Host-guest Encapsulation of Photosensitizer to Construct Antibacterial Silicone Rubber: Enhanced Homogeneity and Dual-action

يُعد مطاط السيليكون مادة توجد في أماكن كثيرة يتفاعل فيها البشر مع العالم، من الأختام على النوافذ إلى الأنابيب المستخدمة في المستشفيات. وهو يحظى بتقدير لكونه قوياً ومرناً وآمناً للجسم، وهذا هو السبب في أن الأطباء غالباً ما يستخدمونه للقثطرة والغرسات التي تبقى داخل جسم الإنسان لفترات طويلة. ومع ذلك، فإن هذه السلامة ذاتها تأتي مع مشكلة خفية؛ فبسبب كون سطح مطاط السيليكون طارداً للماء، فإنه يخلق بيئة مثالية لالتصاق البكتيريا والتكاثر وتكوين طبقات لزجة تسمى "الغشاء الحيوي" (biofilms). وبمجرد أن تتمكن هذه البكتيريا من الاستقرار، يمكن أن تسبب عدوى خطيرة يصعب علاجها، خاصة وأن العديد من البكتيات الحديثة أصبحت مقاومة للمضادات الحيوية القياسية. وقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة تجعل هذه المادة تقاوم الجراثيم دون أن تفقد خصائصها المفيدة، لكن إضافة العوامل المضادة للبكتيريا غالباً ما يؤدي إلى مشاكل جديدة، مثل انجراف هذه العوامل أو جعل المادة هشة.

لقد طور فريق من الباحثين نهجاً جديداً لحل هذه المشكلة عبر منح المطاط طريقتين مختلفتين لقتل البكتيريا في آن واحد. فقد ابتكروا مادة تجمع بين "قاتل كيميائي باللمس" وسلاح "ديناميكي ضوئي" يتم تنشيطه بالضوء. وكان مفتاح نجاحهم هو خدعة ذكية تتضمن هياكل صغيرة تشبه الإسفنج مصنوعة من نوع خاص من الأملاح. تعمل هذه الهياكل كمضيفات يمكنها الإمساك بصبغة حساسة للضوة والتمسك بها، وهي صبغة لا تختلط عادةً مع المطاط. ومن خلال حبس الصبغة داخل هذه الإسفنجات، تمكن الباحثون من نشرها بشكل متساوٍ عبر مصفوفة المطاط، مما يضمن بقاءها في مكانها حتى عند غسلها. وقد سمح لهم ذلك ببناء مادة تقتل البكتيريا بمجرد لمسها، ثم توجه ضربة ثانية قوية عند التعرض للضوء، حيث تولد شكلاً من أشكال الأكسجين الذي يدمر الجراثيم المتبقية.

بدأ الباحثون بإنشاء هذه الهياكل المضيفة الصغيرة، والتي يسمونها "أملاح الأمونيوم الرباعية المتفرعة شديدة التفرع والمحبّة للماء" (amphiphilic hyperbranched quaternary ammonium salts). تخيل جزيئاً معقداً ومتفرعاً له قلب محب للماء وغلاف طارد للماء مكون من سلاسل كربونية طويلة. يسمح هذا التصميم للهيكل بأن يعمل ككبسولة نانوية. استخدم الفريق هذه الكبسولات لالتقاط "روز بنجال" (Rose Bengal)، وهي صبغة حمراء تعمل كعامل حساس للضوء. عادةً ما تكون هذه الصبغة غير متوافقة مع مطاط السيليكون، حيث قد تتكتل أو تُغسل بعيداً، ولكن عند لفها داخل الكبسولات المضيفة، أصبحت متوافقة تماماً مع المطاط. خلط الباحثون هذه الكبسولات المحملة في مطاط السيليكون السائل جنباً إلى جنب مع رابط كيميائي يربط كل شيء معاً أثناء معالجة المطاط. وكانت النتيجة عبارة عن شريحة مطاطية صلبة ذات لون أحمر، حيث تم قفل العوامل المضادة للب बैक्टीरिया في مكانها، جاهزة للعمل.

لاختبار مدى فعالية هذه المادة الجديدة، عرضها الفريق لنوعين شائعين من البكتيريا: "إي كولاي" (E. coli)، الموجودة غالباً في الأمعاء، و"المكورات العنقودية الذهبية" (Staphylococcus aureus)، وهي عدوى جلدية شائعة. ووجدوا أن المطاط الذي يحتوي على الكبسولات المضيفة يقتل حوالي 94% من بكتيريا "إي كولاي" و96% من "المكورات العنقودية الذهبية" بمجرد التلامس، دون الحاجة للضوء. وتحسنت قدرة القتل بالتلامس هذه مع زيادة عدد مجموعات الملح النشطة في الكبسولات. وعندما أضافوا الصبغة المنشطة بالضوء وسلطوا ضوء LED قياسياً على المادة، قفزت الفعالية بشكل كبير؛ فبعد ثلاثين دقيقة من التعرض للضوء، قتلت المادة 98% من "إي كولاي" و99% من "المكورات العنقودية الذهبية". حيث حفز الضوء الصبغة لإطلاق شكل عالي التفاعل من الأكسجين الذي هاجم الهياكل الداخلية للبكتيريا، مما وفر خط دفاع ثانٍ قوي.

وبعيداً عن قتل الجراثيم، كان من الضروري أن تكون المادة قوية بما يكفي لتؤدي وظيفة كجهاز طبي. اختبر الباحثون الخصائص الفيزيائية للمطاط ووجدوا أنه من خلال إضافة جزيئات السيليكا وعامل معالجة محدد، يمكنهم جعل المادة أكثر صلابة بكثير. بلغ الإجهاد الانضغاطي للمنتج النهائي 25 ميجاباسكال، وكان بإمكانه التمدد والعودة إلى شكله الأصلي بشكل متكرر دون فقدان قوته. وتعد هذه المتانة أمراً بالغ الأهمية للتطبيقات الطبية حيث قد تتعرض المادة للثني أو الضغط داخل الجسم. علاوة على ذلك، اكتشف الفريق أن الروابط الكيميائية التي تمسك السلاسل الكربونية الطويلة على السطح يمكن كسرها بواسطة محلول قلوي خفيف. سمحت هذه الميزة بغسل البكتيريا الميتة التي تراكمت على السطح، مما "يجدد" فعلياً قدرة المادة على قتل الجراثيم الجديدة، وهو ما يمثل ميزة كبيرة للغرسات طويلة الأمد.

تؤكد الدراسة أن الجمع بين استراتيجية القتل بالتلامس والاستراتيجية المنشطة بالضوء يخلق سطحاً فائق القدرة على مكافحة البكتيريا. وقد أظهر الباحثون أن طريقة التغليف "المضيف-الضيف" قد حلت بنجاح مشكلة خلط الصبغات المحبة للماء مع المطاط الطارد للماء، مما نتج عنه مادة متجانسة ومقاومة للغسل. وبينما لا تدعي الورقة البحثية أنها الحل النهائي لجميع الأجهزة الطبية، إلا أنها تقدم مساراً واضحاً وفعالاً للمضي قدماً. أثبتت المادة قدرتها على قتل جميع البكتيريا المختبرة تقريباً تحت الضوء والحفاظ على سلامتها الهيكلية من خلال الاستخدام المتكرر. ويشير هذا العمل إلى أن الغرسات الطبية المستقبلية يمكن أن تصبح أكثر أماناً ومتانة باستخدام أنظمة مماثلة مزدوجة المفعول لمنع العدوى التي تعقد الرعاية طويلة الأمد.