Enhansement of Antimicrobial Properties and Biocompatibity of PVC Blood Bags by Physical Adsorption Technique

Abstract

The blood taken to single use blood bags can be stored up to one week without freezing. Blood bags contain sodium citrate as anticoagulant. The use of defrozen blood in patients can not be beneficial effectively by body. The inner surface of the disposable blood bags was modified with several methods in order to be more effective when used in patient, make blood to stored for longer period, and to prevent the lysis of the blood cells after frozen and defrozen processes. It is clear the the use of blood without freezing will be more effective in healing time of patients. The surface of the commercial blood bags was modified in order to increase the biocompatibility and gain antibacterial property. For this purpose, physical adsorption method wase used to change the single use blood bag’s surface made from medical grade polyvinyl chloride (PVC) that contact with blood. Physical adsorption was selected due to trace materials and toxicity factors coming from conventional chemical adsorption methods and to increase the adsorption capacity. Hence, surface modification processes were conducted with physical adsorption method. In this context, the inner surface of single use blood bags was modified by using three methods. Biomaterial surfaces were modified with physical adsorption method with three different types of arrangments which are selected as PEG, AgNP ve PEG+AgNP. The silver nanoparticles (AgNPs) synthesized with green chemistry approach in our group to attain antibacterial properties. The AgNPs synthesis was performed by liquid leave broth of Muğla region Liquidambar orientalis Mill. (Sığla ağacı) plant. The change in functional groups were determined by FTIR spectrums, the presence of biocompatible material, PEG was also conformed by ith functional groups on biomaterial surface. In order to determine the antimicrobial activities of modified surfaces, the growth of nosocomial microorganisms was estimated by Disk diffusion method. The culturing in Muller Hinton agar containing petri dishes were performed after the activation of bacteria (E. coli, S. aureus, K. pneumoniae, P. aeruginosa, Metisilin dirençli S. aureus) in Nutrient broth, and C. albicans in Saboraud dextrose. Biomaterials with different surface properties were cutted at predetermined size were placed on growth media to incubate and the inhibition zones formed after incubation time were measured. Antimicrobial activity on untreated surfaces was about 50 % while it was calculated. This ratio reached to 89 % in physical adsorption tests. In conclusion, the proposed methods can be used to add antimicrobial activity on biomaterial surfaces againts nosocomial microorganism types.

Keywords

• PVC Blood Bag
• Surface Modification
• Adsorption
• Poly(ethylene glycol) (PEG)
• Silver Nanoparticles
• Antimicrobial Activity
• Biocompatibility.

PVC Kan Torbalarının Antimikrobiyal Özelliklerinin ve Biyouyumluluğunun Fiziksel Adsorpsiyon Tekniği ile Artırılması

Öz

Tek kullanımlık kan torbaları içine alınan kan dondurulmadan en fazla 1 hafta dayanıklıdır. Kan torbalarının içinde antikoagülan olarak sodyum sitrat bulunur. Dondurulduktan sonra çözülerek hastalara verilen kan vücut tarafından etkin şekilde değerlendirilememektedir. Hasta vücutlarının verilen kanı daha etkin bir şekilde kullanabilmesi adına ve kanın daha uzun süre dayanım kazanması ve dondurulup-çözülen kanın şekilli kan hücrelerinde bozulmaları engellemek amacıyla kan torbası iç yüzeyinde bazı yüzey modifikasyon işlemleri yapılmıştır. Dondurulmadan verilecek kanın hastanın iyileşme sürecine etkisinin daha büyük olacağı açıktır. Ticari kan torbalarının biyouyumluluğun arttırılması ve antibakteriyel özellik kazanımı için yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, Medikal özellikli Polivinil klorürden (medical grade PVC) üretilmiş tek kullanımlık kan torbalarının kan ile temas halinde olan yüzeylerinin özelliklerinin değiştirilmesinde fiziksel adsorpsiyon yöntemi kullanılmıştır. Konvansiyonel kimyasal adsorbsiyon yöntemleri ile gelen safsızlıkların ve toksisite faktörlerinin azaltılması ve yüzey adsorbsiyon kapasitesinin arttırılması amacıyla bu yöntem seçilmiştir. Sonraki yüzey modifikasyon işlemlerinde fiziksel adsorbsiyon kullanılmıştır. Bu bağlamda kan torbalarının iç yüzeyleri üç farklı yöntem ile modifiye edilmiştir. Fiziksel adsorpsiyon yönteminde biyomalzeme yüzeyleri PEG, AgNP ve PEG+AgNP olmak üzere üç farklı şekilde modifiye edilmişlerdir. Araştırmada Muğla yöresi Liquidambar orientalis Mill. (Sığla ağacı) bitkisinin yaprak özütü kullanılarak gümüş nanoparçacık sentezi gerçekleştirilmiştir. FTIR spektrumları ile yüzeyde oluşan fonksiyonel grup değişimleri belirlenmiş, biyouyumlu malzeme olan PEG’in de biyomalzeme yüzeyindeki varlığı benzer şekilde fonksiyonel gruplar ile doğrulanmıştır. Modifiye edilen yüzeylerin antimikrobiyal aktivitelerini belirlemek amacı ile nazokomyal mikroorganizmaların üremeleri Disk difüzyon yöntemi ile belirlenmiştir. Bakteriler (P. aeruginosa, E. coli, S. aureus, K. pneumoniae, Metisilin dirençli S. aureus) Nutrient besi ortamında, C. albicans ise Saboraud dekstroz besi ortamında aktifleştirildikten sonra Muller Hinton agar bulunan Petri kutularına ekilmişlerdir. Yüzey özellikleri değiştirilen ve belli büyüklükte hazırlanan biyomalzemeler 2 cm aralıklarla besiyerine yerleştirilip inkübasyona bırakılarak süre sonunda inhibisyon zonları ölçülmüştür. İşlem görmemiş yüzeylerde antimikrobiyal aktivite % 50 iken Fiziksel adsorpsiyon denemerinde bu değer % 89’a ulaşmıştır. Sonuç olarak önerilen Fiziksel adsorpsiyon yöntemi ile nazokomyal mikroorganizma türlerine karşı antimikrobiyal aktivite kazandırmak için kullanılabileceği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• PVC Kan Torbası
• Yüzey Modifikasyonu
• Adsorpsiyon
• Poli(etilen glikol) (PEG)
• Gümüş Nanopartikül
• Antimikrobiyal Aktivite
• Biyouyumluluk.
• PVC Blood Bag
• Surface Modification
• Adsorption
• Poly(ethylene glycol) (PEG)
• Silver Nanoparticles
• Antimicrobial Activity
• Biocompatibility.

Kaynakça

1. Ahmed S, Ahmad M, Swami BL, Ikram S. A review on plants extract mediated synthesis of silver nanoparticles for antimicrobial applications: A green expertise. J Adv Res 7, 17–28, 2016.
2. Arslan P, Tayyar A.E, Tekstil Alanında Kullanılan Antimikrobiyal Maddeler, Çalışma Mekanizmaları, Uygulamaları ve Antimikrobiyal Etkinilik Değerlendirme Yöntemleri, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 4 935-966, 2016.
3. Aytav E.G, Cebeci M.D, Küçükönder H, Hastane Enfeksiyonlarına Neden Olan Mikroorganizmalar Ve Bunların Antimikrobiyal Ajanlara Gelişen Dirençlilik Paterninin Araştırılması.
4. Awwad AM, Salem NM, Abdeen AO. Green synthesis of silver nanoparticles using carob leaf extract and its antibacterial activity. Int J Ind Chem. 4: 29, 2013.
5. Bahrami N, Bayliss D, Chope G, Penson S, Perehinec T, Fisk ID, Cold Plasma: A New Technology to Modify Wheat Flour Functionality. Food Chemistry 202: 247-253, 2016.
6. Baysal T, İçier F, Gıda Mühendisliğinde Isıl Olmayan Teknolojiler. Nobel Yayıncılık, Ankara, 2012.
7. Beveridge TJ. Structures of Gram-Negative Cell Walls and Their Derived Membrane Vesicles J Bacteriol. 4725–4733, 1999.
8. Bilgili B, Karademir F, Bozaci E, Özdoǧan E, Ayhan H, Ayhan F, Liquidambar Orientalis Mill. Leaf Aqueous Extract For The Synthesis Of Silver Nanoparticles And İmmobilization On Textile Fabrics For Biomedical Applications, Tekstil Ve Konfeksiyon 2016.

9. Bozacı E. Antimikrobiyal Tekstil Yüzeylerinin Oluşturulabilirliğinin Araştırılması. PhD Thesis, Ege University, Faculty of Engineering, Department of Textile Engineering, İzmir, Turkey; 2013.
10. Bulut E, Özacar M. Rapid, Facile Synthesis of Silver Nanostructure Using Hydrolyzable Tannin. Ind Eng Chem Res. 48: 5686– 5690, 2009.
11. Demir E, Yalçin H, Adsorbentler: Sınıflandırma, Özellikler, Kullanım Ve Öngörüler, Türk Bilimsel Derlemeler Dergisi 7 (2): 70-79, 2014.
12. Deng S, Ruan R, Mok CK, Huang G, Lin X, Chen P, Inactivation of Escherichia coli on Almonds Using Nonthermal Plasma. Food Microbiology and Safety 72(2): 62-66, 2007.
13. Haris, J.E. Introduction: factors influencing corneal hydration. Invest Ophthalmol, Vol 1(2), pp 151–7, 1962.
14. Haris, J.M. (Ed.), Poly(ethylene glycol) Chemistry: Biotechnical and Biomedical Applications, 1992.
15. Helmenstine A, Lightning And Plasma Photo Gallery PRINT Lightning Photograph, 2017.
16. Kasım Karahocagil M, Yaman G, Göktaş U, Sünnetçioğlu M, Çıkman A, Bilici A, Yapıcı K, İrfan Baran A, Binici İ, Akdeniz H, Hastane Enfeksiyon Etkenlerinin Ve Direnç Profillerinin Belirlenmesi, Cilt (1) Pp: 18, 2011.
17. Kefser E.K, Dığrak M. Bazı Meyve Ekstraktlarının Antibakteriyel ve Antifungal Aktiviteleri. KSU J Sci Eng.8(2), 2005. Kodera, Y, Matsushima, A, Hiroto, M, Nishimura, H, Ishii, A, Ueno, T, Inada, Y. “Pegylation of proteins and bioactive substances for medical and technical applications” Prog. Polym. Sci, 23, 1233–1271, 1998.
18. Krithiga N, Rajalakshmi A, and Jayachitra A. Green Synthesis of Silver Nanoparticles Using Leaf Extracts of Clitoria ternatea and Solanum nigrum and Study of Its Antibacterial Effect against Common Nosocomial Pathogens. Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanoscience Article ID 928204, 8 pages, 2015.
19. Moreau M, Orange N, Feuilloley M.G.J, NonThermal Plasma Technologies: New Tools for BioDecontamination. Biotechnology Advances 26: 610-617, 2008.
20. Murat Y, Kim E, Temelleri B, Biyomalzemeler Ve Biyoyapay Organ Teknolojileri Özyol P, Özyol E, Karel F, Biocompatibility Of İntraocular Lenses, Turk Oftalmoloiji Dergisi 2017.
21. Perera S, Bhushan B, Bandara R, Rajapakse G, Rajapakse S, Bandara C. Morphological, antimicrobial, durability, and physical properties of untreated and treated textiles using silver-nanoparticles. Colloid Surface. A. 436, 975– 989, 2013.
22. Rai M, Yadav A, Gade A. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnol Adv 27: 76–83, 2009.
23. Ragaseema VM, Unnikrishnan S, Krishnan VK, Krishnan LK. The antithrombotic and antimicrobial properties of PEG-protected silver nanoparticle coated surfaces. Biomaterials, 33, 3083-3092, 2012.
24. Ratner B.D, Surface modification of polymers: chemical, biological and surface analytical challenges, Biosensors & Bioelectronics 10 797-804 1995.
25. Ricci A, Olejar KJ, Parpinello GP, Kilmartin PA, Versari A. Application of Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy in the Characterization of Tannins. Appl Spectrosc Rev. 50: 407–442, 2015.
26. Gürmen S, Ebin B, Nanopartiküller ve Üretim Yöntemleri, İ.T.Ü., Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü. Saraç N, Şen B. Antioxidant, mutagenic, antimutagenic activities, and phenoliccompounds of Liquidambar orientalis Mill. var. Orientalis. Ind Crop Prod. 53: 60– 64, 2014.
27. Schlemm H, Material Technology By New Plasma-And Ion Beam Techniques Research And Development For Thin Film Technology 1 Technique And Technology Development For Thin Film Processes With Plasma-And İon Sources.
28. Sezgin Bayindir Z, Yüksel N, Pegilasyon: Peg Konjugatlarının Hazırlanması Ve Uygulamaları Pegylatıon: Preparatıon And Applıcatıon Of Peg Conjugates, Vol: 36 (364) Pp: 249-266, 2007.
29. Sezer S, Peg Stabilize Kollajen-Kitosan Biyomalzeme Geliştirilmesi Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Journal Article 2011.
30. Sivaraman SK, Elango I, Kumar S, Santhanam V. A green protocol for room temperature synthesis of silver nanoparticles in seconds. Curr Sci. 97:1055-59, 2009.
31. Terzi E, Kartal SN, Ibáñez CM, Köse C, Arango R, Clausen CA, Green F. Biological performance of Liquidambar orientalis Mill. heartwood. Int Biodeter Biodegr. 75: 104-108, 2012.
32. Temiz A. Genel Mikrobiyoloji Uygulama Teknikleri, (3rd edition) Ankara: Hatiboğlu Yayınevi, 2000.
33. Tripathi A, Melo J.S, Advances Bomaterals For Bomedcal Applcatons Advances In Biomaterials For Biomedical Application S Editors (View Affiliations) Part Of The Advanced Structured Materials Book Series Structmat, Volume 66
34. Wang, Z. H., Choi, C. J. Kim, B. K., Kim J. C. and Zhang Z. D., Microstructure and magnetic property of Fe-Co nanoparticles prepared by chemical vapor condensation process, J. of All. and Comp., 351, 319-323, 2003.
35. Wang, Z. H., Choi, C. J. Kim, B. K., Kim J. C. and Zhang Z. D., Characterization of Fe-Co alloyed nanoparticles synthesized by chemical vapor condensation, Materials Letters, 57, 3560-3564,2003.
36. Wolfgang, L. Bottom-up Methods for Making Nanotechnology Products, Erişim 22 Ekim 2007.
37. Zaki, A. Processing and Synthesis Techniques for the Preparation of Nanomaterials. . Erişim 22 Ekim 2007.
38. Zhang, M. Li, X.H. Gong, Y.D. Zhao, N.M. and Zhang, X.F. Properties and biocompatibility of chitosan films modified by blending with PEG. Biomaterials, Vol.23, pp 2641–8, 2002.
39. Zeng Y, Lee S, Gao L, Ding C, Atmospheric Plasma Sprayed Coatings Of Nanostructured Zirconia Journal Article.