Noi dispozitive tubulare protetice nanostructurate cu

proprietati antibacteriene si antibiofilm induse de

modificari fizico-chimice si morfologice

AntiBioTube, Contract Nr. 94/2012

Bucuresti, iunie 2014

Director de proiect:

Sl. Dr. Ing. Anton FICAI

Consortiu

Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti

Universitatea din Bucuresti

S.C. I.C.P.E. BISTRITA S.A.

Sinteza si caracterizarea suprafetelor nanostructurate cu proprietati antibacteriene si antibiofilm induse de modificari fizico-chimice si morfologice

Evaluarea in vitro a proprietatilor antibacteriene si antibiofilm

Sinteza de recepturi si dispozitive tubulare

Parteneri Principalele atributii

Date generale proiect

• Autoritatea contractanta:

– Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

• Institutia coordonatoare si datele de contact:

– Universitatea POLITEHNICA Bucureşti; Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor, Str. Gh. Polizu 1-7, Sector 1, Bucuresti, Tel: 021/402.3852; Fax: 021/402 3815

• Bugetul aprobat:

– 2.800.000 RON, buget de stat

– 250.000 RON, cofinanţare

• Durata proiectului:

– iulie 2012 – iulie 2016

PLANUL DE LUCRU

Etapa 1: Fundamentarea stiintifica a influentei diferitilor parametri fizico-

chimici ai substratului asupra interactiunii dispozitivelor protetice tubulare cu

celulele eukariote si procariote, in scopul optimizarii naturii si suprafetei

acestora – 2012;

Etapa 2: Realizare model experimental dispozitive protetice tubulare stratificate

cu proprietati antibiofilm – 2013;

Etapa 3: Obtinerea dispozitivelor protetice tubulare peliculizate cu

nanoparticule cu activitate antimicrobiana – 2014;

Etapa 4: Obtinerea de dispozitive protetice tubulare impregnate cu agenti

antimicrobieni/antibiofilm/anti-fouling – 2015

Etapa 5: Obtinerea dispozitivelor protetice tubulare polimerice cu potential de

eliberare controlata de substante cu proprietati antimicrobiene si antibiofilm -

2016

Obiective principale

In prezent, infecția bacteriană provenita de la utilizarea prelungita a dispozitivelor medicale in contact cu corpul uman, constituie o problemă majoră.

Aproximativ 60%-85% din infectiile microbiene cronice apar ca urmare a dezvoltarii biofilmului pe suprafetele dispozitivelor medicale si sunt caracterizate

prin debut lent, simptome de intensitate mijlocie, evoluție cronică și rezistență la tratamentul cu antibiotice. Obiectivul principal al proiectului este acela de a

impiedica colonizarea bacteriana a cateterelor si implicit degradarea ulterioara a materialului.

Exista doua modalitati de rezolvare a acestui deziderat: utilizarea unui material adecvat pentru producerea cateterelor si modificarea corespunzatoare a

suprafetelor acestora, pentru a inhiba adsorbtia, cresterea si colonizarea bacteriana. Pentru a evita ingustarea cateterelor si ulterior esecul datorat colmatarii,

trebuie prevenită aderenţa bacteriana. Metoda cea mai simpla de prevenire a aderentei bacteriene, este obtinerea materialelor cu proprietăţi anti-aderenţă sau

modificarea suprafetelor cateterelor. Modificarile fizice implica modificarea rugozitatii sau morfologiei suprafetei. Modificarile chimice presupun

functionalizarea suprafeţei materialului cu diferiti agenti, sau modificarea integrală, prin adausul aditivilor cu acţiune antimicrobiană. Adăugarea unui nou strat

poate fi benefica, în special în cazul tubulaturilor stratificate, fiecare strat avand rolul specific (fizico-chimic, mecanic, eliberare controlata).

Aderenta bacteriana poate fi prevenită utilizând diferiti agenti antibacterieni. Se cunosc numerosi astfel de agenti, dar putini pot fi utilizati pentru obtinerea

tubulaturilor protetice antimicrobiene. Scopul proiectului este de a imbunatati proprietatile suprafetelor pentru cresterea biocompatibilitatii si extinderea

duratei de utilizare in contact cu tesuturile .

Cele mai importante obiective ale proiectului sunt:

•O1. Realizarea unei minicolectii de tulpini bacteriene colonizatoare ale dispozitivelor tubulare;

•O2. Realizarea dispozitivelor protetice tubulare stratificate cu proprietati antibiofilm (induse de natura si morfologia suprafetelor), straturile fiind legate

chimic pe materialul suport (in special PVC plastifiat);

•O3. Sinteza nanoparticulelor cu proprietati antibiofilm si utilizarea lor pentru acoperirea dispozitivelor protetice tubulare;

•O4. Utilizarea diferitilor agenti cu efect antimicrobian/antibiofilm/antifouling, in scopul ameliorarii functionale a dispozitivelor tubulare existente;

•O5. Realizarea dispozitivelor protetice tubulare cu adaus de substante cu proprietati antimicrobiene si antibiofilm, cu eliberare controlata;

•O6. Caracterizarea completa a noilor dispozitive tubulare (obtinute), brevetarea si certificarea CE ;

•O7. Dezvoltarea si diversificarea competentei consortiului, creşterea prestigiului international, prin publicarea a cel putin 10 articole in reviste cotate ISI, cu

factor cumulativ RIS 3 si participarea la conferinte internationale.

Rezumat

Proiectul vizează depăşirea dificultăţilor clinice provocate de colonizarea bacteriană a dispozitivelor protetice

tubulare, cauza majoră a eşecului utilizării dispozitivelor tubulare protetice.

Principalul obiectiv al proiectului constă în modificarea suprafeţei dispozitivelor protetice tubulare existente, cu

referire specială la posibilitatea modificării chimice a materialelor dispozitivelor în scopul obţinerii unei

compoziţii compatibile cu structurile vii, care să aibă proprietatea de eliberare treptată a medicamentelor.

Tehnicile de modificare a suprafaței materialelor: metode chimice care permit interacțiuni stabile între suport şi şi

materialul de acoperire. Ca substrat vor fi utilizate dispozitivele tubulare protetice de PVC. Modificările

suprafaţei vizează înlocuirea parţială a Cl cu gruparea -OH, urmată de modificări prin reacții chimice sau de

natură fizică, în funcţie de scopul urmărit:

• alchilare / acilarea, pentru obţinerea suprafeţei hidrofobe a dispozitivelor tubulare, inhibitoare a aderenţei

bacteriene;

• depunerea unui strat subţire de poliuretan sau silicon, din prepolimeri de sinteză. Prepolimerii reacționează

chimic cu grupările hidroxil ale alcoolului polivinilic, rezultat prin substituţia parţială a Cl din PVC cu OH;

• acoperirea suprafețelor dispozitivelor tubulare cu nanoparticule cu proprietăţi antimicrobiene, stabilitatea

acoperirii fiind îmbunătăţită prin functionalizarea corespunzătoare a substratului: de exemplu, pentru depunerea

nanoparticulelor de Ag, dispozitivele tubulare pe bază de PVC vor fi parţial funcţionalizate cu SH;

• impregnarea dispozitivelor protetice tubulare cu agenti antimicrobieni/antibiofilm;

• obținerea unor noi dispozitive tubulare din materiale care să funcţioneze ca vehicule pentru medicamente şi

eliberare retard;

Materialele cu proprietăţile optime pentru obţinerea dispozitivelorToate aceste dispozitive vor fi selectate cu

atenție și vor face obiectul unor publicații științifice și brevete. Scopul final al proiectului este de certificare CE

și, în final comercializarea dispozitivelor tubulare.

Etapa 1 (Înţelegerea influentei diferitilor parametri fizico-chimici ai

substratului care influenţează interactiunea celulelor eucariote si procariote,

cu materialele dispozitivelor protetice în scopul optimizarii compoziţiei

chimice şi texturii suprafetei) Buget: 710 000 lei

Cofinantare: 50 000 lei

Total: 760 000 lei

Activitatea 1.1. Constituirea unei minicolectii de tulpini bacteriene si fungice

izolate din biofilme asociate dispozitivelor protetice tubulare

Activitatea 1.2. Stabilirea unor profiluri detaliate de virulenta si rezistenta la

antibiotice a acestor tulpini, prin metode fenotipice şi moleculare

Activitatea 1.3. Selectarea polimerilor, elaborare recepturi si stabilirea conditiilor

tehnologice pentru obtinerea de esantioane standardizate de materiale utilizate

pentru producerea dispozitivelor protetice tubulare medicale

Activitatea 1.4. Analiza proprietatilor fizico-mecanice ale materialelor

experimentale si a diferitilor parametri fizico-chimici si morfologici ai

suprafetelor (hidrofobicitate, rugozitate etc.)

Dispozitive medicale protetice tubulare

Definitie: sunt acele dispozitive obtinute din materiale plastice, care intra in contact direct cu tesuturile umane sau cu substante si

solutii ce se introduc in corpul uman pe alta cale decat cea orala.

Dispozitivele medicale de formă tubulară sunt introduse în organism pentru a elimina fluide biologice sau a

administra un medicament.

1. Pentru utilizare în cavitatea toracica

•Sonde endotraheale

•Sonde esofagiene

•Tuburi pentru alimentare

•Catetere oxigenatoare,

•2. Pentru utilizare in abdomen si pelvis

oTubulaturi gastrointestinale:

• Sonde nasogastrice

• Tubulaturi pentru gastrostomie

• Tubulaturi (drenuri) stomacale

oTubulaturi genitourinare:

• catetere ureterale dublu J

• catetere Foley

• catetere angiografice pentru nefrostomie, catetere pigtail, catetere Malecot, etc.

• sonde rectale.

oTubulaturi cu utilizari diferite:

• Catetere ombilicale,

• Catetere arteriale

• Catetere venoase

• Catetere pentru dializa

• Tubulaturi pentru saci urinari.

Exemple de dispozitive medicale polimerice protetice tubulare

Figura 1. Dren din PVC plastifiat, cu fir radioopac. Figura 2. Cateter pentru drenaj biliar .

Figura 4. Cateter pigtail pentru nefrostomie. Figura 3. Cateter urinar dublu J.

Formarea biofilmului pe suprafeţele tubulaturilor

Figura 5. Reprezentarea schematică a etapelor formării biofilmului

(A) Pe suprafaţa dispozitivului implantat sunt adsorbite proteinele din mediul intern. Se formează o peliculă moleculară fină

la care (B) aderă bacteriile din faza planctonică.

(C) Biofilmul se dezvoltă atât prin aderenţa altor bacterii, cît şi prin diviziune.

(D) Bacteriile aderate (sesile) sintetizează polizaharide extracelulare, care formează matricea biofilmului şi care are rolul

unui adeziv ce solidarizează masa celulară.

(E) În stadiul matur al dezvoltării biofilmului, raportat la disponibilitatea nutrienţilor, grupuri de celule se desprind de pe

suprafaţa masei celulare a biofilmului şi colonizează suprafeţele tisulare adiacente dispozitivului.

Exemplu de cateter urinar, din PVC plastifiat, înainte si dupa

contactul cu epiteliul uretrei

Figura 6. Cateter nefolosit si detaliu cu orificiul pentru drenarea urinii.

Figura 7. Cateter de protezare si detaliu cu orificiu colmatat.

Provocări şi soluţii

Selectare materiale polimerice utilizate pentru

realizarea dispozitivelor protetice tubulare

• Materiale utilizate: polimeri termoplastici de uz medical: polietilena de joasa densitate, policlorura de vinil

plastifiat, cauciuc siliconic, politetrafluoroetilena, poliuretan.

• Cerinţele specifice domeniului dispozitivelor medicale implică:

- biocompatibilitatea (reacţia ţesutului la contactul cu materialul dispozitivului)

- absenţa sau limitarea pierderilor de plastifianţi şi concomitent, a monomerilor nereacţionaţi, impurităţilor, a

altor aditivi şi a urmelor de catalizatori

- proprietăţi de barieră pentru oxigen şi umiditate

- claritate optică

- posibilitatea îmbinării componentelor dispozitivului medical

- stabilitate UV

- stabilitate chimică

- biostabilitate

- fezabilitate funcţională

- modalitatea de sterilizare

- compatibilitatea cu mediul extern

- condiţii de depozitare.

Realizarea granulelor de policlorura de vinil plastifiat pentru obţinerea

esantioanelor standardizate de material, ce urmeaza a fi

utilizat la realizarea dispozitivelor protetice tubulare medicale

Utilaje pentru obţinerea granulelor de PVC

plastifiat:

- amestecator cu capacitate de 5 l;

- granulator tip Ko-BUSS PR 46 de la firma BUSS

AG, BASSEL SCHWEIZ, prevăzut cu 2 extrudere.

a) ko-kneter(de transport)

b) extruder de granulare - ASV 46

La ieşirea din granulator, granulele au fost

transportate pneumatic şi preluate de un ciclon, care

asigură răcirea granulelor şi împiedică lipirea lor.

Parametrii de granulare

Temperaturile programate pe zone (oC) pentru

obţinerea granulelor de PVC plastifiat sunt:

- zona I - 105 0C

- zona II - 135 0C

- zona III - 145 0C

Denumire materie prima Normativ de calitate

PVC S70 ST 52/2007; Ed1, Rev.0

Di -2-etil- hexil- ftalat (DOF) ST 51/2007; Ed.1; Rev.0

Stabilizator (Baerostab 170) ST 51/2007; Ed.1; Rev.0

Ulei de soia epoxidat (LSA) ST 51/2007; Ed.1; Rev.0

Tabelul 1. Materii prime utilizate pentru obţinerea granulelor

din PVC plastifiat

Realizare filme si placi din recepturile experimentale de PVC plastifiat

Plăci netede, cu grosimea de maxim 0,5

mm si 1 mm, obţinute prin presarea

granulelor de PVC plastifiat

• Parametri de presare granule PVC plastifiat, in

presa Brabender

Figura 8. Placă de PVC plastifiat

Grosime

obtinuta

(mm)

Temperatura

de presare

(0C)

Timp de

preîncălzire

(minute)

Timp de

presare

(minute)

Presiune

(barr)

0,5 160 20 15 250

1 170 25 17 250

Tabelul 2. Parametri de presare receptura PVC plastifiat

Tabelul 3. Caracterizare fizico-mecanică a placii de PVC plastifiat

Caracteristici Rezultate

Metoda

Duritate Sh D( 0ShD) 86-90 SR EN ISO 868: 2003

Rezistenţa la rupere la tracţiune,

daN/cm2

160 SR EN ISO 527/2000

Alungire la rupere, % 220 SR EN ISO 527/2000

Stabilitate termică la temperatura

de 1800C, minute

35 SR ISO 182-1:1998

Unghiul de contact, 0 86,68

Tabelul 4. Caracterizarea fizico-chimică a granulelor de PVC plastifiat

Caracteristici Rezultate Metoda

Aspect, formă, culoare Granulele prezintă aspect omogen,

formă cilindrică, fără impurităţi

metalice sau nemetalice

ST 38/2008, Ed 1, Rev.3

Dimensiuni(h) mm 3,53 ST 38/2008, Ed 1, Rev.3

Densitate relativă(g/cm3) 1,240 SR EN ISO 1183 -1: 2004

Aspect extract apos Lichid limpede, transparent, incolor FARMACOPEEA

EUROPEANA, ED. 6/2008;

STAS 10914:1989 pct 2.3

Substanţe reducatoare,

ml Na2S2O3 0,01M

0,15 FARMACOPEEA

EUROPEANA, ED. 6/2008

pH proba- pH martor,

pH proba

pH martor

T= 200 C

0,12

7,70

7,62

STAS 10914:1989 pct 2.6

Aciditate, ml NaOH

0,01 mol/l

0,95 FARMACOPEEA

EUROPEANA, ED. 6/2008

Alcalinitate, ml HCl

0,01 mol/l

0,71 FARMACOPEEA

EUROPEANA, ED. 6/2008

Reziduu la evaporare, % 0,007 FARMACOPEEA

EUROPEANA, ED. 6/2008

Realizarea si caracterizarea modelului experimental

dispozitive protetice tubulare stratificate cu proprietati antibiofilm

Caracteristici Metoda de

analiză

Valori

RB1 RB3

Densitate aparenta, g/cm3

SR EN ISO

1183/1 - 2004

0,73 ± 0,05 0,68 ±0,05

Densitate, g/cm3 ISO/R 1183 1,28 ± 0,005 1,23 ± 0,005

Duritate Shore A, oSh A SR EN ISO

868/2003

92 ± 2 78 ± 2

Absorbtia de apa, % SR EN ISO 62:

2004 Metoda 1

0 0

Stabilitate termica, minute UNI 5637 – 65 >85 >85

Tabelul 5. Caracteristici cale compuşilor RB1si RB3 - PVC plastifiat cu di-2 etil-hexil-

ftalat

Caracteristici Metoda de testare Valoare

Indice de curgere, g / 10 min, la

190oC/2,16 kg

SR EN ISO 1133 0,25

Densitate, g / cm3 ASTM D-792 0,921

Punct de înmuiere Vicat, oC SR EN ISO 306

(Metoda A)

96

Tabelul 6. Caracteristici PEJD sort 150, (Dow Chemical Company)

Etapa 2. Realizarea modelului experimental al dispozitivelor

protetice tubulare stratificate cu proprietăţi antibiofilm Buget: 560 000 lei

Cofinantare: 31 200 lei

Total: 591.200 lei

Activitatea 2.1. Studiul capacitatii diferitelor tulpini microbiene de a coloniza diferitele suprafete utilizand modele

experimentale standardizate, brevetate

Activitatea 2.2. Studiul aderentei celulelor epiteliale la diferitele suprafete

Activitatea 2.3. Selectarea materialelor biocompatibile si cu proprietati anti-biofilm

Activitatea 2.4. Selectarea metodelor optime pentru peliculizarea/filmarea cateterelor; obtinerea de esantioane

standardizate; obtinerea dispozitivelor protetice tubulare dublu-stratificate si evaluarea interactiei strat-substrat

Activitatea 2.5. Realizarea modelului experimental al dispozitivelor protetice tubulare stratificate prin tehnologia de

co-extrudare si caracterizarea proprietăţilor fizico-chimice si mecanice: rezistenta la tractiune, alungirea la rupere,

duritatea Shore A, rezistenta la soc Charpy, absorbtia apei, continutul de substante oxido-reducatoare, migrarea

plastifiantului, metoda de sterilizare

Activitatea 2.6. Studiul fizico-chimic si morfologic al acoperirilor; studiul interfetei suport-film de acoperire; studiul

hidrofobicitatii in regim laminar

Activitatea 2.7. Studiul interactiunii suprafetelor modificate, cu microorganisme procariote şi eucariote. Evaluarea

gradului de aderenţă

Activitatea 2.8. Studiul duratei funcţionale a dispozitivelor protetice tubulare în raport cu proprietăţile anti-biofilm

Activitatea 2.9. Selectarea filmelor subtiri, cu proprietati antimicrobiene si antibiofilm.

Procesarea materialelor polimerice

Realizare model experimental polimeric dublu stratificat

- Temperaturi de lucru pe zone PEJD: 110-130 oC, turatia snecului 60 rot/min;

- Obtinerea filmelor din PVC plastifiat (RB1 si RB3) prin presare la temperatura

170oC, presiune 300 kN;

- Obtinerea filmelor dublu strat PVC/PEJD prin presare (in presa Fontune Press),

la temperatura de 170 oC pentru platanul superior si 120 oC pentru platanul

inferior, presiunea 600 kN, ciclu de presare 30 min.

- Obtinerea filmelor dublu strat PVC/PEJD prin prelucrare in topitura

- Temperaturi pe zone PVC: 168/173/175/177/178/180/188 oC,

- Temperaturi pe zone PEJD: 120/122/124/128/130/133/135 oC,

- Viteza de lucru: 50 rot/min.

Proprietăţi fizico-mecanice ale filmelor

Caracteristici,

(um)

RB1/PEJD RB3/PEJD Standard metoda de analiza

Duritate, oShA 91 87 SR EN ISO 868:2003

Elasticitate, % 6 6 SR EN ISO 527-3:2000

Modul

N/mm2

100% 10,8 9,8 SR EN ISO 527-3:2000

300% 18 16,3 SR EN ISO 527-3:2000

Rezistenta la tractiune, N/mm2 20,2 19,2 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Epruvete tip 5

Alungirea la rupere, % 380 413 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Alungirea remanenta, % 72 80 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Rezistenta la sfasiere, N/mm 98,5 100 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Densitate, g/cm3 1,25 1,24 SR EN ISO 1183-1:2004

Uzura, mm3 98 100 SR EN ISO 4649/2010

Punct de inmuiere Vicat, oC 55 51 SR EN ISO 306/2005

Rezistenta la soc Charpy, kJ/m2 0,4 0,48 SR EN ISO 179/2001

Duritate Shore, oShA 89 87 SR EN ISO 868:2003

Absorbtia de apa, % 0,0004 0,0005 SR EN ISO 62: 2004 Metoda 1

Migrarea plastifiantului, g 0,02 SR EN ISO 177/19

Imbatranire accelerata 70oC, 168 ore

Duritate, oShA 91 87 SR EN ISO 868:2003

Elasticitate, % 7 6 SR EN ISO 527-3:2000

Modul, N/mm2

Modul, N/mm2

10,3

16,3

9,5

15,8

SR EN ISO 527-3:2000

Rezistenta la tractiune, N/mm2 19 17,4 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Epruvete tip 5

Alungirea la rupere, % 420 380 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Alungirea remanenta, % 96 98 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Rezistenta la sfasiere, N/mm2 117 90,5 SR EN ISO 527-3:2000 v=200mm/min

Tabelul 7- Proprietăţile mecanice exprimate în valori pentru probele RB1/PEJD si RB3/PEJD

Caracteristici fizico-chimice în extract apos.

Continutul de substante oxido-reducatoare

Proba Valoare, ml Na2S2O3 0,01M

RB1 18,9

RB3 18

RB1 / PEJD 15,9

RB3 / PEJD 19,25

Tabelul 11. Determinarea conţinutului de substanţe oxido-reducătoare

Tabelul 10. Determinarea alcalinităţii

Proba Valoare, ml HCl, 0,01 mol/l

RB1 0,8 ml HCl

RB3 0,8 ml HCl

RB1 / PEJD 0,6 ml HCl

RB3 / PEJD 0,61 ml HCl

Proba Valoare, ml NaOH, 0,01 mol/l

RB1 0,16 ml NaOH

RB3 0,18 ml NaOH

RB1 / PEJD 0,26 ml NaOH

RB3 / PEJD 0,3 ml NaOH

Tabelul 9. Determinarea acidităţii

Tabelul 8. Valori pH

Proba Valoare pH

Martor 6,434

RB1 6,337

RB3 6,437

RB1 / PEJD 6,320

RB3 / PEJD 6,451

Verificarea sterilităţii

Proba Rezultat

RB1 STERIL

RB3 STERIL

RB1/PEJD STERIL

RB3/PEJD STERIL

Tabelul 12. Controlul sterilităţii

Migrarea plastifiantului conform standard SR EN ISO 177:2003

Valori: 0,05%

Structura bi-strat PVC/PEJD

Spectroscopie FTIR

Monitorizarea PVC este deosebit de facila deoarece benzile intense nu se suprapun cu ale PEJD.

Monitorizarea PEJD este mai dificila deoarece benzile sale cele mai intense se suprapun benzilor PVC.

Monitorizare PEJD

Monitorizare PVC

Microscopia FTIR

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.900.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

Monitorizarea repartizarii PVC pe baza microscopiei

FTIR, la 1724cm-1 (corespunzatoare PVC).

PVC PEJD

Functionalizarea suprafetei

Functionalizarea suprafetei + depunere

nanoparticule de Ag pe suprafata

Functionalizarea suprafetei

Principii active antimicrobiene

Acid usnic Eugenol

Lizozim

Carvona

Microscopie FTIR

Imagini de microscopie FTIR comparative: stanga - RB1; dreapta - RB1-Ag.

•Tulpinile microbiene selectate au capacitatea de aderenta la substratul celular si inert (etapa sine qua

non pentru initierea unui proces infectios) si potential de virulenţă prin sinteza şi secreţia unui set larg

de enzime care altereaza integritatea tisulara, a sideroforilor si toxinelor citolitice.

•Tulpinile selectate au mecanisme diverse de rezistenta la antibiotice cu fenotipuri MDR, XDR si PDR,

confirmate la nivel genetic, care pot fi explicate avand in vedere sursa de izolare a tulpinilor de la

pacienti spitalizati, dintr-un mediu cu nivel înalt de presiune selectiva exercitata de antibiotice si cu

numerosi factori de risc pentru diseminarea si amplificarea rezistenţei genetice (de exemplu, utilizarea

dispozitivelor protetice în scop terapeutic dar si investigational, care influenteaza modul de crestere si

dezvoltare a bacteriilor aderate la substrat).

•Fenotipurile de virulenţă şi rezistenţă selectate sunt reprezentative din punct de vedere clinic si

epidemiologic, constituind un material biologic adecvat pentru realizarea studiilor prevăzute în proiect.

Reprezentarea

grafică a capacităţii

tulpinilor de Ps.

aeruginosa de a

forma biofilm, în

funcţie de tipul de

biopolimer testat şi

de vârsta

biofilmului.

Aspectul microscopic al biomaterialului RB1 înainte (A) si după inducerea formării

biofilmului monospecific de P. aeruginosa ATCC (B), (microscop inversat, 400X).

Raportat la intervalul de timp, biopolimerul cel mai rezistent la colonizarea cu P. aeruginosa a fost RB 1, pentru

care valorile UFC/ml/cm2 s-au menţinut scăzute şi relativ constante pe parcursul tuturor etapelor experimentului

până la 72 de ore.

Rezultatele noastre sugerează că pe suprafaţa

polimerului RB 1, biofilmul bacterian nu ajunge la

maturitate funcţională: pentru intervalul analizat, nu

se sintetizează polizaharidul matriceal care are rolul

de a solidariza celulele şi de a conferi o structură

compactă biofilmului, condiţie esenţială pentru

stabilitatea asociaţiei celulare.

Reprezentarea grafică a capacităţii tulpinilor de C. albicans de a forma biofilm, în funcţie de tipul de biopolimer testat şi de vârsta

biofilmului.

Aspectul microscopic al biomaterialului RB 3 înainte (A) si după inducerea formării

biofilmului monospecific de Candida albicans (B); (microscop inversat, 400X).

Tulpinile izolate clinic utilizate în experiment au prezentat o capacitate de aderenţă

scăzută mai ales la suprafaţa biopolimerilor cu structura PVC.

Reprezentarea grafică a capacităţii tulpinilor de S. aureus de a forma biofilm, în funcţie de tipul de biopolimer testat şi de

vârsta biofilmului.

Aspectul microscopic al celulelor epiteliale aderate la suprafaţa biomaterialelor (microscop inversat, 200x)

Celulele eucariote testate aderă la toate

tipurile de polimeri, mentinandu-şi

morfologia şi rata de multiplicare,

indicatori ai biocompatibiliităţii acestor

materiale cu potenţial de utilizare în

biomedicină.

RB1 RB3 RB3p

Tulpinile de S. aureus au prezentat afinitate pentru majoritatea biopolimerilor testati,

biopolimerul RB1 fiind, şi în acest caz, cel mai rezistent la colonizare.

Testele microbiologice au fost efectuate conform:

1. B.I. nr. 123145/ 30. 12. 2010; submitted to OSIM –A/1089/ 28. 12. 2005 and published as

abstract – 29.06.07): Title: Method for the determination of the susceptibility to antimicrobials of

bacterial biofilms in liquid medium. Authors: Lazar, Veronica, Balotescu, Carmen, Cernat,

Ramona, Bulai, Doina.

2. B.I. nr. 123145/ 30. 12. 2010; submitted to OSIM –A/1090/ 28. 12. 2005 and published as

abstract – 29.06.07):Title: Method for the determination of the susceptibility to antimicrobials of

microbial biofilms developed in agar matrix. Authors: Lazar, Veronica, Balotescu, Carmen,

Cernat, Ramona, Bulai, Doina.

Biopolimerii cu structura PVC au proprietăţi anti-biofilm, reflectate în gradul scăzut de

colonizare. Proprietăţile anti-biofilm au fost înregistrate în special pentru biopolimerul

RB1, cu cel mai scăzut grad de colonizare faţă de toate tulpinile bacteriene şi fungice

testate, diminuând rata dezvoltarii biofilmului la intervalul de 72 de ore.

Rezultatele sunt relevante pentru domeniile de cercetare şi aplicative, deschizând noi

perspective pentru identificarea unor noi suprafeţe cu efect anti-microbian, ce pot fi

utilizate pentru proiectarea unor noi dispozitive medicale utilizate în clinică.

Concluziile testelor microbiologice

Rezultate. Articole ISI

1. Dan Eduard MIHAIESCU, Alexandru Mihai GRUMEZESCU, Ecaterina ANDRONESCU, Georgeta Voicu, Anton FICAI, Otilia Ruxandra VASILE, Coralia BLEOTU and Crina SAVIUC; Prosthetic Devices with Functionalized Anti-biofilm Surface Based NanoAg@C18; Current Organic Chemistry, 2013, 17, 105-112;

2. VOICU, G; ANDRONESCU, E; GRUMEZESCU, AM; HUANG, KS; FICAI, A; YANG, CH; BLEOTU, C; CHIFIRIUC, MC; Antitumor Activity of Magnetite Nanoparticles: Influence of Hydrocarbonated Chain of Saturated Aliphatic Monocarboxylic Acids; Current Organic Chemistry: 2013:17(8):831-840;

3. Alexandru Mihai GRUMEZESCU; Essential Oils and Nanotechnology for Combating Microbial Biofilms; Current Organic Chemistry, 2013, 17, 90-96;

4. Ion ANGHEL, Carmen LIMBAN, Alexandru Mihai GRUMEZESCU, Alina Georgiana ANGHEL, Coralia BLEOTU, Mariana Carmen CHIFIRIUC; In vitro evaluation of anti-pathogenic surface coating nanofluid, obtained by combining FeO4/C12 nanostructures and 2-((4-ethylphenoxy) methyl)-N-(substituted-phenylcarbamothioyl)-benzamides; Nanoscale Research Letters 2012, 7:513;

5. Ion ANGHEL, Alexandru Mihai GRUMEZESCU, Ecaterina ANDRONESCU, Alina Georgiana ANGHEL, Anton FICAI, Crina SAVIUC, Valentina GRUMEZESCU, Bogdan Stefan VASILE, Mariana Carmen CHIFIRIUC; Magnetite nanoparticles for functionalized textile dressing to prevent fungal biofilms development; Nanoscale Research Letters: 2012;7(1):501-506;

6. Ion ANGHEL, Alina Maria HOLBAN, Ecaterina ANDRONESCU, Alexandru Mihai GRUMEZESCU, Mariana Carmen CHIFIRIUC; Efficient surface functionalization of wound dressings by a phytoactive nanocoating refractory to Candida albicans biofilm development; Biointerphases 2013, 8:12-20;

7. Ion ANGHEL and Alexandru Mihai GRUMEZESCU; Hybrid nanostructured coating for increased resistance of prosthetic devices to staphylococcal colonization; Nanoscale Research Letters 2013, 8:6;

8. PC BALAURE; E ANDRONESCU; AM GRUMEZESCU; A FICAI; KS HUANG; CH YANG; CM CHIFIRIUC; YS LIN; Fabrication, characterization and in vitro profile based interaction with eukaryotic and prokaryotic cells of alginate-chitosan-silica biocomposite; International Journal of pharmaceutics; 2013:441(1-2):555-561;

9. Madalina Georgiana FLOREA, Ioan-Avram NEDELCU, Camelia UNGUREANU, Anton FICAI, Denisa FICAI, Cornelia GURAN, Ecaterina ANDRONESCU; Alginate and sulfanilamide based DDS with antibacterial activity; International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, 2013; 63(2):92-96

10. Elena GROSU, Anton FICAI, Maria RAPA, Grigore VLAD, Luiza JECU; Selecting medical grade polymers and testing for achieving antibacterial devices tubular prosthetic, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2013:15(7-8):905-910 .

Rezultate.

Participări la conferinţe

Conferinta BRAMAT, organizata de Universitatea TRANSILVANIA Brasov, perioada 28.02 – 2.03.2013, Brasov, cu lucrarea “Selecting medical grade polymers and testing for achieving antibacterial devices tubular prosthetic”, autori: Elena Grosu, Anton Ficai, Maria Rapa, Grigore Vlad, Luiza Jecu

Simpozion PRIORICHEM, organizat de ICECHIM, perioada 24-25.10.2013, Bucuresti, cu lucrarea “Testing of antibacterial and antibiofilm nanostructured materials for stratified prostethic tubular devices” autori: Elena Grosu, Anton Ficai, Maria Rapa, Grigore Vlad, Luiza Jecu, Petruta Stoica

Simpozion Environment&Progress organizat de Universitatea Babes-Bolyai Facultatea Stiinta si Ingineria Mediului si S.C. ICPE Bistrita S.A., in perioada 25.10.2013, Cluj, cu lucrarea “Eliminarea factorilor de risc în timpul utilizării dispozitivelor protetice tubulare, prin modificarea proprietaţilor suprafeţelor acestora”, autori: Elena Grosu, Anton Ficai, Maria Râpă, Grigore Vlad, Petruţa Stoica

Conferinta Internationala ESCMID (European Society of Clinical Microbiology and Infection Diseases), in perioada 10-13.05.2014, Barcelona, Spania, cu lucrarea “Assessment of the microbial and epithelial cells adherence to select new optimal biocompatible material with anti-biofilm properties”, autori Lia Mara Ditu, Mariana Carmen Chifiriuc, Coralia Bleotu, Alina Maria Holban, Carmen Curutiu, Luminita Marutescu, Anton Ficai, Grigore Mihaescu.

V. Grumezescu, A. Ficai, A.M. Holban, G. Socol, A.M. Grumezescu, D. Ficai, E. Grosu, I. Mihailescu, Coralia Bleotu, M.C. Chifiriuc: MAPLE deposition of silicon based polymer coatings on PVC with anti-adherent properties, European Materials Research Society 2013 FALL MEETING, Symposium I: Multifunctional Bio-nanomaterials, September 16-19,2013, Warsaw, Poland.

V. Grumezescu, E. Andronescu, A. M. Holban, L. Mogoanta, G. D. Mogosanu, A. M. Grumezescu, G. Socol, B. S. Vasile, A. Ficai, R. Trusca, F. Iordache: 7 nm natural products functionalized iron oxide nanostructures thin film prepared by MAPLE for improved resistance to microbial colonization of medical surfaces, E-MRS 2014 SPRING MEETING, Symposium I: MultiSolution processing and properties of functional oxide thin films and nanostructures, May 26-30, Lille, France.

V. Grumezescu, A. M. Holban, B. S. Vasile, A. M. Grumezescu, G. Socol, R. Cristescu, D. Ficai, A. Ficai, R. Trusca, E. Grosu, F. Iordache: Fabrication and characterization of medical surfaces functionalized with silicon polymer for anti-infective therapy. E-MRS 2014 SPRING MEETING, Symposium J: Laser interaction with advanced materials: fundamentals and applications, May 26-30, Lille, France.