ترکیبات کاتیونی را به واکنش کاتیون با فسفولیپیدهای آنیونی در دیواره سلول میکروبی نسبت می دهند که سبب افزایش نفوذپذیری و در نهایت مرگ سلول می شود [2].
سطح فعال های کاتیونی به دلیل قدرت پیوند الکتروستاتیک قوی با دیواره آنیونی سلول باکتری دارای خواص ضدباکتری هستند. تشکیل پیوندهای آنیون/کاتیون ، منجر به آب گریز شدن دیواره سلولی شده و از جذب آب (یکی از عوامل حیات میکروارگانیـزم) و در نهایـت از تکـثیر و رشـد باکتری جـلوگیری می کند. دیواره سلولی ممکن است به صورت فیزیکی تخریب شود که این امر منجر به از بین رفتن باکتری خواهد شد[6].
ترکیبات فلزی مانع از فعالیت آنزیم ها شده و سوخت و ساز سلول را مختل می کنند. مدت زمان عملکرد ضدمیکروبی این ترکیبات چند دقیقه به طول می انجامد. در بین فلزات، اثر سمیت کادمیم بیش از سایر فلزات است و به ترتیب از نقره، برنج، مس، جیوه و ... خاصیت ضدمیکروبی کاهش می یابد. اما فلزاتی مانند پلاتین، آهن و آلومینیوم فاقد اثر ضدمیکروبی هستند [5].

3- ترکیبات رایج مورد استفاده جهت اصلاح ضدمیکروبی منسوجات
3-1 معرفی مواد ضدمیکروب مورد استفاده برای منسوجات
مواد فعال ضدمیکروب که از مدت ها پیش استفاده می شد عبارتند از:
1- مواد معدنی مانند گالیم، سولفات نقره، نیترات نقره، سولفات مس، سولفات روی، نیترات روی
2- مواد آلی مانند ارتوکلروفنول، پنتا کلروفنول
3- مواد آلی فلزی که در این مواد پیوند مستقیم کربن با فلز وجود دارد مانند تترامتیل قلع [1].
در ادامه به عنوان مثال چندین ماده ضدمیکروب با ذکر کاربرد آن ها معرفی می شود: مشتقات نوع چهارم هگزامتیلن تری آمین در حلال های خشک شویی به منظور ضدعفونی کردن پوشاک، نمک های گاندینیم هالوژنه مثل کلروهگزیدین برای پوشاک کودکان، هگزاپیریمیدین برای باندهای زخم از جنس الیاف پنبه، اتیلن دی آمین تترااستیک اسید (EDTA) به منظور تهیه دستمال بهداشتی ضدباکتری استفاده می شوند[1].
ترکیبات شیمیایی مورد استفاده در اصلاح ضدمیکروبی از جمله نمک های فلزی و ارگانومتالیک، ترکیبات ید، فنول ها و تیوفنول ها، آمونیوم نوع چهارم و دیگر نمک های کاتیونی، آنتی بیوتیک ها، ترکیبات هتروسیکلیک، ترکیبات نیترو، اوره و ساختارهای بر پایه آن، آلدهیدها و آمین ها بیشتر شناخته شده اند [4].
لاکتیک اسید به دلیل اسیدهای آلی یک ماده ضدباکتری مناسب در برابر باکتری اشرشیاکلی است. همچنین خواص ضدمیکروبی نانوکامپوزیت ها و ساختارهای درخت سان، ریزکپسول ها، نانوکپسول ها، ترکیبات معدنی نقره، نانوذرات اکسید روی، دی اکسید تیتانیم و سایر نانوساختارهای ضدمیکروب و نانوکامپوزیت های فلزی و غیرفلزی آن ها در بخش بعدی بیان خواهدشد.

3-2 مواد ضدقارچ و ضدباکتری صنعتی
مواد صنعتی ضدقارچ و باکتری را می توان به صورت زیر طبقه بندی نمود:
1- نمک های معدنی
2- اسیدهای چرب مس و یا اسید نفتلیک
3- اکسی کیولات مس
4- کلروفنول ها
5- سالسیل آنیلیدها
6- ترکیبات آلی جیوه
7- ترکیبات کاتیونیک [7]

3-3 تقسیم بندی مواد ضدمیکروب نوظهور
عوامل ضدمیکروبی نوظهور را می توان به چهار گروه تقسیم بندی نمود:

filereader.php?p1=main_7215479fbb5429338
شکل 3 . اصلاح ضدمیکروبی منسوجات و پلیمرها [8].

3-3-1 ترکیبات شیمیایی اصلاح شده با تاثیر ضدمیکروبی
حداقل چهار عامل ضدمیکروبی اصلی برای این گروه می توان در نظر گرفت:
1- مواد غیرآلی تبادل گر یونی: نمک های فلزی واسطه مانند نقره و مس همراه حامل (Carrier) معدنی (زئولیت ها) که در الیاف مصنوعی به کار برده می شوند. با کنترل میزان رهاسازی یون های نقره به وسیله حامل معدنی مناسب خاصیت ضدمیکروبی و اثرات منفی احتمالی بر لیف کنترل می شود. در این روش از تغییر رنگ، بی رنگی و یا کاهش مقاومت مکانیکی الیاف جلوگیری می شود. از بستر معدنی نظیر زئولیت ها، دی اکسید تیتانیم، اکسید روی و ... به این منظور استفاده می شود [3].
2- هیدرو پراکسیدهای معدنی: استات منگنز تتراهیدرات و پراکسید هیدروژن که در مورد اکثر الیاف فعالیت ضدمیکروبی از خود نشان می دهند، اما در پنبه از پایداری شیمیایی بالاتری برخوردارند [1].
3- نمک های آمونیوم نوع چهارم: نمک های پلیمری فسفری به عنوان عامل ضدمیکروبی برای الیاف پنبه گزارش شده است. این مواد دارای خاصیت کاتیونی قوی بوده و در الیاف اکریلیک با مکان های رنگ پذیر لیف (Dyesite) واکنش کوالانسی می دهند درحالی که برای الیاف پلی استر و پلی آمید به دلیل انحلال در آب مناسب نیستند. این ماده در تولید منسوجات خانگی با خاصیت ضد حساسیت و ضد آسم کاربرد وسیعی دارد [8].
4- هیدروپراکسی استات و منیزیم دی هیدروپراکسی: این مواد در مقایسه با پراکسیدهای معدنی بر پایه روی و زیرکونیوم آلودگی کمتری و زیست سازگاری بهتری دارند [2].

3-3-2 ترکیبات اصلاح شده به منظور کاهش، جلوگیری از رشد میکروب و تشکیل بیوفیلم
در این روش با تغییر سطح پلیمر از تشکیل بیوفیلم یا فرآیندهای میکروبی کاسته می شود. بدین منظور اسید اکریلیک را بر روی لایه های پلی یورتان توسط حرارت یا پلاسما پیوند داده و بدین ترتیب چسبندگی باکتری از 5% به 1%کاهش می یابد. بنابر این با تغییر انرژی سطح و ایجاد عوامل اسیدی روی سطح از اتصال میکروب به سطح جلوگیری می شود [8].

3-3-3 مواد مورد استفاده برای اصلاح سطح تحریک پذیراز طریق عوامل خارجی
موادی هوشمند که به محرک خارجی به صورت برگشت پذیر پاسخ می دهند. دی کتوتتراهیدروگلی اکسایل (هیدانتوین Hydantoin) با اتصال به الیاف پنبه و فعال شدن توسط سفیدکننده می تواند خاصیت ضدمیکروبی هوشمندی نشان دهد [8].

3-3-4 مواد ضدمیکروب طبیعی
در تحقیقات بیان شده است که عوامل ضدمیکروبی طبیعی راه حل مناسبی برای باکتری های مقاوم در برابر بیوسیدها به شمار می روند. کایتوسان یک ماده ضدمیکروب طبیعی است که از طریق استیل زدایی از کیتین حاصل می شود. این ماده نوعی آمینوساکارید طبیعی است که به وفور یافت می شود. خاصیت ضدمیکروبی این ماده به وزن مولکولی آن بستگی دارد. خواص ضدمیکروبی کایتوسان ناشی از گروه آمین است که در محیط اسیدی به نمک آمونیوم تبدیل شده و به غشا سلول میکروب که دارای بار منفی است می چسبد و سبب پاره شدن دیواره سلول و خروج مواد و در نهایت مرگ سلول میکروب می شود. همچنین این پلی کاتیون می تواند به DNA سلول چسبیده و مانع از سنتز پروتئین توسط سلول شود [9].

منابـــع و مراجــــع

1. رویا دستجردی، مجید منتظر. "نانوساختارهای فلزی و معدنی در اصلاح ضدمیکروبی و چندمنظوره منسوجات و پلیمرها". چاپ اول. یزد: دانشگاه یزد، (1391).

2. Edwards, J. V., and Vigo T., “Bioactive Fibers and Polymers”. American Chemical society, Washington DC. (2001).

3. http://www.montefibre.it/english.htm

4. Madigan, M. T., Martinko, J. M., Stahl, D. A., Clark, D. P. Biology of Microorganisms. Benjamin Cummings. Boston Columbus, (2014).

5. Mucha, H., D., ABflag, S., Swere, M., antimicrobial Finishes and Modification, Melliand Textile Berichte, 83(4) 53-56 (2002).

6. Mahlting, B., Haufe, H., and Bo”ttcher, H., Functionalisation of Textile by Inorganic Sol-Gel Coatings, J. Mater. Chem, 15, 4385-4398 (2005).

7. Shalaby Antimicrobial Fabrics, U.S Patent Application, 6, 780-799 (2004).

8. A. Muñoz-Bonilla and M. Fernández-García, “Polymeric materials with antimicrobial activity,” Progress in Polymer Science, vol. 37. pp. 281–339, (2012).

9. Oktem, T., Surface Treatment of Cotton Fabrics with Chitosan, Color. Technol., 119(44) 241-246 (2003).