Desarrollo de superficies antimicrobianas a partir de la modificación de películas de polipropileno con sales de amonios cuaternarios

Abstract

El tema de investigación de esta tesis se enfocó en el desarrollo de una superficie activa que contiene grupos arilamonios cuaternarios (PYR) injertados a cadenas de quitosano (Qs), que le brindan actividad antimicrobiana. Estos derivados de Qs se adsorbieron mediante interacción electrostática sobre la superficie de una película de polipropileno (PP) modificada en un 2 % p/p con ácido poliacrílico (PAA). En primera instancia, se sintetizaron una familia de sales de arilamonio cuaternario, tales como bromuro de 4-bromobutil-piridinio (PYR0), bromuro de 4-bromobutil-2- metilpiridinio (PYR1) y bromuro de 4-bromobutil-2,4-dimetilpiridinio (PYR2), a partir de la reacción de sustitución nucleofílica bimolecular entre el átomo de N del anillo y uno de los extremos terminales (-CH 2 Br) de 1,4-dibromobutano. Después de evaluar el efecto del solvente, temperatura y tiempo de reacción, se obtuvo un rendimiento de reacción cercano al 75 % en el siguiente orden decreciente: PYR2>PYR1>PYR0. Posteriormente, estas sales se injertaron covalentemente en cadenas Qs, con un rendimiento cercano al 73 %, a partir de la reacción de sustitución entre la terminal halogenada de PYR y el grupo amino de Qs. Los derivados Qs-PYR se adsorbieron sobre la superficie de las películas de PP-PAA mediante interacciones electrostáticas con los grupos carboxilos y aminos de Qs, alcanzando un grado de inmovilización promedio cercano al 1,7 % p/p. La caracterización de reactivos, precursores y películas de PP-PAA-Qs-PYR fue realizada mediante el uso de la espectrometría UV-Visible, infrarroja y de resonancia magnética nuclear, gravimetría, determinación del ángulo de contacto y del espesor de la película. Finalmente, el análisis del desempeño antimicrobiano de las suspensiones acuosas de Qs-PYR y de las películas del PP-PAA-Qs-PYR que contienen Qs-PYR adsorbido en su superficie, se llevó a cabo en el caldo de cultivo Muller Hilton. Este estudio permitió demostrar la existencia de actividad bacteriostática de los grupos arilamonios pendientes de las cadenas de Qs frente a Staphylococcus aureus, sin evidenciar actividad para Escherichia coli. Esta tendencia podría explicarse a partir de diferencias estructurales existentes en la envoltura celular bacteriana, resultando en el caso de la Gram negativa una capa protectora eficiente frente a estos biocidas. Además, se pudo demostrar que la actividad antimicrobiana de Qs- PYR frente a S. aureus crece con el contenido de grupos amonios, mostrando el siguiente orden decreciente: Qs-PYR-0 > Qs-PYR-2 ≥ Qs-PYR-1. Sin embargo, el desempeño biocida de Qs-PYR es mejorado cuando es adsorbido sobre la película de PP-PAA, exhibiendo el siguiente orden decreciente modificado: Qs-PYR2 > Qs- PYR1 > Qs-PYR0. Ambas evidencias sugieren que las interacciones de Qs-PYR con los grupos carboxilos de PAA, generadas durante la adsorción, inducen una reestructuración conformacional del polisacárido en la superficie de la película que favorecen la accesibilidad hacia los grupos arilamonios. Además, un mayor grado de sustitución del anillo aromático parece mejorar la actividad biocida de la superficie, una tendencia que es consistente con la hipótesis planteada inicialmente. Los datos obtenidos hasta el momento resultan ser alentadores, señalando además la tarea a completar para generar las superficies propuestas con las propiedades adecuadas.

The research subject of this thesis was focused on the development of active surfaces containing quaternary aryl ammonium groups (PYR) grafted to chitosan (Qs) chains, which provide antimicrobial activity. These Qs derivatives were adsorbed by electrostatic interaction on the surface of polypropylene (PP) film modified with a 2 % wt of polyacrylic acid (PAA). Firstly, a family of quaternary aryl ammonium salts such as 4-bromobutyl-pyridinium bromide (PYR0), 4-bromobutyl- 2-methylpyridinium bromide (PYR1) and 4-bromobutyl-2,4-dimethylpyridinium (PYR2) were synthesized from a bimolecular nucleophilic substitution reaction between the N atom of pyridinic ring and a terminal end (-CH 2 Br) of 1,4- dibromobutane. After evaluating the effect of the solvent, temperature and reaction time, an average yield near 75 % was obtained in the following decreasing order: PYR2 > PYR1 > PYR0. Subsequently, these salts were covalently grafted to Qs chains (yield near 73 %) from the substitution reaction between the halogenated PYR terminal and the amino group of Qs. Later, Qs-PYR derivatives were adsorbed on the PP-PAA film surface by electrostatic interactions among the PAA carboxyl and the amino group of Qs, reaching an average immobilization degree near 1.7 % wt. Reagents, precursors, and PP-PAA-Qs-PYR films were characterized through UVVisible, infrared and nuclear magnetic resonance spectrometry, gravimetry, the contact angle and determination of the film thickness. Finally, the antimicrobial activity analysis of aqueous Qs-PYR suspensions and PP-PAA-Qs-PYR films was performed in a Muller Hinton broth. This study supports the existence of bacteriostatic activity from the aryl ammonium group - grafted to Qs chains against Staphylococcus aureus, but without showing activity for Escherichia coli. This trend could be explained by structural differences in the bacterial cell envelope, resulting in the Gram-negative bacteria a very efficient protective layer against these biocides. It was possible to demonstrate that the antimicrobial activity of Qs-PYR vs S. aureus increases with the ammonium group content, showing the following decreasing order: Qs-PYR-0 > Qs-PYR-2 ≥ Qs-PYR- 1. However, the biocidal performance of Qs- PYR is improved when it is adsorbed on the PP-PAA film, exhibiting the following modified decreasing order: Qs-PYR2 > Qs-PYR1 > Qs-PYR0. Both pieces of evidence suggest that during adsorption the generated interactions between Qs-PYR and the PAA carboxyl groups produce a conformational restructuring of the polysaccharide coil on the film surface that favors accessibility to the aryl ammonium groups. In addition, a higher substitution degree the aromatic ring seems to enhance the biocidal surface activity, a trend that is consistent with the hypothesis initially raised. The data obtained turns out to be encouraging, indicating the task to be carried out to generate the proposed surfaces with appropriate properties.