Quaternized chitin nanofibrils for contact active antimicrobial surfaces

Abstract

Preventing the spread of infectious diseases is crucial in combating antimicrobial resistance. Quaternized chitin nanofibers are a potential material for contact active antimicrobial surfaces, an effective strategy for preventing pathogen transmission through surfaces. Chitin offers advantages, such as wide availability, biodegradability, and non-toxicity, while contact active surfaces pose low risk for developing resistance. However, the antimicrobial activity of native chitin is limited to acidic conditions. To achieve broad spectrum antimicrobial properties, chitin must be chemically modified. This thesis discusses the manufacturing of quaternized chitin nano-fibers, chemical modification and antimicrobial surfaces.

The contact active killing mechanism of cationic antimicrobials is based on electrostatic interactions that disrupt the cell membrane, leading to cell death. The surface of chitin fibers can be functionalized with cationic substances, such as quaternary ammonium compounds, which enhance the antimicrobial abilities of chitin. Two quaternary ammonium compounds were chosen for the quaternization reactions, namely (2-chloroethyl)trimethylammonium chloride (CTMAC) and glycidyl trimethylammonium chloride (GTMAC). However, only the reaction with GTMAC worked.

Both unmodified and modified chitin fibers were analyzed with conductometric titration and FTIR spectroscopy. Based on the titration results, after quaternization primary amine content was reduced and on the FTIR spectra a peak shift from 2931 cm-1 to 2922 cm-1 was detected. These results indicate that the quaternization was successful.

Tartuntatautien leviämisen estäminen on välttämätöntä antimikrobisen resistenssin hillitsemiseksi. Kvaternääriset kitiinin nanokuidut ovat lupaava materiaali antimikrobiseksi pinnoitteeksi, jolla voitaisiin estää patogeenien leviäminen pintojen välityksellä. Menetelmän etuina ovat kitiinin laaja saatavuus, biohajoavuus ja myrkyttömyys sekä kontakti aktiivisten pintojen matala riski resistenssin kehittymiseen. Luontaisen kitiinin käyttöä kuitenkin rajoittaa sen antimikrobisten ominaisuuksien kapea skaala, sillä kitiini on aktiivinen vain happamissa olosuhteissa. Antimikrobisia ominaisuuksia voidaan kuitenkin vahvistaa muokkaamalla kitiinikuituja kemiallisesti. Tässä työssä käsitellään kvaternääristen kitiinin nanokuitujen valmistusta sekä kuitujen kemiallista muokkaamista ja antimikrobisia pintoja. Työssä perehdyttiin aiempaan kirjallisuuteen liittyen kitiiniin materiaalina sekä antimikrobisiin strategioihin pinnoitteissa. Kandidaatintyöhön sisältyy myös kokeellinen osuus, jossa valmistettiin kvaternäärisiä kitiinikuituja, joilla olisi vahvat antimikrobiset ominaisuudet.

Kontakti aktiiviset antimikrobiset pinnat perustuvat sähköiseen vuorovaikutukseen pinnan ja mikrobin solukalvon välillä. Useimmiten mikrobien solukalvo on negatiivisesti varautunut, joten voimakkaasti positiivisesti varautuneet materiaalit aiheuttavat solukalvon hajoamisen, joka johtaa solun kuolemaan. Voimakkaan positiivisen varauksen saavuttamiseksi kitiinikuitujen pinta voidaan funktionalisoida kationisilla yhdisteillä, kuten kvaternäärisillä typpiyhdisteillä (engl. quaternized ammonium compound). Tässä työssä käytettiin kahta kvaternääristä yhdistettä: (2,3-epoksipropyyli)trimetyyliammoniumkloridia (engl. glycidyl trimethylammonium chloride, GTMAC) ja (2-kloorietyyli)trimetyyliammoniumkloridia (engl. (2-chloroethyl)trimethylammonium chloride, CTMAC).

Työn kokeellisessa osiossa kitiini deasetyloitiin natriumhydroksidiliuoksessa primääristen amiinien määrän lisäämiseksi. Deasetyloituja kitiinikuituja yritettiin kvaternisoida CTMAC:lla ja GTMAC:lla, mutta vain GTMAC toimi. Sekä muokkaamatonta että muokattua kitiiniä analysoitiin konduktometrisen titrauksen ja FTIR spektroskopian avulla. Titrauksen perusteella primääristen amiinien määrä oli vähentynyt kvaternisaation jälkeen, joka viittaa substituutioon. FTIR spektrejä vertailtaessa havaittiin piikin siirtymä kohdasta 2931 cm-1 kohtaan 2922 cm-1. Tulokset viittaavat kvaternisaation onnistumiseen. Kvaternääristen kuitujen tehokkuuden määrittäminen erilaisia patogeenejä vastaan vaatii kuitenkin jatkotutkimuksia.