ИЗУЧЕНИЕ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА И ОКСИДА ЦИНКА НА ЦЕЛЛЮЛОЗНОМ НОСИТЕЛЕ

АННОТAЦИЯ

С использованием растворов очищенной натрий-карбоксиметилцеллюлозы (Na-KMЦ) содержащих наночастицы оксида цинка и серебра различных концентрациях и соотношениях были изучены антимикробные активности на рост и развитие условно патогенных и патогенных бактерий. Было показано, что наиболее высокой антимикробной активностью в отношении всех видов испытуемых бактерий оказался модифицированный раствор Na-КМЦ, содержащий 0,0648% стабилизированных наночастиц серебра. Также, высокой антибактериальной активностью обладает раствор Na-КМЦ, содержащий 0,039% стабилизированных форм наночастиц оксида цинка, проявляет ингибирующее действие по отношению бактерий Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus. Полученные данные могут найти практическое применение в медицинской практике в качестве изделий медицинского назначения с антибактериальными свойствами, а также для создания воздухопроницаемых биоматериалов с антимикробными активностями.

ABSTRACT

Were studied antimicrobial activities on the growth and development of conditionally pathogenic and pathogenic bacteria using solutions of sodium carboxymethyl cellulose (Na-CMC) containing zinc and silver oxide nanoparticles of various concentrations and ratios. It was shown that the modified Na-CMC solution containing 0.0648% of stabilized silver nanoparticles to have the highest antimicrobial activity against all types of tested bacteria. In addition Na-CMC solution containing 0.039% of stabilized forms of zinc oxide nanoparticles has a high antibacterial activity, showing an inhibitory effect on the bacteria Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus. The results data obtained can find practical application in medical practice as a medical device with antibacterial properties, as well as for the creation of breathable biomaterials with antimicrobial activities.

Ключевые слова: натрий-карбоксиметилцеллюлоза, модификация, матрица, импрегнирование, наночастицы серебра и оксида цинка, антимикробная активность.

Keywords: sodium carboxymethylcellulose, modification, matrix, impregnation, silver and zinc oxide nanoparticles, antimicrobial activity.

Введение

Известно, что микрофлора атмосферы воздуха, почвы, воды и других покрытий обильно засеяны микроорганизмами, которые имеют непосредственное влияние на окружающую среду, экологию, и самое главное на здоровье людей и теплокровных животных. Современные вентиляционные и кондиционированные системы, используемые для обеспечения приемлемой температуры и влажности воздуха в помещениях, одновременно улучшают качество воздуха, очищая его от различных механических и биологических частиц для обеспечения здоровья человека [1].

Бурный рост численности населения, аграрного сектора, химизация многих отраслей промышленности и сельского хозяйства привели не только к увеличению численности микобиоты, но и появлению агрессивных форм патогенных и условно патогенных микроорганизмов.

Поэтому, самой главной проблемой современной медицины, микробиологии и фармацевтики является появление и сильное размножение антибиотико- резистентных штаммов возбудителей различных инфекционных заболеваний

Следовательно, большой научно-практический интерес представляет создание современных фильтров из целлюлозных волокон, текстильных материалов и изделий, обладающих бактерицидной активностью против патогенных микробов и вирусов [2].  В работе Lee H.J с сотрудниками было показано, что бактерицидная и бактериостатическая активность целлюлозным материалам могут быть приданы посредством включения в их структуру ионов серебра с последующим их восстановлением до наночастиц [3].

С этой связи совместно с Институтом физики и химии полимеров АН РУз были проведены исследования по созданию новых профилактических агентов и средств путем определения бактерицидной активности гидрогелей натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в комбинации с наночастицами серебра и оксида цинка в разных концентрациях и соотношениях.

Исходя из этого, целью данной работы явилась изучение антибактериальных свойств, стабилизированных наночастиц ZnO и Ag, импрегнированный в структуру полимерной матрицы - натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), представленные сотрудниками Института химии и физики полимеров АН РУз.

Материалы и методы исследований

С целью определения бактерицидной активности наночастиц ZnO и Ag была исследована их способность подавлять рост условно патогенных бактерий Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli в течение 24-72 часов в поверхностных условиях культивирования.

В качестве антимикробных агентов были использованы следующие варианты гидрогелей с наночастицами серебра и оксида цинка на целлюлозном носителе, приготовленные в различных соотношениях и концентрациях:

1. 2%-гидрогель Na-КМЦ, содержащий наночастицы серебра (Ag) в концентрации 0,00648 %   в соотношениях (100:6),
2. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы цинка (ZnO) в концентрации 0,0195%  в соотношениях (100:3),
3. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы серебра (Ag) в концентрации 0,0648 %  в соотношениях (100:6),
4. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы цинка  (ZnO) в концентрации  0,039%  в соотношениях (100:3)

В качестве контрольного варианта был использован изотонический раствор хлорида натрия (0,9%) и другие процедуры опытов были проведены в идентичных условиях с опытными вариантами экспериментов.

Культуры тест штаммов - бактерий в количестве – 4 шт (Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli), были взяты из коллекции культур Института микробиологии АН РУз. Выросшие культуры бактерий на агаризованной селективной питательной среде (маясо-пептонный агар) в виде гомогенной культуры, использовали для приготовления суспензий в физиологическом растворе (0,9%), доводя концентрации клеток до 10⁵ КОЕ/мл, согласно стандарту мутности по Мак Фарланду [4].

Далее, с целью определения антимикробной активности наночастиц серебра и оксида цинка, импрегнированных в растворах 2,0 % Na-КМЦ были исследованы их свойства по ингибированию роста испытуемых бактерий в поверхностных условиях культивирования на благоприятных для них селективных средах. Для этого, приготовленные бактериальные суспензии (10⁵ КОЕ/мл), в количестве 100 мкл засевали сплошным газоном на поверхность стерильного питательного агара, залитый на чашки Петри.  После диффузии суспензии на поверхности агаризованной среды вырезали в толще сплошного агара лунки диаметром 8 мм и помещали в лунки по 100 мкл испытуемый гель в четырёх вариантах, т.е. наночастицы серебра и оксида цинка, приготовленные смешиванием по указанных выше количествах.

Далее, диффундировали раствор наночастиц в течение 30-40 минут до полной адсорбции, затем помещали чашки Петри с посевами в термостат – при 33℃ для наблюдения роста и развития испытуемых культур в течение 12-72 час. Через каждые 6-часов оценивали антимикробную активность образцов наночастиц на наличие или отсутствие зоны подавления роста испытуемых тест-культур бактерий. Для оценки сравнительной антимикробной активности наночастиц - гидрогелей и бактерий учитывали диаметр зоны подавления роста тест-культур вокруг лунок, наполненной с образцами гидрогелей, импрегнированные с наночастицами.

Результаты и их обсуждение

В ходе проведения микробиологических исследований по ингибированию роста условно патогенных и патогенных культур бактерий, выращенные поверхностном способом на чашках Петри, содержащей мясо-пептонный агар и оптимальные условия, количество клеток 10⁵ КОЕ/мл.   Было обнаружено, что в течение 24 часов наблюдения вокруг лунок с наночастицами металлов образовались зоны подавления роста тест культур   Bacillus subtilis, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosа  в различной степени. В отличие от этих трех культур, зона подавления роста культуры Staphylococcus aureus появилась позже, т.е.  через 48 часов культивирования. Полученные результаты экспериментов приведены в таблице.

Таблица.

Антимикробное действие различных вариантов гидрогелей 2%-Na-КМЦ с наночастицами (серебра и оксида цинка) на рост и развитие некоторых условно патогенных и патогенных бактерий

Изучение действия гидрогелей, импрегнированные с наночастицами серебра и оксида цинка на рост испытуемых патогенных бактерий показали, что образец №-1, состоящий из 2 % раствора Na-КМЦ, содержащей 0,00648% Ag в соотношении (100:6) оказал большее ингибирующее действие на рост бактерий P. aeruginosa,  зона подавления которого составила 4,5 мм, E. coli -  4,0 мм, и в меньшей степени оказывает действие на бактерии B. subtilis - 2,0 мм.

Образец №-2, раствор Na-КМЦ, содержащий 0,0195% стабилизированных наночастиц ZnO в соотношениях (100:3), обладает сравнительно меньшей антимикробной активностью против бактерий B. subtilis (0,7 мм), тогда как при 0,039% ZnO (100:3) зона подавления составила 1,5 мм (рис.1, 2-лунка). В случае испытания остальных двух культур наблюдали сплошной рост по всей поверхности чашки Петри.

Оказалось, что увеличение концентрации наночастиц серебра в растворе 2,0% Na-КМЦ в 10 раз - образец №-3, (рис.1, 3-лунка) до 0,0648% стабилизированных НЧ Ag в соотношении (100:6), обладает большей антимикробной активностью против всех испытуемых тест культур.

Так, например, при испытании образца №3 (Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)) зона подавления роста тест культур P. aeruginosa была наибольшей и составила 8,5 - 9 мм, по отношению к культуре E. coli, зона подавления роста  достигала 6,0 мм, в случае тестирования бактерии St. aureus, зона ингибирования роста составила 7,0-8,0 мм. Следует отметить, что зона подавления роста тест культуры B. subtilis была по сравнению с другими культурами наименьшей и составила 4,0 мм.

Оказалось, что образец №-4 (рис.1) раствор Na-КМЦ, содержащих 0,039% стабилизированных наночастиц ZnO в соотношении Na-КМЦ:ZnO (100:3)  обладает меньшей антимикробной активностью. Умеренное подавления роста наблюдали у бактерии B.subtilis - 1,5 мм и почти незаметное подавления у St. aureus - 0,2 мм.

Рисунок 1. Антибактериальная активность гидрогелей с наночастицами (Ag, ZnO) и зоны подавления роста тест- культур

Данные полученные по ходу выполнения экспериментов показали, что антибактериальная активность в сравнительном аспекте между испытуемыми наночастицами металлов и бактерий (по зонам подавления роста) распределялись следующим образом:

Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)> Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6)> Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)> Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

Таким образом, было установлено, что самой высокой антимикробной активностью обладает образец №3, т.е вариант Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6) против тест культур P. aeruginosa и St. aureus.

Полученные нами данные согласуются с литературными данными, в которых описывается бактерицидная и бактериостатическая активность целлюлозных материалов и изделий, посредством включения в их структуру ионов серебра [5]. Отмечено, что оксид цинка (ZnO) представляет большой интерес в применении во многих областях науки, техники и медицины в качестве воздух фильтрующего, функционального материала. Показано, что нано- и микрочастицы ZnO представляет интерес при разработке простых и эффективных методов для создания материалов с заданными свойствами [6].

Выводы

Установлено, что производные карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), импрегнированные с ZnO и ионами Ag оказывают антимиробное действие на некоторые условно патогенные бактерии. Наиболее высокой антимикробной активностью из представленных 8-образцов, различающихся по составу и концентрациям, высокой ингибирующей активностью отличается раствор 2,0 Na-КМЦ, содержащей 0,0648% наночастиц Ag в соотношении (100:6). Данный раствор подавляет рост и развитие всех испытуемых 4-х культур бактерий: Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli в течение 12 - 24 час культивирования.  Полученные данные могут быть рекомендованы в медицинской практике в качестве исходного изделия с антибактериальными свойствами.   

* Работа выполнена при финансовой поддержке международного проекта Узбекистан-Белоруссия № MRB-2021-548 “Создание модифицированных органическими и полимер-неорганическими покрытиями волокнистых материалов различного функционального назначения” (2021-2023 гг.) Министерства инновационного развития РУз.

Список литературы:

1. Barhate R.S., Sundarrajan S., Pliszka D., Ramakrishna S. //Fine chemical processing: The potential of nanofibres in filtration. Journal filtration and separation, 2008. 45(4), pp. 32–35.
2. Karin K. F. Methodology to perform clean air delivery rate type determinations with microbiological aerosols// Journal Aerosol Science and Technology, 1999, 30 (2), pp. 235-245.
3. Lee H.J., Yeo S.Y., Jeong S.H. Antibacterial еffect of nanosized silver colloidal solution on textile fabrics // Journal Materials Science, 2003, 38, pp.2199-2204.
4. Мирзоева А.Е. - Методы общей бактериологии // Москва 2002. 62 с.
5. Chavali M.S., Nikolova M.P., // Metal oxide nanoparticles and their applications in nanotechnology, Journal Materials Science and applied Sciences, 2019, 1(6), pp. 4-12.
6. Mahamuni, Pranjali P.; Patil, Pooja M.; Dhanavade, Maruti J.; Badiger, Manohar V.; Shadija, Prem G.; Lokhande, Abhishek C.; Bohara, Raghvendra A. (2019). // Synthesis and characterization of zinc oxide nanoparticles by using polyol chemistry for their antimicrobial and antibiofilm activity. Journal Biochemistry and Biophysics Reports, 2018, 17, pp. 71–80.