Recentes avanços nas ciências médicas têm contribuído significativamente para que novas tecnologias de materiais e processos tecnológicos ganhem espaço. No âmbito da esterilização de materiais poliméricos termossensíveis, empregados na fabricação de ampla gama de produtos médico-hospitalares, os processos que operam sob temperaturas compatíveis com estes materiais, gás óxido de etileno e radiação ionizante, agregam desvantagens importantes envolvendo, respectivamente, aspectos de toxicidade ocupacional, ambiental e ao paciente, bem como alterações intrínsecas aos mesmos. O processo inovador e potencialmente compatível por gás plasma representa promissora alternativa, onde o agente letal agrega entidades altamente reativas provenientes de gás ionizado por aplicação de descarga elétrica e originalmente desprovido de atividade microbicida. O presente trabalho teve por objetivo proceder a estudos que permitam conhecimento da eficácia esterilizante de processos empregando plasma de O2 puro e sua mistura com H2O2 em produtos médico-hospitalares de natureza polimérica, configuração tubular, longa extensão e calibre reduzido. Os lumens desses materiais foram preenchidos com suportes vítreos (lamínulas de 8 x 18mm) intencionalmente contaminados com biocargas restritas de Bacillus subtilis var. niger ATCC 9372, que atuaram como biosensores, constituindo os monitores biológicos. Esses dispositivos foram submetidos a ciclos por plasma sob distintas combinações de parâmetros envolvendo distintos sistemas (RIE e ICP), potências de rádio-freqüência e tempos de exposição sub-letais. Após os ciclos esterilizantes, os monitores biológicos foram abertos e submetidos à análise microbiológica para a enumeração de possíveis esporos sobreviventes, usando o método do número mais provável (NMP), possibilitando o cálculo dos valores D (principal parâmetro de resistência de uma população microbiana). Adicionalmente, foram objeto de investigação polímeros distintos utilizados na confecção de produtos médico-hospitalares, a fim de esclarecer a influência do plasma sobre as características intrínsecas desses materiais. Foram selecionados o poli (cloreto de vinila) - PVC, polietileno de alta densidade (HDPE), polipropileno (PP), poliuretano (PUR) e policarbonato (PC). As amostras foram expostas em ambos sistemas de plasma (RIE e ICP) usando gás O2 puro e sua mistura gasosa O2/H2O2, potências de RF de 150W e 300W e tempo de exposição de 30 min. As amostras foram submetidas a espectroscopia fotoacústica no infravermelho, microscopia eletrônica de varredura, microanálise e perfilometria a fim de avaliar possíveis danos aos polímeros expostos, assim como citotoxicidade in vitro para esclarecer sobre a biocompatibilidade dos mesmos. Os resultados demonstraram que a eficácia esterilizante do plasma foi dependente do calibre dos monitores biológicos e das potências de RF aplicadas. Os menores valores D foram obtidos para os monitores biológicos de maior calibre (7mm) e potências de 150W/300W em ambos sistemas RIE e ICP, respectivamente. A mistura gasosa O2/H2O2 apresentou maior efeito microbicida quando comparada ao O2 puro em ambos sistemas de plasma. Paralelamente, a exposição ao plasma levou à modificação em nível superficial (oxidação e aumento da rugosidade) para todos os polímeros expostos. Foi observado efeito mais agressivo quando usando plasma gerado em sistema ICP usando mistura gasosa O2/H2O2. Os dados sugerem que a massa interna ou bulk de todos as amostras não foi afetada, assim como as alterações observadas não promoveram modificação na biocompatibilidade dos polímeros estudados. / The sterilization of heat sensitive materials like medical devices made of polymers has been under intense investigation regarding new technologies and sterilization agents, as far as mechanical problems and innocuity of currency processes such as ionizing radiation and ethylene oxide gas, respectively, are concerned. Plasma sterilization of medical devices is emerging as an attractive substitute to conventional sterilization technologies, once is recognized as an atoxic and low-temperature process. It uses different gases that are activated by an electrical discharge, generating reactive species which promote lethal effect on microorganisms. In this work, it was performed experimental studies to evaluate the sterilization effectiveness of pure O2 and O2/H2O2 mixture gas plasma against a standard load of 103 Bacillus subtilis var. niger ATCC 9372 spores inoculated on 8 x 18mm glass carriers placed inside and in central position of PVC catheters 64cm long with internal diameters of 7mm and 1mm. These assemblages simulated the challenge of medical devices as biological monitors. The gas plasma sterilization efficiency was studied as a function of plasma systems (RIE and ICP), radio frequency powers and sub-lethal exposition times. After sterilization, the biological monitors were disassembled and the survivors were growth in trypticase soy broth using the most probable number (MPN) technique. Hence, it was possible to calculate the time D required to decrease a given population by a factor of 10 (90% reduction). On the other hand, there was a need to evaluate the safety of plasma sterilization in terms of polymer damage. Materials used in this study were: polyvinylchloride (PVC), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polyurethane (PUR) and polycarbonate (PC). Samples were exposed to pure O2 and O2/H2O2 plasma sterilization using both plasma systems (RIE and ICP), radio frequency powers of 150W/300W and exposition time of 30 minutes. Fourier transform infrared photoacoustic spectroscopy (FT-IR/PAS), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and profilometry, which are surface and bulk characterization techniques, were used to study plasma sterilization polymers compatibility, as well as \"in vitro\" citotoxicity to acess the biocompatibility of exposed polymers. The results demonstrated that plasma antimicrobial activity depended on the inside catheters diameter and radio frequency powers. The smallest D values were obtained when using biological monitors of 7mm of internal diameter and 150W/300W of RF powers, in, respectively, RIE/ICP systems. The mixture O2/H2O2 exhibited higher microbicidal efficacy than pure O2 in both plasma systems. In addition, both plasma systems led to near-surface layers modification, with the increase of roughness and surface oxidation of all the polymers studied. ICP system and O2/H2O2 mixture were more effective to induce the surface modifications observed. The bulk of all polymers showed not to be affected by all plasma conditions used and the surface alterations did not affected the biocompatibility of all the polymers studied.

Recentes avanços nas ciências médicas têm contribuído significativamente para que novas tecnologias de materiais e processos tecnológicos ganhem espaço. No âmbito da esterilização de materiais poliméricos termossensíveis, empregados na fabricação de ampla gama de produtos médico-hospitalares, os processos que operam sob temperaturas compatíveis com estes materiais, gás óxido de etileno e radiação ionizante, agregam desvantagens importantes envolvendo, respectivamente, aspectos de toxicidade ocupacional, ambiental e ao paciente, bem como alterações intrínsecas aos mesmos. O processo inovador e potencialmente compatível por gás plasma representa promissora alternativa, onde o agente letal agrega entidades altamente reativas provenientes de gás ionizado por aplicação de descarga elétrica e originalmente desprovido de atividade microbicida. O presente trabalho teve por objetivo proceder a estudos que permitam conhecimento da eficácia esterilizante de processos empregando plasma de O2 puro e sua mistura com H2O2 em produtos médico-hospitalares de natureza polimérica, configuração tubular, longa extensão e calibre reduzido. Os lumens desses materiais foram preenchidos com suportes vítreos (lamínulas de 8 x 18mm) intencionalmente contaminados com biocargas restritas de Bacillus subtilis var. niger ATCC 9372, que atuaram como biosensores, constituindo os monitores biológicos. Esses dispositivos foram submetidos a ciclos por plasma sob distintas combinações de parâmetros envolvendo distintos sistemas (RIE e ICP), potências de rádio-freqüência e tempos de exposição sub-letais. Após os ciclos esterilizantes, os monitores biológicos foram abertos e submetidos à análise microbiológica para a enumeração de possíveis esporos sobreviventes, usando o método do número mais provável (NMP), possibilitando o cálculo dos valores D (principal parâmetro de resistência de uma população microbiana). Adicionalmente, foram objeto de investigação polímeros distintos utilizados na confecção de produtos médico-hospitalares, a fim de esclarecer a influência do plasma sobre as características intrínsecas desses materiais. Foram selecionados o poli (cloreto de vinila) - PVC, polietileno de alta densidade (HDPE), polipropileno (PP), poliuretano (PUR) e policarbonato (PC). As amostras foram expostas em ambos sistemas de plasma (RIE e ICP) usando gás O2 puro e sua mistura gasosa O2/H2O2, potências de RF de 150W e 300W e tempo de exposição de 30 min. As amostras foram submetidas a espectroscopia fotoacústica no infravermelho, microscopia eletrônica de varredura, microanálise e perfilometria a fim de avaliar possíveis danos aos polímeros expostos, assim como citotoxicidade in vitro para esclarecer sobre a biocompatibilidade dos mesmos. Os resultados demonstraram que a eficácia esterilizante do plasma foi dependente do calibre dos monitores biológicos e das potências de RF aplicadas. Os menores valores D foram obtidos para os monitores biológicos de maior calibre (7mm) e potências de 150W/300W em ambos sistemas RIE e ICP, respectivamente. A mistura gasosa O2/H2O2 apresentou maior efeito microbicida quando comparada ao O2 puro em ambos sistemas de plasma. Paralelamente, a exposição ao plasma levou à modificação em nível superficial (oxidação e aumento da rugosidade) para todos os polímeros expostos. Foi observado efeito mais agressivo quando usando plasma gerado em sistema ICP usando mistura gasosa O2/H2O2. Os dados sugerem que a massa interna ou bulk de todos as amostras não foi afetada, assim como as alterações observadas não promoveram modificação na biocompatibilidade dos polímeros estudados. / The sterilization of heat sensitive materials like medical devices made of polymers has been under intense investigation regarding new technologies and sterilization agents, as far as mechanical problems and innocuity of currency processes such as ionizing radiation and ethylene oxide gas, respectively, are concerned. Plasma sterilization of medical devices is emerging as an attractive substitute to conventional sterilization technologies, once is recognized as an atoxic and low-temperature process. It uses different gases that are activated by an electrical discharge, generating reactive species which promote lethal effect on microorganisms. In this work, it was performed experimental studies to evaluate the sterilization effectiveness of pure O2 and O2/H2O2 mixture gas plasma against a standard load of 103 Bacillus subtilis var. niger ATCC 9372 spores inoculated on 8 x 18mm glass carriers placed inside and in central position of PVC catheters 64cm long with internal diameters of 7mm and 1mm. These assemblages simulated the challenge of medical devices as biological monitors. The gas plasma sterilization efficiency was studied as a function of plasma systems (RIE and ICP), radio frequency powers and sub-lethal exposition times. After sterilization, the biological monitors were disassembled and the survivors were growth in trypticase soy broth using the most probable number (MPN) technique. Hence, it was possible to calculate the time D required to decrease a given population by a factor of 10 (90% reduction). On the other hand, there was a need to evaluate the safety of plasma sterilization in terms of polymer damage. Materials used in this study were: polyvinylchloride (PVC), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polyurethane (PUR) and polycarbonate (PC). Samples were exposed to pure O2 and O2/H2O2 plasma sterilization using both plasma systems (RIE and ICP), radio frequency powers of 150W/300W and exposition time of 30 minutes. Fourier transform infrared photoacoustic spectroscopy (FT-IR/PAS), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and profilometry, which are surface and bulk characterization techniques, were used to study plasma sterilization polymers compatibility, as well as \"in vitro\" citotoxicity to acess the biocompatibility of exposed polymers. The results demonstrated that plasma antimicrobial activity depended on the inside catheters diameter and radio frequency powers. The smallest D values were obtained when using biological monitors of 7mm of internal diameter and 150W/300W of RF powers, in, respectively, RIE/ICP systems. The mixture O2/H2O2 exhibited higher microbicidal efficacy than pure O2 in both plasma systems. In addition, both plasma systems led to near-surface layers modification, with the increase of roughness and surface oxidation of all the polymers studied. ICP system and O2/H2O2 mixture were more effective to induce the surface modifications observed. The bulk of all polymers showed not to be affected by all plasma conditions used and the surface alterations did not affected the biocompatibility of all the polymers studied.

С помощью объемного варианта сорбционного метода изучена сорбция воды пленками ПАА, ПАК, ПМАК и смесями ПАА-ПАК, ПАА-ПМАК разного состава. Измерены теплоты смешения образцов с водой с использованием микрокалориметра типа Тиана-Кальве. Рассчитаны разности химических потенциалов воды ∆µ1, полимеров и смесей ∆µ2, энергии Гиббса смешения полимеров с водой ∆gm. Определены энергии Гиббса, энтальпии и энтропии смешения компонентов в полимерных композициях. Показано, что сорбционная способность систем ПАА-ПАК, ПАА-ПМАК определяется их структурой и сродством к воде. ПАК ведет себя как плотноупакованный полимер, имеющий высокое сродство к воде, а сорбция воды ПМАК свидетельствует о менее плотной упаковке цепей и меньшему сродству к воде. Сорбция воды смесями немонотонно изменяется с составом композиции. Установлено, что смешение всех систем с водой сопровождается уменьшением энергий Гиббса (Δgm < 0), величина ∂2g/∂ω22 > 0, что указывает на образование термодинамически устойчивых систем. Чем б льше сорбционная способность полимера или смеси, тем более отрицательны величины Δgm. Обнаружено, что растворение в воде всех изученных систем сопровождается экзотермическим тепловым эффектом. Отклонения энтальпий смесей от аддитивности положительны для всех систем кроме смеси ПАА-ПМАК с ωПАА < 0,2, что свидетельствует о хорошем взаимодействии полимеров друг с другом. Установлено, что энергии Гиббса смешения ПАА с ПАК и ПМАК полученные двумя методами: с помощью расчета по энергиям Гиббса растворения систем и с помощью уравнения Флори-Хаггинса, хорошо коррелируют друг с другом. Показано, что что смешение ПАА с ПАК сопровождается экзотермическим тепловым эффектом во всей области составов и уменьшением энергии Гиббса вплоть до содержания 90% ПАА. При этом ∆gx и ∆hx близки по величине, и энтропийный вклад в совместимость компонентов T∆sx очень невелик. Таким образом, термодинамическая совместимость ПАА с ПАК обусловлена, главным образом, энергетическим взаимодействием компонентов. Обнаружено, что смеси ПАА-ПМАК образуются с отрицательной энергией Гиббса смешения (∆gx<0) и знакопеременной энтальпией смешения: при содержании ПАА менее 20% ∆hx > 0,а при содержании более 20% – ∆hx<0. Энтропия смешения положительна во всей области составов. / Using the volumetric version of the sorption method, water sorption was studied with PAM, PAA, PMAA films and PAM-PAA, PAM-PMAA mixtures of various compositions. The heats of mixing samples with water were measured using a Tiana-Calve type microcalorimeter. The differences between the chemical potentials of water ∆µ1, polymers and mixtures ∆µ2, Gibbs energy of mixing polymers with water ∆gm are calculated. The Gibbs energies, enthalpy, and entropy of mixing of the components in polymer compositions are determined. It was shown that the sorption ability of PAM-PAA, PAM-PMAK systems is determined by their structure and affinity for water. PAA behaves as a close-packed polymer with a high affinity for water, and the sorption of PMAA water indicates a less dense packing of chains and a lower affinity for water. Sorption of water mixtures non-monotonously changes with the composition. It was found that the mixing of all systems with water is accompanied by a decrease in Gibbs energies (Δgm <0), the value ∂2g/∂ω22> 0, which indicates the formation of thermodynamically stable systems. The greater the sorption capacity of the polymer or mixture, the more negative the Δgm values. It was found that dissolution of all the studied systems in water is accompanied by an exothermic thermal effect. Deviations of the enthalpies of the mixtures from additivity are positive for all systems except the PAM-PMAA mixture with ωPAM <0.2, which indicates a good interaction of the polymers with each other. It was established that the Gibbs energies of mixing PAM with PAA and PMAA were obtained by two methods: using the Gibbs energies of dissolution of systems and using the Flory-Huggins equation, they correlate well with each other. It was shown that the mixing of PAM with PAA is accompanied by an exothermic thermal effect in the entire composition range and a decrease in Gibbs energy up to the content of 90% PAM. Moreover, ∆gx and ∆hx are close in magnitude, and the entropy contribution to the compatibility of the components of T∆sx is very small. Thus, the thermodynamic compatibility of PAM with PAA is mainly due to the energy interaction of the components. It was found that PAM-PMAA mixtures are formed with a negative Gibbs mixing energy (∆gx <0) and an alternating mixing enthalpy: with a PAM content of less than 20%, ∆hx> 0, and with a content of more than 20%, ∆hx <0. The entropy of mixing is positive throughout the composition field.