التوظيف السطحي للألومينا واستخدامها في المواد المضادة للبكتيريا

مقدمة

تُعدالألومينا (Al₂O₃)، وهي واحدة من أكثر المواد الخزفية شيوعًا، حيث تتمتع بالثبات الحراري والمتانة الميكانيكية والخمول الكيميائي المطلوب. الألومينا الطبيعية غير نشطة بيولوجيًا، أي أنها غير نشطة بيولوجيًا ومضادة للبكتيريا. وقد اكتُشف أن التفعيل السطحي على مدى العقد الماضي طريقة مناسبة لتوسيع نطاق استخدام الألومينا في تطبيقات المواد الطبية الحيوية والصحية، وخاصة في التطبيقات المضادة للبكتيريا.

1. نظرة عامة على طرق توظيف السطح

الوظيفية السطحية هي طريقة لتكييف الطبقة السطحية لمادة ما لإضفاء خصائص كيميائية أو فيزيائية أو بيولوجية جديدة عليها دون التأثير على خصائصها السائبة. بالنسبة للألومينا، يُستدعى التفعيل بشكل عام لتعزيز تفاعل السطح أو التحكم في قابلية التبلل أو إضافة التوافق الحيوي أو دمج وظائف نشطة مضادة للبكتيريا.

1.1 السيلان

السيلانهو تثبيت جزيئات السيلان العضوي على سطح هيدروكسيل الألومينا. ويمكن أن تكون السيلانات وظيفية بمجموعات الإيبوكسي أو الثيول أو الأمينات التي تعمل كمثبتات لمزيد من التعديل الكيميائي أو تثبيت الجزيئات الحيوية. ويُعد 3-أمينوبروبيل تريثوكسي سيلان (APTES) أحد الأمثلة على إدخال مجموعات الأمين، والتي تسمح بالربط اللاحق للجسيمات النانوية الفضية أو مركب الأمونيوم الرباعي.

1.2 المعالجة بالبلازما

تغيّر المعالجة بالبلازما طاقة الأسطح وتدخل مجموعات وظيفية (أي -OH، -COOH) عن طريق القصف الأيوني عالي الطاقة. يتم تنشيط البلازما السطحية بدون مذيبات، وهو مفيد في التطبيقات الطبية الحيوية. على سبيل المثال، تعمل بلازما الأكسجين على تعزيز قابلية الماء للألومينا والتصاق الطلاءات المضادة للبكتيريا.

1.3 ترسيب الطبقة الذرية (ALD)

تُستخدم عملية الترسيب بالطبقة الذرية (ALD) لترسيب أغشية رقيقة جدًا مضادة للبكتيريا (على سبيل المثال، ZnO، TiO₂) بدقة على مقياس ذري على أسطح الألومينا المسامية أو الكثيفة. تضمن هذه العملية طلاءً متساويًا، حتى بالنسبة إلى الأشكال الهندسية المعقدة مثل سقالات الألومينا المسامية للغرسات الطبية.

1.4 تجميع طبقة تلو الأخرى (LbL)

تستخدم عملية LbL الترسيب المتسلسل لبولي إلكتروليتات أو جسيمات نانوية مشحونة بشكل متعاكس لإنشاء أغشية متعددة الطبقات. وهذا مناسب بشكل خاص لتثبيت الجزيئات النشطة بيولوجيًا مثل الليزوزيم أو الببتيدات المضادة للميكروبات على أسطح الألومينا.

2. الآليات المضادة للبكتيريا القائمة على تعديل السطح

تُظهر الألومينا المعدّلة السطح نشاطاً مضاداً للبكتيريا من خلال الآليات التالية بشكل أساسي

- إطلاق الأنواع المضادة للبكتيريا (على سبيل المثال، Ag⁺، Zn²⁺) التي تنتشر في أغشية الخلايا البكتيرية وتثبط النشاط الأنزيمي.

- الأسطح القاتلة للتلامس، حيث تتداخل العوامل الراسخة مثل مركبات الأمونيوم الرباعية (QACs) مع استقرار الغشاء البكتيري عند التلامس.

- توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، خاصةً من الطلاءات المحفزة للضوء مثل TiO₂، والتي تحفز تلف مكونات الخلية مثل الحمض النووي والبروتينات.

3. الدراسات والبيانات التجريبية

3.1 الألومينا الفضية الوظيفية

في دراسة وانغ وآخرون (2019)، تمت معالجة أقراص الألومينا بوظائف سطحية بجزيئات الفضة النانوية عن طريق سيلنة APTES واختزال الفضة في الموقع. قتلت الأقراص المعالجة بالوظائف السطحية بكتيريا S. aureus وE. coli بنسبة تزيد عن 99.9% خلال 4 ساعات. وكشف تصوير SEM عن تلف الغشاء على نطاق واسع، وكشف ICP-OES عن إطلاق Ag⁺ Ag⁺ بشكل مستمر لأكثر من سبعة أيام (وانغ وآخرون، 2019).

3.2 طلاءات أكسيد الزنك عن طريق ALD

طلى Zhao وآخرون (2021) ركائز الألومينا بأفلام ZnO من خلال ترسيب الطبقة الذرية. وقد أدى طلاء الزنك بالزنك في 50 دورة إلى كبح 4 لوغ من وحدات الزنج الزائفة الزنجوية بعد 6 ساعات من الحضانة المظلمة من خلال إطلاق أيونات الزنك بشكل أساسي. كانت الطلاءات مضادة للجراثيم بدرجة عالية مع سمية خلوية منخفضة ضد الخلايا الليفية البشرية (Zhao وآخرون، 2021).

3.3 مركّبات TiO₂-ألومينا

أظهرت ورقة بحثية نُشرت عام 2020 في مجلة Surface & Coatings Technology أن طلاءات TiO₂ الهلام المذاب على الألومينا كانت قادرة على تقليل أعداد الإشريكية القولونية بنسبة >95% خلال ساعتين تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية A. يمكن تكرار النشاط التحفيزي الضوئي من خلال دورات متكررة، ولم يلاحظ أي ترشيح كبير لأيونات التيتانيوم، مما أدى إلى الاحتفاظ بالنشاط طويل الأمد (تشين وآخرون، 2020).

4. التطبيقات الطبية الحيوية والصحية

يجد سيراميك الألومينا ذو الوظائف السطحية مكانه في تطبيقات مختلفة. تُستخدم سقالات الألومينا المسامية المغطاة بالفضة أو الزنك أو الزنو، في الغرسات الطبية للحد من الالتهابات بعد الجراحة. تُستخدم أسطح الألومينا الوظيفية بعوامل مضادة للميكروبات على الأدوات الجراحية والأسطح عالية التلامس في المستشفيات للحد من خطر العدوى. تُستخدم أغشية الألومينا الوظيفية المزودة بعوامل مضادة للميكروبات في أنظمة ترشيح المياه لتحقيق الترشيح الفيزيائي وتعطيل البكتيريا. تُستخدم الأسطح المطلية بالسيراميك المضاد للبكتيريا في صناعة الأغذية لتعزيز المعالجة الصحية والتغليف.

الخلاصة

يعزز التفعيل السطحي بشكل كبير من فائدة الألومينا في الأنظمة المضادة للبكتيريا من خلال دمج الأنواع الكيميائية النشطة وتعديل خصائص السطح. وبدعم من الأدلة التجريبية، يتم دمج سيراميك الألومينا المغطى بالوظائف السطحية على نطاق واسع في الأنظمة الطبية الحيوية والبيئية والصحية.

الأسئلة المتداولة

1. ما هو التفعيل الوظيفي لسطح الألومينا؟

هو التعديل الكيميائي لسطح الألومينا ليشمل وظائف مضادة للبكتيريا أو وظائف أخرى.

2. لماذا لا تكون الألومينا مضادة للبكتيريا بطبيعتها؟

لأنه خامل كيميائيًا ويفتقر إلى مواقع السطح النشطة بيولوجيًا.

3. كيف يتم توظيف الألومينا؟

بعض الطرق المعتادة هي السيلان والمعالجة بالبلازما والتحلل بالألومينا والطلاء بطبقة تلو الأخرى.

4. كيف تقتل البكتيريا؟

من خلال إطلاق الأيونات (على سبيل المثال، Ag⁺، Zn²⁺)، أو التلامس مع السطح، أو تكوين ROS بواسطة الطلاءات المحفزة ضوئيًا.

5. ما مدى فعالية الألومينا المطلية بالفضة؟

>99.9% إزالة البكتيريا في 4 ساعات (وانغ وآخرون، 2019).

>6. هل الألومينا المغلفة بالزنك المطلي بالفضة متوافقة حيويًا؟

>نعم، إنه مضاد للبكتيريا للغاية مع الحد الأدنى من السمية (Zhao وآخرون، 2021).

المراجع

Chen, L., Huang, Z., & Zhao, Y. (2020). الألومينا المطلية ب TiO₂ ونشاطها التحفيزي الضوئي والمضاد للبكتيريا تحت إضاءة الأشعة فوق البنفسجية A. Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

Wang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2019). الأداء المضاد للجراثيم لسيراميك الألومينا المسامية ذات الوظائف الفضية. علوم وهندسة المواد: C, 102, 686-692.

Zhao, J., Zhang, D., & Li, Q. (2021). ترسيب الطبقة الذرية لطلاءات ZnO على الألومينا للتطبيقات المضادة للبكتيريا. مجلة بحوث المواد الطبية الحيوية الجزء ب: المواد الحيوية التطبيقية، 109(2)، 222-229.