نیتروژن مایع با ایجاد شوک سرمایی شدید، ساختار و عملکرد بیوفیلم‌ها را مختل کرده و روشی مؤثر برای حذف پوشش‌های میکروبی مقاوم در کاربردهای صنعتی و پزشکی ارائه می‌دهد . سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09120253891
نیتروژن مایع به‌عنوان یکی از شناخته‌شده‌ترین مواد برودتی در علوم زیستی و مهندسی، نقش مهمی در انجماد، ذخیره‌سازی و تخریب مواد بیولوژیکی دارد. این ماده با نقطه جوش حدود ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد، ویژگی‌هایی دارد که آن را به یکی از پرکاربردترین مایعات سردکننده در تحقیقات زیست‌فناوری، پزشکی و صنایع میکروبی بدل کرده است. در سال‌های اخیر، بررسی تعامل نیتروژن مایع با ساختارهای پیچیده زیستی نظیر سلول‌ها، بافت‌ها و به‌ویژه بیوفیلم‌ها، اهمیت فراوانی یافته است.
بیوفیلم‌ها مجموعه‌هایی از سلول‌های میکروبی هستند که درون ماتریکسی از مواد پلیمری خارج‌سلولی (EPS) محصور شده‌اند و معمولاً روی سطوح زنده یا غیرزنده رشد می‌کنند. تعامل این پوشش‌های بیولوژیکی با نیتروژن مایع می‌تواند درک عمیق‌تری از رفتار فیزیکی، حرارتی و مولکولی سیستم‌های میکروبی در دماهای پایین ارائه دهد و کاربردهای بالقوه‌ای در زمینه‌های ضدعفونی، ذخیره‌سازی زیستی و حتی حذف آلودگی‌های میکروبی داشته باشد.
ماهیت نیتروژن مایع و ویژگی‌های فیزیکی آن
نیتروژن مایع حاصل تراکم گاز نیتروژن در دمای بسیار پایین است. این ماده در فشار اتمسفری در دمای حدود ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد به جوش می‌آید و در تماس با محیط، سریع تبخیر میشود و به دلیل چگالی پایین بخار، گرمای زیادی را از محیط اطراف جذب می‌کند. ویژگی‌های فیزیکی مهم نیتروژن مایع شامل ظرفیت حرارتی بالا، رسانایی حرارتی نسبتاً پایین و قابلیت انتقال سریع حرارت از سطوح تماس است. همین خصوصیات باعث میشود که تماس آن با مواد زیستی منجر به انجماد سریع و شوک حرارتی شود. در تعامل با بیوفیلم‌ها، این شوک حرارتی می‌تواند ساختار ماتریکس پلیمری و سلول‌های میکروبی را دچار آسیب‌های مکانیکی و ساختاری کند.
ساختار و ترکیب بیوفیلم‌ها
بیوفیلم‌ها یکی از پیچیده‌ترین ساختارهای زیستی در میکروبیولوژی محسوب می‌شوند. آن‌ها شامل اجتماع سلول‌های میکروبی هستند که درون یک شبکه چسبناک از پلی‌ساکاریدها، پروتئین‌ها، لیپیدها و DNA خارج‌سلولی جای گرفته‌اند. این ماتریکس به‌عنوان یک سد فیزیکی و شیمیایی، سلول‌ها را از استرس‌های محیطی مانند تغییرات دما، pH و مواد ضدعفونی‌کننده محافظت می‌کند. وجود چنین لایه‌ای موجب افزایش مقاومت بیوفیلم‌ها نسبت به شرایط شدید محیطی میشود. هنگامی‌که نیتروژن مایع با بیوفیلم تماس پیدا می‌کند، شوک سرمایی باعث تغییر در ساختار این ماتریکس شده و در برخی موارد به تخریب کامل آن منجر میشود. این پدیده بستگی مستقیم به ضخامت لایه بیوفیلم، ترکیب شیمیایی ماتریکس و نرخ سرمایش دارد.
فرآیند انتقال حرارت و شوک سرمایی در تماس نیتروژن مایع و بیوفیلم
در لحظه تماس نیتروژن مایع با بیوفیلم، یک گرادیان حرارتی بسیار شدید ایجاد میشود. سطح خارجی بیوفیلم به سرعت به زیر نقطه انجماد آب (۰°C) و سپس به زیر ۱۰۰- درجه سانتی‌گراد می‌رسد، در حالی که لایه‌های داخلی‌تر به علت هدایت حرارتی محدود، با تأخیر بیشتری سرد می‌شوند. این اختلاف دمایی می‌تواند منجر به تنش‌های حرارتی درون ساختار بیوفیلم شود. نتیجه این فرآیند، شکستن پیوندهای هیدروژنی و تخریب ساختارهای پلیمری ماتریکس است. همچنین، سلول‌های میکروبی محصور در بیوفیلم دچار تشکیل کریستال‌های یخ درون‌سلولی و برون‌سلولی می‌شوند که به غشای سلولی آسیب می‌رساند و منجر به مرگ سلولی گسترده می‌گردد.
در بسیاری از پژوهش‌ها مشاهده شده است که نیتروژن مایع نه تنها موجب انجماد، بلکه در اثر جوشش سریع خود، پدیده‌ای موسوم به اثر لیدنفراست (Leidenfrost effect) را ایجاد می‌کند که در آن لایه‌ای از بخار بین سطح گرم‌تر و نیتروژن مایع تشکیل میشود. این لایه ممکن است مانع تماس کامل نیتروژن مایع با سطح بیوفیلم گردد و در نتیجه الگوی انجماد ناهمگن ایجاد شود. درک این اثر در طراحی کاربردهای عملی مانند ضدعفونی سطحی یا تخریب بیوفیلم اهمیت بالایی دارد.
اثرات فیزیکی نیتروژن مایع بر بیوفیلم‌ها
انجماد سریع ناشی از نیتروژن مایع باعث میشود که درون ماتریکس بیوفیلم، حباب‌های میکروسکوپی و شکاف‌های ساختاری شکل بگیرد. این پدیده به دلیل افزایش حجم آب در زمان تبدیل به یخ رخ می‌دهد و در نهایت موجب ترک خوردگی، پوسته‌پوسته شدن و از بین رفتن پیوندهای بین‌مولکولی میشود. مشاهده‌های میکروسکوپی نشان داده‌اند که سطح بیوفیلم پس از تماس با نیتروژن مایع حالت خشن، متخلخل و شکننده به خود می‌گیرد. در بسیاری از موارد، سلول‌های میکروبی پس از ذوب مجدد بیوفیلم دیگر زنده نیستند، زیرا ساختار غشایی آن‌ها به طور برگشت‌ناپذیر تخریب شده است.
همچنین، انجماد سریع می‌تواند مانع بازآرایی مولکولی و سازگاری سلول‌ها با دمای پایین شود. در نتیجه، حتی اگر برخی سلول‌ها در عمق ماتریکس زنده بمانند، رشد مجدد بیوفیلم پس از بازگشت به دمای محیط با تأخیر یا عدم موفقیت همراه خواهد بود. این موضوع یکی از دلایل کاربرد نیتروژن مایع به‌عنوان ابزاری برای حذف بیوفیلم‌های مقاوم در تجهیزات صنعتی یا پزشکی است.
اثرات شیمیایی و مولکولی
در کنار اثرات فیزیکی، تغییرات دما بر واکنش‌های شیمیایی و پایداری مولکول‌های زیستی نیز تأثیر دارد. شوک سرمایی ناشی از نیتروژن مایع می‌تواند باعث دناتوره شدن پروتئین‌ها، تغییر در پیکربندی لیپیدهای غشایی و تخریب ساختارهای DNA خارج‌سلولی شود. کاهش ناگهانی دما منجر به افت تحرک یونی و کاهش نفوذپذیری غشاهای سلولی میشود. در برخی مطالعات، مشاهده شده است که انجماد در حضور نیتروژن مایع باعث شکستگی رشته‌های DNA درون بیوفیلم شده و در نتیجه، انتقال ژن‌های مقاومت بین سلول‌های میکروبی کاهش می‌یابد.
از سوی دیگر، ممکن است در هنگام ذوب مجدد، اکسیداسیون سطحی برخی ترکیبات رخ دهد. زیرا اکسیژن موجود در هوا هنگام تماس با سطح بسیار سرد ممکن است به شکل مایع متراکم شود و در زمان بازگشت دما، واکنش‌های اکسیداتیو خفیفی را القا کند. این اثرات، گرچه در مقیاس مولکولی رخ می‌دهند، اما در جمع بر رفتار کلی بیوفیلم اثرگذارند.
کاربردهای عملی نیتروژن مایع در حذف بیوفیلم‌ها
در صنایع غذایی، دارویی و پزشکی، تجمع بیوفیلم‌ها بر روی سطوح استیل، شیشه‌ای یا پلیمری یک چالش جدی محسوب میشود، زیرا منجر به آلودگی ثانویه، کاهش کارایی فرآیندها و افزایش مقاومت میکروبی می‌گردد. یکی از روش‌های نوین برای مقابله با این پدیده، استفاده از نیتروژن مایع برای انجماد و تخریب بیوفیلم‌ها است.
در کاربردهای صنعتی، نیتروژن مایع به‌صورت اسپری یا جریان متمرکز بر روی سطح آلوده اعمال میشود. دمای بسیار پایین آن سبب انجماد سریع و تخریب ماتریکس میشود. سپس با بازگشت دما به حالت عادی، لایه‌های آسیب‌دیده بیوفیلم از سطح جدا می‌شوند. این روش نسبت به روش‌های شیمیایی مزایایی دارد:
۱. عدم استفاده از مواد سمی یا خورنده،
۲. کاهش تولید پسماند،
۳. امکان استفاده در محیط‌های حساس مانند صنایع دارویی،
۴. سرعت بالا و بازده مؤثر در حذف لایه‌های مقاوم.
در پزشکی نیز از نیتروژن مایع برای حذف بیوفیلم‌های باکتریایی بر روی ابزارهای جراحی یا درمان ضایعات پوستی ناشی از عفونت‌های بیوفیلمی استفاده شده است. در این روش، سرمای شدید موجب مرگ میکروب‌ها بدون آسیب گسترده به بافت‌های اطراف میشود.
تأثیر بر خواص مکانیکی سطح و چسبندگی بیوفیلم
بررسی‌های آزمایشگاهی نشان داده‌اند که پس از تماس سطوح با نیتروژن مایع، زبری سطح و خواص مکانیکی آن تغییر می‌کند. سرمای شدید می‌تواند باعث انقباض سطح و ترک‌های میکروسکوپی شود که چسبندگی مجدد بیوفیلم را دشوار می‌سازد. از این‌رو، استفاده از نیتروژن مایع علاوه بر حذف بیوفیلم موجود، مانع از شکل‌گیری مجدد آن در مدت‌زمان کوتاه میشود.
مطالعاتی روی فولاد ضدزنگ و پلیمرهای صنعتی نشان داده‌اند که اعمال چرخه‌های سرمایشی سریع با نیتروژن مایع باعث کاهش انرژی سطحی و در نتیجه کاهش تمایل میکروارگانیسم‌ها به چسبیدن میشود. این اثر، در ترکیب با پوشش‌های ضدچسبندگی می‌تواند یک استراتژی پیشگیرانه مؤثر برای کنترل تشکیل بیوفیلم‌ها باشد.
بدون دیدگاه