Molecular level design of engineered coatings for antimicrobial and antibiofilm surfaces

Abstract

Malzeme yüzeylerine yapışan ve kolonize olan mikroorganizmalar, enfeksiyonlar nedeniyle sadece sağlık riskleri oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda malzeme özelliklerini bozarak fonksiyonlarını da olumsuz etkiler. Gıdadan sağlığa pek çok farklı endüstride, mikrobiyal yapışmaları önleyebilen veya yüzeylere yapışan mikroorganizmaları öldürebilen antimikrobiyal kaplamalara önemli bir ihtiyaç vardır. Bu tezde, antibakteriyel madde salınımı, ışık aktivasyonu ve temasla öldürmeye dayalı olarak tasarlanmış farklı antibakteriyel ve antibiyofilm kaplamaların tasarımı önerilmiştir.Antibakteriyel ajanların salınımına dayalı öldürme mekanizmasına sahip yüzey kaplamalar, halloysit nanotüplerde karvakrolün kapsüllenmesi ve ardından katman-katman ince film kaplama tekniği ile polietilen ambalaj malzemesine dahil edilmesiyle gıda ambalajında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Böylece, hem gıda kaynaklı patojenlere hem de biyofilmlere karşı aktivite göstererek gıda güvenliğine katkı sağlayacak ve hem de gıdaların raf ömrünü uzatacak, güvenli içeriklerden oluşan antimikrobiyal gıda ambalaj malzemeleri elde edilmiştir. İkinci olarak, polidopamin kaplı su bazlı poliüretan partiküllerden oluşan hibrit kaplamalar ile ışıkla aktive olan antibakteriyel kaplamalar tasarlanmıştır. Bu çalışmada geliştirilen fototermal özellikli yüzey kaplamaları, yüzeylerin ışık yardımıyla sterilize edilmesi için etkili bir yaklaşım sunmaktadır. Üçüncüsü, polidopamin ile işlevselleştirilmiş yüzeyler üzerinde hareketsizleştirilmiş lizostafin enzimini içeren güvenli ve toksik olmayan su bazlı poliüretan nanokompozit kaplamalar, temasla öldürmeye dayalı kaplamalar oluşturmak için tasarlanmıştır. Bu çalışmada geliştirilen lizostafin bazlı temasla öldürmeye dayalı hibrit kaplamalar, sağlık tesislerinde ve tıbbi cihazlarda yüzeylere uygulanarak Staphylococcus aureus'un neden olduğu hastane enfeksiyonlarının önlenmesinde etkili bir yaklaşım sunmaktadır.

Microorganisms that adhere to and colonize materials surfaces do not only create health risks due to infections, but they also adversely affect their functions by deteriorating material properties. There is a substantial need for antimicrobial coatings that can prevent microbial adhesions or kill adhered microorganisms on surfaces in many different industries from food to health. In this thesis, the design of different antibacterial and antibiofilm coatings, that are engineered based on antibacterial agent release, light-activation and contact-killing has been proposed. Antibacterial agent release-based coatings have been designed for use in food packaging by encapsulation of carvacrol in halloysite nanotubes, followed by their incorporation onto polyethylene packaging films by the Layer-by-Layer thin film coating technique. Antibacterial coatings composed of safe ingredients have been produced for food packaging films, which will contribute to food safety and extend the shelf life of foods by showing activity against both foodborne pathogens and biofilms. Secondly, light-activated antibacterial coatings were designed by hybrid coatings prepared from polydopamine-coated waterborne polyurethane particles. The photothermally activated coatings developed in this study offer an effective approach for light-activated sterilization of material surfaces. Thirdly, safe, and non-toxic waterborne polyurethane-based nanocomposite coatings comprising lysostaphin enzyme immobilized on polydopamine-functionalized surfaces were designed to establish contact-killing coatings. The lysostaphin-based contact-killing hybrid coatings developed in this study offer an effective approach to prevent nosocomial infections caused by Staphylococcus aureus as being applicable to the surfaces in healthcare facilities and medical devices.