Synthesis of photo-active, fullerene-based biopolymers to combat microbial biofilms

Abstract

Medical device-associated biofilm infections continue to pose a significant challenge for public health. These infections arise from biofilm accumulation on the device, hampering the antimicrobial treatment. In response, significant efforts have been made to design functional polymeric devices that possess antimicrobial properties, limiting or preventing biofilm formation. However, until now none of the strategies showed a promissory antifouling effect. Thus, antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) has been shown as a promising candidate to overcome this problem. Photosensitizers (PS) are the main key component for aPDT and fullerenes have been chosen as PS due to their good quantum yields and lifetimes spans. In this project, polylactic surface was modified with fullerene and reaction was proven by XPS analysis. The biopolymer surface was characterized by AFM, SEM, and water contact angle measurements. The aPDT effect of the fullerene-based biopolymer was realized after irradiation with blue light (450nm) against the attachment and mature biofilm phases of S. aureus and E. coli. Irradiation during attachment reduced up to 2.6 CFU log10 of S. aureus and 2.5 CFU log10 of E. coli. The aPDT was also applied after attachment and promoted a reduction of 2.2 CFU log10 in S. aureus and 1.3 CFU log10 in E. coli. Regarding mature biofilm, the inhibition of cells after 60 min of irradiation was about 1.4 CFU log10 of S. aureus and 0.7 CFU log10 of E coli. In addition, ROS scavenger testing suggests that during aPDT was produced the peroxide, singlet oxygen, and hydroxyl radicals in higher concentrations. Perceiving that none of the used scavengers completely reduced the effectiveness, it could mean that type I and II photodynamic therapy mechanism are acting in the systems and causing the inhibition of both microorganisms. Thus, the fullerene-based biopolymer after irradiation was shown to be more effective against S. aureus during biofilm attachment and mature phases than against E. coli.

Su medicinos prietaisais susijusios bioplėvelės infekcijos ir toliau kelia didelį pavojų visuomenės sveikatai. Šios infekcijos kyla dėl bioplėvelės susidarymo ant prietaisų ir jas sunku išnaikinti. Dėl to, daug pastangų įdėta kuriant funkcinius polimerinius prietaisus arba dangas, turinčias antimikrobinių savybių tačiau iki šiol nė viena iš strategijų neparodė perspektyvaus antimikrobinio poveikio. Įrodyta, kad antimikrobinė fotodinaminė terapija (aFDT) yra perspektyvi įveikiant šią problemą. Šiame projekte polilaktinis paviršius buvo modifikuotas fullerenu ir reakcija įrodyta XPS analize. Biopolimero paviršius buvo apibūdintas AFM, SEM ir vandens kontakto kampo matavimais. Fullereno pagrindo biopolimero aPDT efektas buvo įgyvendintas po apšvitinimo mėlyna šviesa (450 nm) prieš S. aureus ir E. coli prisitvirtinimo ir subrendusios bioplėvelės fazes. Švitinimas prijungimo metu sumažino iki 2,6 CFU log10 S. aureus ir 2,5 CFU log10 E. coli. Kuomet šviesa buvo taikoma 60 minučių po prisitvirtinimo stadijos S. aureus sumažėjo 2,2 CFU log10, o E. coli – 1,3 CFU log10. Kalbant apie subrendusią bioplėvelę, ląstelių slopinimas po 60 min švitinimo buvo apie 1,4 CFU log10 S. aureus ir 0,7 CFU log10 E. coli. Be to, ROS sugėrikliai (angl. scavengers) yra junginiai, galintys labai greitai reaguoti su ROS ir kitais reaktyviais laisvaisiais radikalais. Tyrimai su ROS sugėrikliais rodo, kad aFDT metu buvo gaminami singletinio deguonies ir hidroksilo radikalai. Nė vienas iš naudotų ROS sugėriklių visiškai nesumažino aFDT efektyvumo, dėl to galima daryti prielaidą, kad ne tik II tipo fotodinaminės terapijos mechanizmas sukelia mikroorganizmų mirtį bioplėvelėje, bet ir I tipo reakcijos. Taigi biopolimeras fulereno pagrindu po švitinimo yra veiksmingas prieš S. aureus ir E. coli bioplėveles prisitvirtinimo bei brandos fazėse.