Bezpieczeństwo ludzi i dobrobyt są zagrożone przez drobnoustroje wywołujące liczne choroby zakaźne, których skutkiem jest co roku duża liczba zgonów. Pomimo znacznego postępu w dziedzinie leków przeciwdrobnoustrojowych wiele chorób zakaźnych pozostaje trudnych do wyleczenia.
Polimery przeciwdrobnoustrojowe stanowią obiecującą strategię przeciwdrobnoustrojową do walki z patogenami i zyskały znaczną uwagę zarówno w badaniach akademickich, jak i przemysłowych. Stosowane są zarówno mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe wykazujące działanie pasywne jak i aktywne oraz wprowadzono typy materiałów polimerowych zawierających związane lub wymywane środki przeciwdrobnoustrojowe.
Mikroby to żywe organizmy, takie jak bakterie, grzyby i pasożyty, które są głównymi źródłami infekcji [1]. Choroby zakaźne są skutkiem patogennych drobnoustrojów i zabijają więcej ludzi niż jakakolwiek inna pojedyncza przyczyna [2]. Natomiast środkiem przeciwdrobnoustrojowym nazywamy produkt stosowanym do zabijania drobnoustrojów lub hamowania ich wzrostu.
Chociaż opracowano wiele leków przeciwdrobnoustrojowych to nadal pozostaje wiele chorób zakaźnych trudnych do wyleczenia [3,4]. Pierwsze polimery przeciwdrobnoustrojowe pojawiły się już w 1965 r. [5] i przyciągnęły znaczną uwagę zarówno w badaniach akademickich, jak i przemysłowych. A największe wysiłki skierowane były na tzw. uczenie się od natury, zielonych lub nietoksycznych biocydów.
Przemysł medyczny, spożywczy i tekstylny to trzy główne obszary stosowania środków przeciwdrobnoustrojowych. Od 2013 r. w bazie danych Google Patent Search zgłoszono ponad 27 845 patentów na polimery przeciwdrobnoustrojowe. Ponadto w badaniach klinicznych znaczną uwagę przyciągnęły przeciwbakteryjne urządzenia medyczne [5].
W porównaniu z małymi cząsteczkowymi odpowiednikami polimery przeciwdrobnoustrojowe wykazują wyższą skuteczność, zmniejszoną toksyczność, zminimalizowane problemy środowiskowe i większą odporność [6].
Jedną ze strategii przeciwdrobnoustrojową jest hamowanie tworzenia biofilmu i zmniejszanie przyczepności drobnoustrojów - ponieważ kiedy drobnoustroje przylegają do podłoża, tworzą tak zwane biofilmy, aby się zakotwiczyć. Biofilm to konglomerat polimerowy złożony z polisacharydów i innych składników, takich jak białka i DNA. Wadliwe biofilmy nie są w stanie stworzyć środowiska dla rozwoju drobnoustrojów. Dlatego zastosowania przeciwdrobnoustrojowe wymagają strategii zapobiegania żywotności drobnoustrojów lub ich adhezji.
Na przykład peptydy przeciwdrobnoustrojowe działają przede wszystkim poprzez rozerwanie błony komórkowej bakterii, a heparyna wykazuje aktywność antyadhezyjną i właściwości hydrofilowe, które zapobiegają rozwojowi drobnoustrojów [7]. Zapobieganie rozprzestrzenianiu się chorób, hamowanie tworzenia biofilmu i zmniejszanie przyczepności drobnoustrojów są bardziej obiecującą strategią przeciwdrobnoustrojową niż zabijanie drobnoustrojów [8,9]. Zgodnie z mechanizmem działania przeciwdrobnoustrojowego aktywność polimerów przeciwdrobnoustrojowych można zaklasyfikować jako pasywną lub aktywną.
Pasywna warstwa polimerowa może zmniejszyć adsorpcję białka na jej powierzchni, zapobiegając w ten sposób adhezji bakterii. Jednak chociaż pasywne powierzchnie odpychają bakterie, nie wchodzą w interakcje z bakteriami ani nie zabijają ich. Ze względu na głównie hydrofobowe i ujemnie naładowane właściwości drobnoustrojów, pasywne polimery powinny być hydrofilowe; naładowane ujemnie; lub posiadać niską swobodną energię powierzchniową [10,11].
Typowymi polimerami pasywnymi są samonaprawiające się, śliskie, porowate ciecze z porowatą powierzchnią (SLIPS), takie jak poli(dimetylosiloksan); "nienaładowane" polimery, takie jak poli(glikol etylenowy) (PEG), poli (2-metylo-2-oksazolina), polipeptoid, polipol(n-winylopirolidon) i poli (dimetyloakryloamid); oraz "naładowane" poliamfity i obojnacze polimery, takie jak fosfobetaina, sulfobetaina i polimery fosfolipidowe [12,13]. Spośród tych pasywnych polimerów PEG wykazał doskonałe działanie przeciwdrobnoustrojowe poprzez drastyczne zmniejszenie adsorpcji białka i adhezji bakteryjnej ze względu na wysoką ruchliwość łańcucha, dużą objętość wykluczenia i efekt przeszkody przestrzennej wysoce uwodnionej warstwy, wykazał wysoką zdolność przeciwporostową.
Polimery wykazujące się aktywnym działaniem zabijają bakterie, które przylegają do powierzchni polimeru. Są to tak zwane polimery funkcjonalizowane czynnymi środkami, takimi jak kationowe biocydy, peptydy przeciwdrobnoustrojowe lub antybiotyki. Mechanizm zabijania drobnoustrojów przez polimery zależy od substancji czynnych. Najczęściej stosowane aktywne polimery przeciwdrobnoustrojowe są funkcjonalizowane za pomocą dodatnio naładowanego czwartorzędowego amonu, który oddziałuje ze ścianą komórkową i niszczy błonę cytoplazmatyczną, powodując wyciek składników wewnątrzkomórkowych i w konsekwencji śmierć komórki [14].
