抗菌ポリマー

細菌、真菌、ウイルスなどの微生物を殺したり、その増殖を阻害する能力を持つポリマーは、抗菌剤に分類されます。[ 1 ] [ 2 ]このクラスのポリマーは、固有の抗菌活性を持つ天然ポリマーと、抗菌活性を発揮するように改質されたポリマーで構成されます。[ 1 ]ポリマーは一般に不揮発性で、化学的に安定しており、化学的および物理的に改質して、望ましい特性と抗菌活性を発揮することができます。[ 2 ]抗菌ポリマーは、食品業界では細菌汚染を防ぐため、水衛生では飲料水中の微生物の増殖を抑制するために使用する主な候補です。[ 2 ]

作用機序

抗菌ポリマーは、主に2つのメカニズムを通じて細胞の成長を抑制し、細胞死を引き起こします。[ 3 ]最初のメカニズムは接触活性ポリマーによって利用されます。[ 3 ]接触活性ポリマーは、静電相互作用、疎水効果、およびキレート効果を利用します。静電引力は、抗菌ポリマーと微生物との一般的な初期相互作用です。[ 1 ]キレート効果と疎水効果は、抗菌ポリマーと微生物との一般的な二次相互作用です。[ 1 ]

カチオンに帯電した抗菌ポリマーは、アニオンに帯電した細菌細胞壁に引き寄せられます。 [ 4 ]細菌細胞の外壁は、正味の負電荷を帯びています。[ 5 ]細菌細胞の細胞質膜は負電荷を帯びており、必須タンパク質を含んでいます。[ 5 ]二次的な相互作用であるキレート効果は、抗菌ポリマーと微生物細胞との結合に関与しています。これらの相互作用は細胞膜の破壊につながり、最終的には細胞の増殖または死を抑制します。[ 5 ]

細胞の細胞膜は半透膜であり、溶質の細胞内への輸送を制御します。[ 5 ]リン脂質二重層は細胞膜の重要な構成要素であり、親水性の頭部と疎水性の尾部で構成されています。[ 6 ]親水性の頭部は細胞膜の内側と外側の裏地を形成し、疎水性の尾部は膜の内部を構成しています。[ 6 ]二次的な相互作用である疎水効果は、水から離れた非極性化合物の蓄積を伴います。[ 7 ]抗菌ポリマーの非極性成分は、細胞膜の非極性内部に挿入されます。

抗菌ポリマーと生体模倣ポリマーの静電的および疎水性相互作用により、膜破壊と細胞死を引き起こす。[ 8 ]

高分子量ポリマーは、一般的に細胞表面との接触活性相互作用を通じて細胞死または細胞阻害を誘発する。[ 1 ]細胞死と阻害は、正常な細胞機能の障害に起因します。ポリマー上の正の残基は、細胞上の負電荷と静電的に相互作用し、二次的な細胞効果を誘発します。[ 1 ]低分子量ポリマーでは細胞膜浸透が一般的です。[ 1 ]抗菌ポリマーと生体模倣ポリマーの最初の静電的および疎水性相互作用により、膜破壊と細胞死が発生します。[ 8 ]ポリマーの疎水性テールがリン脂質二重層を貫通して疎水性領域に入り込み、膜破壊、タンパク質および酵素の変性、およびその他の二次効果を引き起こします。[ 1 ] [ 4 ]二次効果には、溶質および電子輸送の破壊、および細胞死につながるエネルギー産生経路の妨害が含まれます。[ 1 ] [ 9

抗菌作用のメカニズムの模式図[ 10 ]は、ポリマーの抗菌メカニズムを示している。

2つ目のメカニズムは、ポリマーから低分子量の抗菌剤が放出されることを特徴とする。[ 3 ] [ 1 ]ポリマーから放出された抗菌剤は、細胞壁に結合または浸透することで細胞死を誘導する。抗菌剤がタンパク質に結合すると、細胞膜の構造変化が起こり、細胞死につながる。[ 1 ]ナノ粒子抗菌剤が細胞壁に浸透することで、抗菌剤が細胞DNAと相互作用できるようになる。微生物の死は、ポリマーナノ粒子がDNAと結合することでDNA転写とmRNA合成に影響を及ぼすことに起因する。[ 1 ]

抗菌ポリマーの主な特性

抗菌ポリマーには、作用機序に応じて異なる主要な特性があります。接触活性抗菌ポリマーの2つの主要な特性は、陽イオン電荷と疎水性です。陽イオン残基は、微生物細胞壁との相互作用を誘発するために必要です。第四級アンモニウム、第四級ホスホニウム、グアニジニウムなどのポリカチオンは、抗菌ポリマーによく見られます。[ 9 ]疎水性残基は脂質二重層への結合を改善し、微生物細胞壁への挿入に利用されます。[ 11 ]非接触活性抗菌ポリマーは、活性を誘発するために抗菌剤を添加する必要があります。一般的に添加される薬剤には、N-ハラミン化合物、一酸化窒素、銅および銀ナノ粒子などがあります。[ 3 ] [ 1 ]

抗菌ポリマーのクラス

抗菌性ポリマーは、抗菌活性の付与方法に基づいて、一般的に2つのカテゴリーに分類されます。[ 1 ] 1つ目は、抗菌活性を誘発するためにいかなる修飾も必要としない、本質的に抗菌性を有するポリマーです。もう1つのカテゴリーは、抗菌活性を誘発するために修飾を必要とし、修飾の種類によって区別されます。ポリマーは、抗菌活性を誘発するために化学的に修飾される場合もあれば、有機化合物または無機化合物を添加するためのバックボーンとして使用される場合もあります。[ 1 ]

固有の抗菌活性

固有の抗菌活性を持つポリマーには、キトサン、ポリ-ε-リジン、第四級アンモニウム化合物、ポリエチレンイミン、ポリグアニジンなどがある。[ 1 ]キトサンは、広範囲の抗菌スペクトルを示す無毒のポリマーである。[ 12 ] [ 1 ]キトサンの作用機序には、静電相互作用、キレート効果、疎水効果が含まれる。静電相互作用は、pH が低い場合の主な初期相互作用であるのに対し、キレート効果と疎水効果は、pH が高い場合の主な初期相互作用である。キトサンは、真菌、細菌、酵母の増殖抑制と死滅が確認されている。キトサンの抗菌効果は、酵母よりも真菌に対して大きく、グラム陽性細菌よりもグラム陰性細菌に対してより効果的である。[ 1 ]

ポリ-ε-リジンは、生分解性、無毒、食用の抗菌ポリマーです。[ 1 ]このポリマーは静電気相互作用を利用して細胞壁に付着し、細胞壁の完全性を破壊します。[ 13 ]ポリ-ε-リジンは細胞壁を貫通し、細胞に生理学的損傷を与え、死滅させます。[ 13 ]同様の合成ポリマーと比較して、ポリ-ε-リジンはグラム陰性菌よりもグラム陽性菌に対して効果的です。[ 1 ]ポリ-ε-リジンは、バチルス・コアグランス、バチルス・ステアロサーモフィルス、バチルス・サブチリスにも効果的です。[ 1 ]

塩化ベンザルコニウム、塩化ステアラルコニウム、セトリモニウムはいずれも窒素を含む第四級アンモニウム化合物である。[ 1 ]これらの化合物の抗菌活性は、炭素原子の数と窒素含有鎖の長さによって影響を受ける。[ 1 ]最適な抗菌活性は、一般に、8～18 個の炭素原子を含む長鎖の第四級アンモニウム化合物で見られる。[ 14 ]鎖長が 12～14 個の炭素原子であるポリマーではグラム陽性菌に対する活性が増加し、鎖長が 14～16 個の炭素原子であるポリマーではグラム陰性菌に対する活性が向上する。 [ 14 ]窒素を含むポリマー第四級アンモニウム化合物は、 静電相互作用と疎水効果によって細胞死を誘発する。[ 1

ポリエチレンイミンは、窒素を含む合成非生分解性ポリマーである。[ 1 ]このポリマーは細胞膜の破壊を通じて細胞死を誘導する。ガラスやプラスチックなどの固定表面に付着すると、N-アルキルポリエチレンイミンは空気中および水中の細菌や真菌のほぼ100%で細胞不活性化を引き起こした。[ 15 ]このポリマーの利点は、哺乳類細胞に対して無毒であることである。[ 1 ]ポリエチレンイミンは、医療業界では義肢に利用されている。ポリエチレンイミンを医療機器のコーティング表面として試験したところ、細菌の増殖が92%減少した。[ 1 ]ポリエチレンイミンの活性はポリマーの分子量によって影響を受け、低分子量ポリエチレンイミンはほとんど活性を示さないが、高分子量形態では優れた抗菌活性を示す。[ 16 ]

ポリグアニジンは、窒素を含む別のクラスの抗菌性ポリマーです。[ 1 ]このクラスの抗菌性ポリマーは無毒で、高い水溶性を示します。ポリグアニジンは広範囲の抗菌スペクトルを示し、最初は静電気力を使用して微生物と相互作用します。ポリグアニジンは、グラム陰性細菌よりもグラム陽性細菌に対して高い活性を示しました。この活性の違いの理由は、グラム陽性細菌とグラム陰性細菌の構造の違いに似ています。[ 1 ]グラム陰性細菌は、グラム陽性細菌よりもペプチドグリカン層が薄いです。[ 17 ]さらに、グラム陰性細菌は外側に脂質膜を持っていますが、グラム陽性細菌にはそれがありません。[ 17 ]高分子量のポリマーはグラム陽性細菌を透過できます。[ 1 ]

化学修飾による抗菌活性

このクラスのポリマーは、固有の抗菌活性を有しません。[ 1 ]抗菌活性を誘導するために、ポリマーは化学的に修飾され、活性剤を含有します。活性側鎖基がポリマー骨格に付加されることで、抗菌活性が発現します。ペンダント基、抗生物質、または無機粒子をポリマーに付加することも可能です。[ 1 ]

ポリマー骨格に結合されているペンダント基には、第四級アンモニウム、有機酸を含むヒドロキシル基などがある。[ 1 ]第四級アンモニウムを側基として含む抗菌性ポリマーは、一般的にメタクリルモノマーから合成される。[ 1 ]これらのモノマーの利点は、疎水性、分子量、表面電荷をすべて操作できることである。[ 18 ]ポリマーの疎水性は抗菌活性に大きく影響する。[ 18 ]第四級アンモニウムペンダント基を持つポリシロキサンは、Enterococcus hirae、E. coli、P. aeruginosaなどいくつかの細菌株に対して活性を示している。[ 1 ]このポリマーの柔軟性と両親媒性により、抗菌活性が強化される。有機酸を含むヒドロキシル基であるベンズアルデヒドをメチルメタクリレートポリマーの側基として使用すると、コントロール表面の 5 倍の増殖阻害が示された。[ 1 ]ベンズアルデヒドは本質的に抗菌活性を有しており、活性を向上させるためにポリマーに組み込まれてきました。[ 19 ]ペンダント基として有機酸を含む第四級アンモニウム基またはヒドロキシル基を持つポリマーは、多くの種類の細菌、真菌、藻類に対して活性を示しています。[ 1 ]

銀、銅、二酸化チタンナノ粒子などの無機粒子をポリマーに添加することでも抗菌活性を誘導することができます。[ 1 ]金属ナノ粒子をポリマーに組み込んでポリマーナノ複合材料を形成します。銀は、その安定性と広範囲の抗菌活性のために抗菌ポリマーに利用されています。[ 3 ]細菌の増殖に好ましい環境では、正の銀イオンが生成されます。[ 1 ]これらの正の銀イオンは細胞壁タンパク質と物理的に相互作用し、膜破壊と細胞死を引き起こします。[ 1 ]カチオン性ポリマーに埋め込まれた銀ナノ粒子は、大腸菌と黄色ブドウ球菌に対する活性を示しています。[ 3 ]銅と二酸化チタンナノ粒子は、銀ナノ粒子ほど抗菌ポリマーにはあまり使用されていません。[ 1 ]ポリプロピレンナノ複合材料に埋め込まれた銅ナノ粒子は、99.9% の細菌を殺す能力が実証されています。[ 1 ]二酸化チタンは光活性化抗菌活性を有する無毒の材料である。[ 3 ]二酸化チタンはポリプロピレンに埋め込まれ、光活性抗菌ポリマーが作られている。[ 1 ]このポリマー複合材料の抗菌活性は光源によって開始される。光源は二酸化チタンを酸化させ、その結果、細菌を破壊する反応性の高いヒドロキシル種が放出される。[ 20 ] [ 21 ]この光活性抗菌ポリマーの有効性は大腸菌に対して実証されている。[ 20 ]

抗菌性ポリマーの別のクラスには、ポリマーマトリックスに抗生物質を組み込むことで活性が導入されるものがあります。[ 1 ]化学物質トリクロサンは、その抗菌特性のために一般的に使用されています。スチレン-アクリレート共重合体と混合されたトリクロサンは、E. faecalisに対して抗菌活性を示します。さらに、ポリマーポリビニルアルコールと組み合わせたトリクロサンは、ポリマーに組み込まれていないトリクロサンと比較して抗菌活性が向上しました。ポリマーポリエチレンイミンも、抗生物質を含むように改変されています。[ 22 ]ポリエチレンイミンは、細菌細胞壁の透過性を高め、細菌の抗生物質に対する感受性を高めるために使用されます。 [ 22 ]ポリエチレンイミンは、アンピシリン、リファンピシン、セフォタキシムなどの抗生物質の効果を高めます。[ 1 ]

タンパク質模倣ポリマー

マガイニンとディフェンシンは天然ペプチドであり、アミノ酸から構成される短いポリマーで、非常に優れた抗菌活性を示す。[ 23 ]抗菌活性は、非常に剛性の高いバックボーンを含むペプチドの構造の産物である。[ 1 ]これらのペプチドは、ペンダント基が組織化されており、ポリマーの片側を疎水性にし、もう片側をカチオン性にする。[ 23 ]このグループのポリマーは、細胞壁浸透によって効率的に細胞死を誘導する。[ 1 ]これらの抗菌ペプチドのポリマー模倣体が開発されている。タンパク質模倣ポリマーは、マガイニンとディフェンシンの構造を模倣する。タンパク質模倣ポリマーの例には、ポリ（フェニレンエチニレン）ベースおよび N-カルボキシ無水物ベースのポリマーがある。アミノ酸ペンダント基を持つポリ（フェニレンエチニレン）ポリマーは、正に帯電した側鎖と剛性のバックボーンを持つように製造された。さらに、親水性アミノ酸リジンと様々な疎水性アミノ酸を結合させたN-カルボキシ無水物系ポリマーが開発され、大腸菌、カンジダ・アルビカンスなどに対して抗菌活性を示した。[ 1 ]

抗菌活性に影響を与える要因

分子量

抗菌活性は分子量に大きく依存するため、ポリマーの分子量は抗菌特性を決定する際に考慮すべき最も重要な特性の一つと言えるでしょう。ポリマーの分子量が1.4x10 4 Daから9.4x10 4 Daの範囲にある場合に、最適な抗菌活性が得られることが判明しています。この範囲を超える分子量では、抗菌活性が低下します。この分子量依存性は、殺菌作用に必要な一連のステップに起因しています。分子量が極端に大きいポリマーは、細菌の細胞壁や細胞質を透過して拡散することが困難です。そのため、ポリマーの分子量を制御するための多くの努力が払われてきました。[ 24 ]

対イオン

ほとんどの細菌細胞壁は負に帯電しているため、抗菌ポリマーの多くは吸着プロセスを促進するために正に帯電している必要がある。対イオン、つまり電荷のバランスをとるためにポリマーと結合したイオンの構造も抗菌活性に影響を与える。ポリマーと強いイオン対を形成する対アニオンは、ポリマーと細菌との相互作用を妨げるため、抗菌活性を阻害する。しかし、緩いイオン対を形成するイオン、またはポリマーから容易に解離するイオンは、ポリマーが細菌と自由に相互作用することを可能にするため、抗菌活性にプラスの影響を与える。[ 25 ] [ 26 ]

スペーサー長/アルキル鎖長

スペーサー長またはアルキル鎖長とは、ポリマー骨格を構成する炭素鎖の長さを指します。この鎖の長さがポリマーの抗菌活性に影響を与えるかどうかが調査されてきました。その結果、一般的にアルキル鎖が長いほど活性が高くなることが示されています。この効果には主に2つの説明があります。第一に、長い鎖には、細菌細胞壁や細胞膜への吸着に利用できる活性部位が多くあります。第二に、長い鎖は短い鎖とは異なる凝集様式を示すため、これもまた吸着に有利な場合があります。しかしながら、短い鎖長はより拡散しやすいという欠点があります。[ 25 ] [ 26 ]

デメリット

抗菌ポリマーの主な欠点は、高分子が非常に大きいため、低分子薬剤ほど速やかに作用しない可能性があることです。病原体を大幅に減少させるために数時間単位の接触時間を必要とする殺生物性ポリマーは、実際には実用的価値がありません。実際の用途では、接触時間は数秒、あるいは長くても数分が目標とされるべきです。さらに、殺生物性官能基化によってポリマーに生じる構造変化が意図された用途に悪影響を与える場合、そのポリマーは実用的価値を失います。例えば、抗菌性を持たせるために水性漂白剤にさらさなければならない繊維（N-ハラミンポリマー）が、その曝露によって強度が低下したり、染料が漂白されたりすると、その用途は限定的なものになります。[ 2 ]

合成方法

抗菌モノマーからの合成

この合成法では、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基などの高い抗菌活性を有する官能基を含む抗菌剤を、重合前に様々な重合可能な誘導体またはモノマーと共有結合させる。活性剤の抗菌活性は、重合によって低下するか増強されるかのいずれかである。これは、抗菌剤が細菌の栄養源を枯渇させるか、細菌膜を破壊するか、および使用されるモノマーの種類によって異なる。ホモポリマーと コポリマーを比較した場合、違いが報告されている。[ 2 ]抗菌モノマーから合成された抗菌ポリマーの例を表2に示す。

表2：抗菌性モノマーから合成されたポリマーとその抗菌特性

モノマー 阻害される微生物種 抗菌メカニズム ポリマーとモノマーの比較
真菌： C. albicans、 A. niger4-アミノ-N-(5-メチル-3-イソキサゾリル)ベンゼンスルホンアミドの徐放性 ホモポリマーはすべての濃度においてモノマーよりも効果的である。[ 27 ]
細菌：グラム陽性細菌、グラム陰性細菌ポリマー表面のスズ部分は細胞壁と相互作用します。 抗菌性モノマーとスチレンの共重合はモノマーの効力を低下させる。[ 28 ]
細菌: S. aureus ; P. aeruginosa ; E. coli ; ベンゾイミダゾール誘導体の存在はシトクロムP-450モノオキシゲナーゼを阻害するホモポリマーはモノマーよりも効果的である。[ 29 ]
細菌：グラム陽性細菌、グラム陰性細菌 細菌のDNAジャイレースと細胞増殖を阻害するノルフロキサシンの放出。[ 30 ]----
細菌：緑膿菌、ブドウ球菌有効成分は2,4,4'-トリクロロ-2'-ヒドロキシジフェニルエーテルホモポリマーおよびメチルメタクリレート、スチレンとの共重合体は、いずれもモノマーよりも効果が低い。[ 31 ]
細菌:S. aureus; P. aeruginosa; 有効成分はフェノール類です。 重合によりモノマーの抗菌活性は著しく低下する。[ 32 ]
細菌：大腸菌 ポリマーから生物の細胞壁への酸化ハロゲンの直接移動。 [ 33 ]----
細菌：大腸菌、黄色ブドウ球菌、チフス菌 8-ヒドロキシキノリン部分の放出 ホモポリマーとアクリルアミドとの共重合体はどちらもモノマーよりも効果が低い。[ 34 ]
細菌：グラム陽性細菌 有効成分はスルホニウム塩 このホモポリマーは、対応するモデル化合物（p-エチルベンジルテトラメチレンスルホリウムテトラフルオロボレート）よりも効果的である。[ 35 ]
細菌：口腔連鎖球菌 細胞壁に直接陽イオン結合し、細胞壁の破壊と細胞死を引き起こす。[ 36 ]----
細菌：黄色ブドウ球菌、大腸菌 カチオン系殺生物剤は細胞膜を標的とする。ポリマーペンダント基と脂質層の類似性により細胞壁への拡散が促進される。 モノマーは活性を示さないが、ホモポリマーは1mg/mLから3.9mg/mLの濃度で中程度の活性を示す。[ 37 ]
細菌：黄色ブドウ球菌、大腸菌 膜破壊[ 38 ]----
細菌：ブドウ球菌、大腸菌 高濃度塩素を固定化することで迅速な殺生物作用を可能にし、腐食性の遊離塩素を微量に水中に放出する[ 39 ]----

抗菌剤を予め成形したポリマーに添加して合成する

この合成法では、まずポリマーを合成し、その後活性種で修飾する。ホモポリマーまたはコポリマーの骨格を形成するために、通常、ビニルベンジルクロリド、メチルメタクリレート、2-クロロエチルビニルエーテル、ビニルアルコール、無水マレイン酸などのモノマーが用いられる。次に、ホスホニウム塩、アンモニウム塩、フェノール基などの抗菌種を、四級化、塩化物置換、または無水物の加水分解によって固定することで、ポリマーを活性化する。[ 2 ]この方法で合成されたポリマーの例を表3に示す。

表3：プレフォームポリマーから合成された抗菌性ポリマーと抗菌特性

ポリマー 阻害される微生物種 抗菌メカニズム
真菌: カンジダ・アルビカンス;アスペルギルス・フラバス; 細菌:黄色ブドウ球菌;大腸菌; B.枯草菌;フザリウム・オキシスポラム活性基：ホスホニウム基[ 27 ]
真菌:アスペルギルスフミガタスペニシリウム・ピノフィラムm-2-ベンゾイミダゾールカルバモイル基の放出。[ 40 ]
細菌：大腸菌、黄色ブドウ球菌 活性基：フェノール性水酸基[ 41 ]
細菌：大腸菌、黄色ブドウ球菌活性基：第四級アンモニウム基[ 42 ]
真菌： Trichophyton rubrum ;細菌：グラム陰性細菌 活性基：ホスホニウム基および第四級アンモニウム基。[ 43 ]

天然ポリマーへの抗菌剤添加による合成

四級化N-アルキルキトサン

キチンは自然界で2番目に豊富なバイオポリマーです。キチンの脱アセチル化物であるキトサンは、人体への毒性なしに抗菌活性を示すことが分かっています。この合成技術では、より優れた抗菌活性を得るためにキトサン誘導体を作製します。現在、アミン基へのアルキル基の導入による四級化N-アルキルキトサン誘導体の作製、キトサンへの四級アンモニウム基のグラフト化、フェノール性水酸基による修飾などの研究が行われています。[ 44 ]

抗菌剤をポリマー骨格に挿入して合成する

ポリマー骨格へのビチオノールの組み込み

この方法では、化学反応を利用して抗菌剤をポリマー骨格に組み込みます。ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタンなどの生物活性基を持つポリマーは、加水分解によって活性薬剤と無害な小分子に分解できるため、望ましい選択肢です。例えば、一連のポリケトンが合成・研究されており、枯草菌（B. subtilis）や蛍光菌（P. fluorescens）、そして真菌（A. niger ）やT. virideの増殖を阻害する効果を示しています。また、抗生物質をポリマー骨格に組み込む研究もあります。[ 45 ]

抗菌ポリマーの要件

抗菌ポリマーが大規模な流通と使用に適した選択肢となるためには、まず満たさなければならないいくつかの基本要件があります。

  • ポリマーの合成は容易かつ比較的安価であるべきである。工業規模で生産するためには、理想的には、既に十分に開発された技術を合成経路に活用する必要がある。
  • ポリマーは長期保存が可能で、長期間安定している必要があります。また、使用目的に応じた温度で保管できる必要があります。
  • ポリマーを水の消毒に使用する場合、毒性の問題を防ぐために水に溶けないものでなければなりません（現在の一部の小分子抗菌剤の場合と同様）。
  • ポリマーは使用中に分解したり、有毒な残留物を放出したりしてはなりません。
  • ポリマーは、取り扱い中に有毒または刺激性のものであってはなりません。
  • 抗菌活性は、その活性が失われた場合に再生できる必要があります。
  • 抗菌ポリマーは、短時間の接触で広範囲の病原微生物に対して殺生物性を示すはずである。 [ 2 ]

アプリケーション

水処理

ポリマー消毒剤は、様々な技術で製造でき、水に不溶性にすることができるため、手持ち式浄水器、表面コーティング、繊維状消毒剤への応用に最適です。反応性物質を消毒対象物に放出することなく、接触だけで標的微生物を不活性化、殺菌、または除去できる不溶性接触消毒剤の設計が求められています。塩素系または水溶性消毒剤は、たとえ少量であっても残留毒性の問題があります。[ 46 ]有毒残留物は、食品、水、および環境中に濃縮される可能性があります。さらに、遊離塩素イオンやその他の関連化学物質は、水中の有機物と反応して発がん性が疑われるトリハロメタン類似体を生成する可能性があるため、その使用は避けるべきです。これらの欠点は、不溶性物質を用いて水から微生物を除去することで解決できます。[ 47 ] [ 48 ]

食品用途

包装材料に配合される抗菌物質は、増殖速度と最大増殖個体数を減らすことで微生物汚染を抑制できる。これは標的微生物の誘導期を延長するか、接触した微生物を不活性化することで行われる。[ 49 ]これらの用途の1つは、肉やチーズなどの固形食品の表面と包装が接触しているときに微生物の増殖速度を減らすことで食品の賞味期限を延ばし安全性を高めることである。第2に、抗菌包装材料は加工製品の再汚染の可能性を大幅に減らし、製品汚染を排除するための材料処理を簡素化する。例えば、自己殺菌包装は無菌包装における過酸化物処理の必要性を排除する可能性がある。抗菌ポリマーは、自己消毒剤として食品加工機器の表面を覆うためにも使用できる。例としては、フィルターガスケット、コンベア、手袋、衣類、その他の個人衛生機器が挙げられる。

一部のポリマーは本質的に抗菌性を有し、フィルムやコーティングに使用されています。キトサンなどのカチオン性ポリマーは細胞接着を促進します。[ 50 ]これは、荷電アミンが細胞膜上の負電荷と相互作用し、細胞内成分の漏出を引き起こすためです。キトサンはコーティング剤として使用されており、新鮮な野菜や果物を真菌による劣化から保護する効果があるようです。この抗菌効果はキトサンの抗真菌作用によるものですが、キトサンが農産物に含まれる栄養素と微生物との間のバリアとして作用している可能性も考えられます。[ 51 ]

医療とヘルスケア

抗菌性ポリマーは、その高い活性のため、歯科修復材料における制御送達システムやインプラントの有力な候補です。これは、ポリマー鎖近傍に活性基の高い局所電荷密度を有するという特性に起因します。例えば、ポリ(エチレン-コ-ビニルアセテート)、ポリ(乳酸) 、およびこれらの混合物をベースにしたテトラサイクリン塩酸塩を含む電界紡糸繊維が、抗菌性創傷被覆材として使用するために調製されました。[ 52 ] [ 53 ]セルロース誘導体は、化粧品において皮膚および毛髪コンディショナーとして一般的に使用されています。第四級アンモニウムセルロース誘導体は、毛髪および皮膚製品のコンディショナーとして特に注目されています。

この分野における今後の研究

抗菌ポリマー分野は、ここ数年、着実に、しかしゆっくりと進歩しており、急速な拡大の瀬戸際にあるように思われます。これは、ここ数年間に合成・研究された多種多様な新しい化合物群によって証明されています。[ 54 ]

ポリマーや繊維表面の改質、そしてポリマー基質の多孔性、濡れ性、その他の特性を変化させることで、微生物の付着やバイオフィルム形成に対する耐性を高めたインプラントやバイオメディカルデバイスを開発できると期待されます。セルロースなどの材料に組み込むことができる多くのポリマーが開発されており、食品包装、繊維、創傷被覆材、カテーテルチューブのコーティング、そして滅菌が必須となる表面など、多くの分野で大きな進歩をもたらすことが期待されます。感染と闘う材料への需要の高まりは、抗菌性ポリマーの発見と利用を促進するでしょう。[ 2 ]

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