ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОМАТЕРИАЛОВ C СТАБИЛИЗИРОВАННЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА

 

АННОТАЦИЯ

Синтезированы стабильные наночастицы серебра в растворах, натрий-карбоксиметилцеллюлозе и хлопчатобумажных тканях, изучены их структуры и физико-химические свойства. Методами атомно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии исследованы морфология и размеры наночастиц серебра, образующихся в структуре натрий-карбоксиметилцеллюлозы и хлопковых волокнах.

Установлено, что в структуре натрий-карбоксиметилцеллюлозы формируются сферические наночастицы серебра размером 5–35 нм, а в хлопчатобумажной ткани образуется 0,0086 мас.% сферические наночастицы серебра размером 2–30 нм, проявляющие высокую бактерицидную активность. Стабилизация наночастиц серебра способствовала сохранению бактерицидной и бактериостатической активности модифицированных хлопчатобумажных тканей и текстиля, модифицированных карбоксиметилцеллюлозой, после пятикратной стирки.

Полученные бактерицидные целлюлозосодержащие биоматериалы, стабилизированные с наночастицами серебра, обладали противогрибковой и антибактериальной активностью, предотвращали появление неприятного запаха, снижали уровень болезнетворных микробов. Целлюлозосодержащие биоматериалы, содержащие стабильные наночастицы серебра, могут быть использованы в качестве индивидуальных антибактериальных масок для фильтрации воздуха.

ABSTRACT

Stable of silver nanoparticles in solutions containing sodium-carboxymethylcellulose and cotton fabric were synthesized, and their structure and physicochemical properties were studied. The morphology and sizes of the silver nanoparticles formed in sodium carboxymethylcellulose solutions and on cotton fibres were studied by atomic force microscopy and transmission electron microscopy.

The investigations showed that spherical silver nanoparticles with sizes of 5−35 nm were present in sodium carboxymethylcellulose solution, whereas 0.0086 wt.% spherical silver nanoparticles sized 2−30 nm formed in cotton fabric, exhibiting high bactericidal activity. Stabilization of silver nanoparticles was promoted, maintaining the bactericidal and bacteriostatic activity of the modified cotton fabrics and textiles after washing five times.

Stabilization of silver nanoparticles has preserved bactericidal and bacteriostatic activities during the washing of cotton fabrics and textiles on their base. The obtained bactericidal biomaterials, based on the cellulose-containing stabilized silver nanoparticles, possessed the antifungal effect, prevented offensive odour, decreased the level of pathogenic germs, and preserved the fungal disease. Cellulose containing stable silver nanoparticle-based biomaterials could be used as a face mask for air filtration.

 

Ключевые слова: биоматериалы, наночастицы, натрий-карбоксиметилцеллюлоза, целлюлозные материалы, нанокомпозиты, воздухопроницаемость.

Keywords: biomaterials, nanoparticles, sodium carboxymethylcellulose, cellulose materials, nanocomposites, air-permeable.

 

Введение

Индекс качества воздуха в крупных городах мира на сегодня значительно снизился, и высокий уровень загрязнения воздуха становится вредным для здоровья человека. С развитием промышленности, ростом населения и использованием автотранспорта загрязнение воздуха стало серьезной глобальной экологической проблемой [40]. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 90% населения мира ежегодно страдают от низкого качества индекса воздуха [42]. Твердые частицы и вредные микроорганизмы в составе воздуха являются одним из основных загрязнителей, в состав которых входят мелкие твердые вредные микрочастицы, микрокапли жидкостей, содержащие бактерии и вирусы [19]. Это обычно классифицируется как PM10 и PM2,5 в зависимости от его размера, который представляет собой диаметр частицы меньше или равное 10 и 2,5 мкм соответственно. Из-за своего небольшого размера PM могут проникать в легкие и бронхи при вдыхании, вызывая респираторные и сердечно-сосудистые заболеваний [34; 32].

При использовании различных методов защиты организма от твердых частиц, защитных средств из активированного угля, централизованных электронных систем очистки воздуха в той или иной степени обеспечивается очистка воздуха. Известные воздушные фильтры имеют наиболее проникающий размер частиц 0,15–0,2 микрометра [37], хотя считаются отличными фильтрами, они предназначены для удаления частиц размером более 0,2 микрометра.

Отопительные, вентиляционные и системы кондиционирования, широко используемые для обеспечения приемлемой температуры и влажности воздуха, одновременно улучшают качество воздуха в помещениях, очищая его от различных механических и биологических частиц для сохранения здоровья человека [27].

Следовательно, фильтрация переносимых по воздуху микроорганизмов широко изучается с использованием теории и математических моделей на основе общего гранулометрического состава [23]. Однако устойчивые бактерии, такие как Bacillus subtilis, могут существовать на фильтрующих материалах, сохраняя при этом свою жизнеспособность [41].

Кроме того, бактерии или споры плесени, попав на используемые фильтры, могут размножаться благодаря осажденной на них пыли, служащей источником питательных веществ при достаточной влажности [38].

Для предотвращения загрязнения воздуха биоаэрозолями используются воздушные фильтры, обработанные составами с антимикробными агентами. Показано, что антимикробная обработка волокнистых воздушных фильтров может подавлять рост микроорганизмов на них, использование противомикробных средств не вызывает значительной разницы в эффективности фильтрации для биоаэрозолей и инертных тестовых аэрозолей [28].

В настоящее время представляет большой практический интерес создание фильтров из целлюлозных волокон, текстильных материалов и изделий на их основе, обладающих бактерицидной активностью против патогенных микробов и вирусов [2]. При создании таких материалов в качестве полимерной подложки могут быть использованы природные целлюлозные волокна, текстильные материалы, а также изделия на их основе.

Бактерицидная и бактериостатическая активность целлюлозным материалам и изделиям могут быть приданы посредством включения в их структуру ионов серебра с последующим их восстановлением до наночастиц, взаимодействие которых с полимерной подложкой происходит за счет образования координационных связей [31].

В настоящее время установлено, что серебро и его соединения способны подавлять рост и уничтожать более чем 650 видов бактерий, вирусов и грибков, одновременно оставаясь микроэлементом, являющимся необходимой составной частью тканей практически всех живых организмов [7; 14].

Наночастицы серебра имеют чрезвычайно большую удельную площадь поверхности, что увеличивает область его контакта с бактериями, вирусами и грибками, значительно повышая его бактерицидное действие при снижении концентрации серебра в сотни раз [10]. Однако снижение размеров частиц серебра до наноразмеров существенно повышает скорость их агломерации за счет повышения поверхностной энергии.

Поэтому наиболее интересным как с научной, так и практической точки зрения является создание бактерицидных и бактериостатических текстильных материалов и изделий из целлюлозы и ее производных, содержащих стабилизированные наночастицы серебра для фильтрации воздуха [20].

Целью проводимых исследований является создание воздухопроницаемых антибактериальных биоматериалов на основе производных целлюлозы и целлюлозосодержащих хлопчатобумажных тканей, содержащих стабилизированные наночастицы серебра, и изучение их структуры и свойств.

Экспериментальная часть

Материалы и реактивы. В качестве полимерной подложки использованы целлюлозные волокна, целлюлозосодержащие хлопчатобумажные ткани (ЦХБТ), очищенная натрий-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ) с степенью замещения (СЗ)=0,65–0,85 и степенью полимеризации (СП)=200–600.

Для формирования наночастиц серебра (НЧAg) в растворах Na-КМЦ использованы водные растворы AgNO₃. В качестве тест-культур – микроорганизмы возбудителей заболеваний человека и животных: Staphylococcus epidermidis, Candida albicans.

Синтез стабилизированных НЧAg. Для синтеза стабилизированных НЧAg были использованы 0,1–0,4%-ный водные растворы очищенных образцов Na-КМЦ различной СЗ и СП после удаления гелевой фракции посредством их центрифугирования на лабораторной центрифуге Cenlee 20K (Китай) при скорости 8000 об/мин в течение 10 минут. Для этого в освобожденные от гелевой фракции растворы Na-КМЦ при перемешивании на лабораторной мешалке марки DLAB OS20-S (Китай) со скоростью 2000 об/мин были добавлены расчетные количества 0,1–0,001 моль/л водных растворов AgNO₃ до получения однородного раствора Ag⁺КМЦ^‒.

Фотохимическое восстановление ионов серебра в структуре Ag⁺КМЦ^‒ до наночастиц проводили при 25 ℃ посредством ультрафиолетового облучения ртутной лампой ДРШ-250 высокого давления 35 Вт и длине волны 365 нм. Для получения дисперсий НЧAg использовали ультразвуковое диспергирование растворов на УЗ-диспергаторе марки SONOPULS HD2000.2 (Германия) при мощности 44 кГц в течение 20 минут.

Получение бактерицидных материалов на основе тканей из хлопковолокна и Na-КМЦ, содержащих НЧAg. Полученным раствором опрыскивали ткань из хлопковолокна, и передали ее к отлежке на 60 мин, затем подвергали в течение 30 минут ультрафиолетовому облучению ртутной лампой ДРШ-250 и сушке при температуре 85–90 ℃.

Посредством обработки целлюлозных волокон и хлопчатобумажных тканей и изделий растворами, содержащими стабилизированные НЧAg, и последующей их термообработки получены сшитые, не растворимые в воде композиции целлюлозных тканей [24], обладающие бактерицидными и антигрибковыми свойствами.

Методы изучения физико-химических характеристик полученных образцов.

УФ-спектроскопические исследования. Размер и форму НЧAg в растворах Na-КМЦ контролировали методом УФ-спектроскопии на спектрофотометре Specord М210 в диапазоне длин волн от 200 до 900 нм. Длина оптического пути составляла 2 мм.

Микроскопические исследования. Морфологию поверхностных слоев нанометаллополимеров, размеры, форму и распределение НЧAg в хлопчатобумажных тканях и пленках, отлитых из растворов Na-КМЦ, Ag⁺КМЦ^‒ и Ag⁰КМЦ, изучали электронно-микроскопическим методом на просвечивающем электронном микроскопе ПЭМ-100 (Украина) и атомно-силовом микроскопе АСМ-5500 (Австрия). Коэффициент вариации определяли путем обработки соответствующих микрофотографий в программе MathCad.

Атомно-адсорбционные спектроскопические исследования. Cодержание НЧAg в хлопчатобумажных тканях определяли атомно-адсорбционной спектроскопией на спектрофотометре марки PERKIN-ELMER 3030 B (США) с пламенным анализатором (ацетилен-воздух).

ИК-Фурье-спектроскопические исследования. Пленки Na-КМЦ, Ag⁺КМЦ^‒ и Ag⁰КМЦ и порошки, полученные из хлопчатобумажных тканей, содержащих НЧAg, осуществляли с использованием ИК-Фурье-спектрометра Inventio-S (Bruker) в спектральном диапазоне 4000±500 см⁻¹.

Рентгеноструктурные исследования. Рентгеноструктурный анализ образцов проводили на приборе Miniflex600 фирмы Rigaku при 40 кВ и силе тока 15 мА, интервале 2θ, равном 5–44°.

Расчет степени кристалличности (СК) проводили по оценке интенсивности максимального пика и по формуле:

где  I_k и I_a – интенсивности кристаллического рефлекса и аморфного рассеяния соответственно;

K – поправочный коэффициент.

Размер кристаллитов определяли по формуле Шеррера:

где  L – эффективный размер кристаллита (Å);

λ = 1,5418 Å – длина волны;

2θ – брэгговский угол (град);

k – коэффициент, зависящий от формы кристаллита; k = 0,9;

β – ширина полувысоты пика (град).

Определение вязкости. Вязкость растворов Na-КМЦ определяли вискозиметрическим методом на стеклянном капиллярном вискозиметре ВПЖ-2 с диаметром капилляра 0,56 мм.

Определение антимикробной активности медицинских препаратов, содержащих ионы и НЧAg. В две пробирки с 10 мл тиогликолевой среды в две – с 10 мл среды Сабуро добавляли соответствующее количество исследуемого препарата НЧAg и вносили в каждую пробирку по 0,1 мл микробной взвеси соответствующего тест-штамма, содержащего 1000 клеток в 1 мл. Посевы в тиогликолевой среде инкубировали при температуре от 30 до 35 °С в течение 48 ч, а в среде Сабуро – при температуре от 20 до 25 °С в течение 72 ч. Контролем служили пробирки с питательными средами, в которые вместо данного препарата с НЧAg вносили аналогичное количество дистиллированной воды.

Бактерицидную активность хлопчатобумажных целлюлозных тканей, содержащих ионы и НЧAg, оценивали микробиологическим методом [6] на условно-патогенных тест-культурах Staphylococcus epidermidis и Candida albicans.

Результаты и обсуждение

Растворимость и степень чистоты являются одним из важнейших физико-химических параметров Na-КМЦ, определяющих возможность их переработки в продукты и изделия.

Исследован состав растворимых и нерастворимых фракций очищенных образцов Na-КМЦ различной СЗ и СП в воде.

На первом этапе исследований были получены растворы образцов Na-КМЦ различной СЗ, СП, в которых формировались стабилизированные НЧAg.

Таблица 1.

Влияние СЗ и СП Na-КМЦ на количество и состав растворимых и нерастворимых фракций в воде

 

Как видно из табл. 1, с увеличением СЗ доля растворимой фракции Na-КМЦ в воде увеличивается, а содержание нерастворимой гелевой фракции уменьшается. С увеличением СЗ доля гелевой фракции Na-КМЦ в воде уменьшается. Это можно объяснить тем, что с увеличением СЗ интенсивность водородных связей между макромолекулами Na-КМЦ уменьшается. Кроме того, состав и свойства гелевой фракции Na-КМЦ зависят от типа целлюлозного сырья и способа получения Na-КМЦ. Установлено, что в образцах Na-КМЦ с СЗ=0,85 и СП=610 содержание гелевой фракции меньше, чем в образце низкой СЗ. Это объясняется различием морфологических структур хлопковой целлюлозы и условиями ее карбоксиметилирования.

Выше описанные исследования явились основой для получения растворов Na-КМЦ, содержащих ионы и НЧAg, используемые в качестве полимерной подложки.

Далее были проведены исследования по формированию и стабилизации ионов и НЧAg в полимерных подложках Na-КМЦ и изучены их свойств.

Водные растворы Na-КМЦ проявляют свойства полиэлектролитов. Производные Na-КМЦ с ионами одновалентных щелочных металлов, таких как Na⁺, K⁺, NH₄⁺, хорошо растворимы в воде [12].

Соединения Na-КМЦ с поливалентными металлами, такими как кальций, магний, медь, свинец, цирконий, нерастворимы в воде из-за межмолекулярного сшивания. В воде они образуют гидрогели. Добавление ионов алюминия или железа вызывает образование плотного осадка [13].

Таблица 2.

Физико-химические характеристики Na-КМЦ, содержащие ионы серебра

 

В табл. 2 представлены характеристики образцов Na-КМЦ различной СЗ и СП, содержащих различные количества ионов серебра.

Изучены условия и глубина замещения катионов натрия на катионы серебра в растворах Na-КМЦ. Экспериментально установлено, что в случае Na-КМЦ со СЗ=0,65; 0,69; 0,85; 0,88 при замещении 0,35; 0,40; 0,50 моль% ионов Na⁺ на Ag⁺ образуется Ag⁺КМЦ^‒ в виде формоустойчивого гидрогеля, который, в отличие от солей щелочных металлов Na-КМЦ, плохо растворяется в воде, что, видимо, объясняется комплексообразующей способностью ионов серебра [11].

Как видно из табл. 2, границы образования гидрогелей Ag⁺КМЦ^‒ определяются как содержанием ионов серебра, так и молекулярными параметрами самой Na-КМЦ. С увеличением СЗ Na-КМЦ возрастает концентрация ионов серебра, необходимая для образования плохо растворимых в воде гидрогелей.

Многочисленные исследования подтверждают хорошие антимикробные и ранозаживляющие свойства систем, содержащие НЧAg [22]. Поэтому исследованы условия получения гидрогелей Ag⁺КМЦ^‒, содержащих стабилизированные НЧAg, с помощью фотохимических методов [25].

Сравнение различных методов восстановления ионов серебра до металлического состояния показало, что фотохимический метод является наиболее эффективным, продукты восстановления не загрязнены продуктами превращения восстановителя и отвечают предъявляемым требованиям медицины [3]. Синтезированные фотохимическим методом стабильные наночастицы по сравнению с коллоидными системами, полученными традиционным способом, в водной среде, видимо, должны отличаться узким распределением по размеру частиц и высокой стабильностью при использовании в качестве матрицы растворов ионогенных полимеров, которые одновременно выполняют функцию стабилизаторов формирующихся наночастиц.

По сравнению с химическими методами, использующими термодинамически и кинетически нестабильные системы, фотохимический способ позволяет контролировать ход процесса во времени и пространстве [9].

Известно, что в основе фотографического процесса в галогенидах серебра лежит образование коллоидных частиц серебра при длительном облучении фотонами выше запрещенной зоны. Этот электронно-стимулированный процесс образования коллоидных частиц был объяснен на основе теории Мотта–Герни [33].

Анализируя спектроскопические данные нанокомпозитов на основе НЧAg и Na-КМЦ, можно предположить, что отрицательный ион в карбоксиметильной группе является ловушкой для положительно заряженного иона серебра [17]. Тогда последовательность реакции по механизму Мотта–Герни будет следующей:

Таким образом, фотостимулированное образование НЧAg в Ag⁺КМЦ^‒ можно рассматривать как электронно-стимулированный атомный процесс, и его механизм можно представить на основе подхода Мотта–Герни к фотографическому процессу.

Формирование НЧAg в структуре Na-КМЦ было проведено при концентрации растворов 0,2–0,4%, обеспечивающих их свободный доступ как в межволоконные, так и межмолекулярные пространства текстильных изделий из целлюлозы при их пропитке.

Формирование наночастиц из ионов серебра в структуре разбавленных растворов Na-КМЦ различной СЗ (0,65–0,88) и СП (200–600) осуществляли методом фотохимического восстановления ионов серебра [16]. Установлено, что при добавлении ионов серебра в растворы Na-КМЦ происходит повышение вязкости системы за счет снижения растворимости Ag⁺КМЦ^‒ и появления межмолекулярных координационных связей с образованием поликомплексов.

Увеличение относительной вязкости растворов Na-КМЦ, содержащих катионы серебра, связано с ухудшением растворимости за счет образования межмолекулярных координационных связей между ионами серебра и карбоксилат-анионами макромолекул Na-КМЦ.

При УФ-облучении растворов Na-КМЦ, содержащих ионы серебра, образовывались довольно устойчивые системы НЧAg бледно-желтого цвета, содержащие в оптических спектрах максимум при λ_max=420±10 нм, характеризующий НЧAg размером 5–25 нм [35] (рис. 1, кривая 3). Также показано, что исходные растворы Na-КМЦ и Ag⁺КМЦ^‒ являются оптически прозрачными в диапазоне 250–900 нм (рис. 1, кривые 1, 2).

 

Время УФ-облучения для образца 25 мин,

концентрации [Na-КМЦ]=0,2 %; [AgNO₃]=1×10^‒2 моль/л

Рисунок 1. Спектры поглощения образцов: 1 – Na-КМЦ; 2 – Ag⁺КМЦ^‒; 3 – Ag⁰КМЦ

 

С увеличением времени фотооблучения окраска раствора изменяется от бледно-желтой до коричневой. Такие изменения, вероятно, связаны с увеличением количества и размеров образующихся НЧAg.

Для подтверждения данного предположения сняты спектры поглощения, соответствующие различным временам облучения системы Ag⁺КМЦ^– при концентрации Na-КМЦ 0,2% и азотнокислого серебра 1×10^‒2 моль/л (рис. 2).

На рис. 2 представлены УФ-спектры растворов Na-КМЦ, содержащих НЧAg, полученные фотооблучением через различные промежутки времени.

 

Концентрации [Na-КМЦ]=0,2%; [AgNO₃]=1×10^‒2 моль/л.

Время УФ-облучения 0 (1); 5 (2); 15 (3); 20 (4); 30 (5)

Рисунок 2. Спектры поглощения фотохимически восстановленных образцов Ag⁺КМЦ^‒

 

Как видно из рис. 2, через 5 минут фотооблучения в спектре наблюдается плечо в области λ_max=270 нм, которое можно отнести к стабилизированным полианионам заряженных кластеров серебра, предположительно Ag₈²⁺ [29], (рис. 2, кривая 2). Через 15, 20 минут в спектре наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения при λ_max=270 нм, что связано с образованием стабилизированных крупных кластеров серебра размером 2–8 нм [36] (рис. 2, кривая 2, 3).

Дальнейшее облучение приводит к появлению новых полос поглощения с максимумом в области λ_max=290 и λ_max=420 нм, которые относятся к более крупным кластерам [4] и НЧAg с размером 5–35 нм.

Однородность формирующихся наночастиц по размерам достигается благодаря тому, что макромолекулы Na-КМЦ, обволакивая НЧAg, создают вокруг них заряженные оболочки, препятствующие их агрегации. Повышение локальной концентрации Na-КМЦ вблизи НЧAg, с одной стороны, обеспечивает электростатическую и стерическую стабилизацию, а с другой – создает условия, в которых нельзя полностью исключить взаимодействие радикалов, образующихся при УФ-облучении Na-КМЦ.

Для оценки стабильности формирующихся НЧAg в полимерных подложках из Na-КМЦ были сняты УФ-спектры растворов Na-КМЦ, содержащих стабилизированные НЧAg (рис. 3), хранившиеся в течение различного времени.

 

Время УФ-облучения – 30 минут. Концентрации [Na-КМЦ]=0,2%; [AgNO₃]=1×10^‒2 моль/л.

Время хранения раствора: 1) один месяц; 2) два месяца; 3) шесть месяцев

Рисунок 3. УФ-спектры поглощения растворов Na-КМЦ, содержащих НЧAg, в зависимости от времени хранения

 

Как видно из рис. 3, форма и содержание НЧAg в растворах Na-КМЦ при длительном хранении в комнатных условиях остаются практически без изменений. На основании результатов экспериментальных исследований можно заключить, что в зависимости от молекулярной массы, степени замещения и соотношения компонентов Na-КМЦ и AgNO₃ можно регулировать размер и форму НЧAg, формирующихся в растворах Na-КМЦ при фотохимическом восстановлении.

Синтезированные фотохимическим методом НЧAg в растворах Na-КМЦ обладали высокой стабильностью и не были подвержены агломерации при хранении, в отличие от наночастиц, восстановленных из ионов серебра в водных растворах химическими агентами.

Анализируя спектроскопические данные нанокомпозитов на основе наносеребра и Na-КМЦ, можно предположить, что отрицательный ион в карбоксиметильной группе является ловушкой для положительно заряженного иона серебра.

Известно, что в основе фотографического процесса в галогенидах серебра лежит образование коллоидных частиц серебра при длительном облучении фотонами выше запрещенной зоны. Этот электронно стимулированный процесс образования коллоидных частиц был объяснен на основе механизма Мотта–Герни [15], суть которого состоит в следующем. В процессе фотохимического восстановления оптически генерированный электрон мигрирует и захватывается в электронную ловушку на границах раздела и около поверхности (рис. 4).

 

Рисунок 4. Предполагаемая схема образования НЧAg в структуре Na-КМЦ

 

Отрицательный заряд притягивается одним из межузельных ионов Ag⁺, присутствующих в термодинамическом равновесии, которой двигается к захваченному электрону [5]. Это первый шаг в последовательности, в которой электроны и междузельные атомы захватываются, образуя кластеры и НЧAg, которые составляют основу латентных изображений.

С целью определения формы и размеров НЧAg в структуре Na-КМЦ проведены исследования образцов с помощью атом-силового микроскопа. Полученные данные представлены на рис. 5.

 

Концентрации [Na-КМЦ]=0,2%; [AgNO₃]=1×10^‒2 моль/л.

Время УФ-облучения 20 (a) и 30 мин (b)

Рисунок 5. Микрофотографии растворов Na-КМЦ, содержащие НЧAg (а) и их распределения по размерам наночастиц (b)

 

Из микрофотографий видно, что при увеличении времени УФ-облучения до 20 минут образуются сферические наночастицы серебра (рис. 5, а) с размерами 2–20 нм. С дальнейшим увеличением времени УФ-облучения сферические наночастицы серебра приобретают более крупный диаметром с размером 5–35 нм и увеличивается их содержание (рис. 5, b).

Увеличение размера частиц, их агрегация и отклонение формы от сферических говорят о том, что формируемая макромолекулами оболочка с уменьшением концентрации комплексов Ag⁺КМЦ^‒, являющихся по существу центрами фотовосстановления и последующего роста наночастиц, становится менее плотной, что не исключает рост, коагуляцию и, возможно, коалесценцию частиц. Детальный механизм возникновения в этих условиях стержневидных частиц остается пока неясным.

Данный факт может быть объяснен тем, что при увеличении времени фотолиза в составе Na-КМЦ одновременному восстановлению подвергаются ионы серебра, как связанные с карбоксилат-анионами Na-КМЦ (нанореактор), так и несвязанные с Na-КМЦ катионы серебра. Эти процессы протекают с различной скоростью, что, видимо, приводит к повышению полидисперсности формирующихся НЧAg с размером 5–35 нм (рис. 5).

На основании результатов экспериментальных исследований можно заключить, что в зависимости от соотношения Na-КМЦ и AgNO₃ меняется размер и форма НЧAg, формирующихся в водных растворах при фотохимическом восстановлении Ag⁺.

Таким образом, размер и форма НЧAg, образующихся при фотохимическом восстановлении катионов серебра в системах Ag⁺КМЦ^‒, зависят от СЗ и концентрации раствора Na-КМЦ, концентрации Ag⁺ и времени фотохимического облучения.

Также установлено, что при сохранении концентрации карбоксилат-анионов в растворах Na-КМЦ с увеличением содержания катионов серебра в системе происходит одновременное увеличение как размеров НЧAg, так и их содержание. При этом наблюдается также изменение формы формирующихся НЧAg от сферической к стержневидой структуре [1].

На основании результатов исследований выбраны следующие условия формирования однородных по размерам НЧAg. Время УФ-облучения – 30 минут, содержание Na-КМЦ в растворе – 0,2%, содержание AgNO₃ в растворе – 0,016 масс.%. В выбранных условиях формируются сферические стабильные НЧAg с размером 5–35 нм.

Для получения бактерицидных хлопчатобумажных тканей, материалов и изделий их предварительно обрабатывали раствором Ag⁰КМЦ. При этом низкая концентрация раствора Na-КМЦ и размеры наночастиц и ионов серебра способствовали их проникновению как в межволоконные, так и межмолекулярные свободные пространства материалов и изделий из целлюлозы.

Полученные влажные хлопчатобумажные ткани и изделия подвергали дополнительному УФ-облучению, где происходило восстановление непрореагировавших ионов серебра в структуре подложки из Na-КМЦ.

Проведены исследования образцов с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Полученные данные представлены на рис. 6.

 

Рисунок 6. ПЭM снимки исходной х/б ткани (а) и НЧAg на поверхности х/б ткани (b)

 

Как видно из рис. 6, b, размер сферических НЧAg находится в пределах 2–30 нм при их содержании в хлопчатобумажных тканях 0,0086 масс.%.

Предполагаемая схема образования НЧAg в структуре хлопчатобумажных тканей, нитей и элементарных волокнах из целлюлозы представлена на рис. 7.

При обработке хлопчатобумажных тканей, нитей и волокон целлюлозы (рис. 7) раствором смеси Ag⁰КМЦ и Ag⁺КМЦ^‒ они проникают как в межнитевые пространства тканей (a), так и межволоконные пространства комплексных нитей, входящих в структуры тканей (b).

При этом установлено, что макромолекулы Na-КМЦ, содержащие как наночастицы, так и ионы серебра, способны проникать в межфибрилярные пространства элементарных волокон целлюлозы (c), которые являются «ловушкой» для наночастиц и ионов серебра.

При повторном фотооблучении влажных тканей ионы серебра, находящиеся на межнитевых, межволоконных и межфибрилярных пространствах, довосстанавливаются до наночастиц в структуре Na-КМЦ, которая после сушки переходит в нерастворимое состояние за счет образования межмолекулярных водородных и ковалентных связей между карбоксильными и гидроксильными группами макромолекул Na-КМЦ и целлюлозы. Этим объясняется устойчивость НЧAg в структуре тканей и изделий на их основе при многократных стирках.

 

Рисунок 7. Предполагаемая схема образования и фиксации НЧAg в структуре хлопчатобумажных тканей (a), комплексных нитей (b) и элементарных волокнах целлюлозы (c)

 

Бактерицидную активность полученных образцов хлопчатобумажных тканей, обработанных растворами Na-КМЦ, содержащих ионы и НЧAg, изучали на условно-патогенных тест-культурах Staphylococcus epidermidis и Candida albicans в лаборатории Института микробиологии АН РУз.

Для определения антимикробного действия образцы вносили в пробирки со средами тиогликолевой (для Staphylococcus epidermidis) и Сабуро (для Candida albicans) в следующих системах: 1. Контроль хлопчатобумажных тканей в физиологическом растворе; 2. Х/б ткань + Ag⁺, C_Ag+ = 0,0086 масс.%; 3. Х/б ткань + Ag⁰, C_Ag0 = 0,0086 масс.%; 4. Х/б ткань + Ag⁰, C_Ag0 = 0,086 масс.%.

В качестве контроля в те же среды добавляли физиологический раствор из расчета 10% NaCl по отношению к объему среды. Шестичасовые тест-культуры вносили с конечной концентрацией 150 кл/мл в каждую из пробирок. Пробы инкубировали при 34 °С 48 ч (для Staphylococcus epidermidis) и 72 ч (для Candida albicans).

В результате микробиологических исследований было показано, что все образцы обладают в той или иной степени антимикробной активностью по отношению к условно-патогенным микроорганизмам человека. Результаты испытаний образцов тканей представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Антимикробная активность хлопчатобумажных тканей, содержащих ионы и НЧAg, по отношению к штаммам Staphylococcus epidermidis и Candida albicans

* Примечание. КОЕ/мл – единица измерения, обозначает количество колониеобразующих единиц в одном миллилитре жидкости.

 

Как видно из данных, представленных в таблице 3, все образцы, кроме контрольного образца и образца № 2 (Х/б ткань+Ag⁺, C_%Ag+ = 0,0086), полностью подавляют рост дрожжевых грибов Candida albicans.

Низкие значения активности х/б тканей, содержащих ионы серебра, связанные с Na-КМЦ, объясняются, по-видимому, тем, что при контакте ионов серебра, связанных с поверхностью указанных штаммов, образуются координационные связи с функциональными группами, находящимися на поверхности штаммов [26]. Это приводит к быстрой инактивации ионов серебра [18].

В отношении Staphylococcus epidermidis образцы № 2, 3 и 4 подавляли рост бактерий на 72,0, 94,6 и 88,0% соответственно. Что касается образца № 3, то его антимикробная активность была очень высока в хлопчатобумажных тканях, которая составила по отношению к Staphylococcus epidermidis 94,6%. Это, вероятно, связано с тем, что НЧAg имеют наименьшие размеры [26] при их содержании в ткани в количестве 0,0086 масс.%.

Сопоставительная активность НЧAg различных размеров и форм представлена в таблице 4.

Как видно из таблицы 4, в контрольных образцах хлопчатобумажных тканей наблюдается сплошной рост как штаммов Staphylococcus epidermidis, так и грибов Candida albicans, что свидетельствует об отсутствии бактерицидной активности полимерной матрицы.

Таблица 4.

Сравнительные результаты бактерицидной активности хлопчатобумажных тканей с НЧAg различной формы и размеров в растворах Na-КМЦ

 

При исследовании хлопчатобумажных тканей, обработанных раствором Na-КМЦ, содержащих НЧAg размером 2–8 нм, установлено, что они проявляют бактерицидную активность против Staphylococcus epidermidis на 80% и выше по отношению к контролю, а в случае грибов Candida albicans проявляют бактерицидную активность на 98%.

Как видно из таблицы, наиболее активными по отношению к штамму Staphylococcus epidermidis и грибам Candida albicans являются хлопчатобумажные ткани, обработанные раствором Na-КМЦ, содержащие НЧAg сферической структуры размером 5–35 нм, что объясняется высокими значениями содержания НЧAg и их площади поверхности [8].

Хлопчатобумажные ткани, обработанные раствором Na-КМЦ, содержащие стержневидные НЧAg с размером 130–420 нм по длине и 15–40 нм по ширине, менее активны по сравнению с хлопчатобумажными тканями, обработанными растворами, содержащими НЧAg сферической структуры с размерами 5–35 нм. Но они более активны по сравнению с хлопчатобумажными тканями, обработанными растворами, содержащими НЧAg с размером 2–8 нм, что объясняется большим содержанием в них НЧAg.

Относительно высокая активность НЧAg (таблица 4) по отношению к ионам серебра (таблица 3), видимо, связана с тем, что:

• НЧAg не могут образовать химическую связь с функциональными группами [30] поверхности штаммов Staphylococcus epidermidis и грибов Candida albicans и, вероятно, способны проникать в ядра их клеток и подавлять их рост и активность;
• снижение размеров НЧAg способствует повышению суммарной площади их поверхности [39] и их проникновению в ядра клеток [21] вышеуказанных штаммов.

Сопоставительная активность хлопчатобумажных тканей после многократной стирки представлена в таблице 5.

Как видно из таблицы 5, после пятикратной стирки (х/б ткань +Ag⁰) за счет вымывания с поверхностей волокон полимерной матрицы НЧAg их содержание уменьшается с 0,0086 до 0,0023.

Таблица 5.

Сравнительные результаты бактерицидной активности хлопчатобумажных тканей после шестикратной их стирки

 

Бактерицидная активность образцов (х/б ткань+Ag⁰) сохраняется после 2-кратной стирки для штамма Staphylococcus epidermidis и 4-кратной стирки для штамма Candida albicans.

При стирке х/б тканей, содержащих НЧAg, более пяти раз за счет уменьшения содержания в них НЧAg они проявляют бактериостатические свойства по отношению к указанным штаммам.

Заключение

1. Впервые получены растворы Na-КМЦ и биоматериал, обладающие бактерицидными и воздухопроницаемыми свойствами, на основе очищенной Na-КМЦ и изделия из целлюлозосодержащего хлопковолокна посредством формирования в их структуре НЧAg различной формы и размеров под воздействием ультрафиолетового облучения.
2. Показано, что при взаимодействии ионов серебра с карбоксилат-анионами макромолекул Na-КМЦ протекает реакция замещения с образованием металлокомплексов Ag⁺КМЦ^‒, которые под воздействием ультрафиолетовых лучей подвержены восстановлению с формированием НЧAg. Установлено, что восстановлению в первую очередь подвержены замещенные катионы серебра в макромолекулах Na-КМЦ, которые выполняют роль «нанореакторов», где отрицательный ион карбоксиметильной группы по теории Мотта–Герни является «ловушкой» для положительно заряженных ионов серебра и процесса фотостимулированного формирования НЧAg. Разработан УФ-спектроскопический метод контроля формы и размеров НЧAg в процессе их восстановления.
3. Установлено, что в зависимости от концентрации полимерной подложки, ионов серебра и условий УФ-облучения в структуре Na-КМЦ формируются стабилизированные НЧAg сферической формы с оптимальными размерами 5–35 нм. Выявлены условия формирования НЧAg различной формы и размеров в зависимости от параметров реакции взаимодействия компонентов и фотохимического восстановления.
4. Установлена корреляционная зависимость между размером и формой НЧAg в структуре Na-КМЦ и их антибактериальной активностью. Показано, что снижение размеров НЧAg способствует повышению их антибактериальной активности при одинаковых их концентрациях в полимерной матрице, что объясняется разницей значений площади поверхности наночастиц различной формы и размеров.
5. Выявлен стабилизирующий эффект полимерной матрицы Na-КМЦ, основанный на взаимном отталкивании НЧAg, формирующихся в «нанореакторах» за счет отрицательного заряда полимерной подложки. Установлено, что гидрогели, содержащие НЧAg, при хранении в течение длительного времени не изменяют форму и размеры НЧAg в структуре Na-КМЦ за счет взаимного отталкивания одноименных зарядов полимерной матрицы.
6. Установлено, что введение в структуру х/б тканей и изделий на их основе стабилизированных НЧAg способствует приданию им бактерицидных и бактериостатических свойств, которые определяются содержанием, формой и размерами НЧAg. Стабилизация НЧAg в структуре полимерной подложки способствует сохранению бактерицидной и бактериостатической активности при многократной стирке х/б тканей и изделий на их основе из воздухопроницаемого биоматериала.
7. На основании результатов исследований найдены оптимальные условия получения бактерицидных и бактериостатических х/б тканей на их основе. Растворы Na-КМЦ, содержащие НЧAg, могут найти широкое применение в медицинской практике в качестве изделий медицинского назначения с антибактериальными свойствами, а также для создания воздухопроницаемых биоматериалов с противовирусными и 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» (01.12.2021–30.11.2023 гг.) Министерства инновационного развития РУз.

 

Список литературы:

1. Влияние концентрации прекурсора на формирование НЧAg с олигостирилмонокарбоксилатными лигандами в эпоксидном олигомере эд-20 / Л.И. Кузуб, Л.Л. Гурьева, И.И. Ходос, Э.Р. Бадамшина // Высокомолекулярные соединения. – 2020. – № 62 (3). – С. 222–229.
2. Кузин М.П., Кузин М.И., Костюченок Б.М. Раны и раневая инфекция // Патогенез раневого процесса. – М. : Медицина, 1990. – 592 с.
3. Логинов А.В., Горбунова В.В., Бойцова Т.Б. Методы получения металлических коллоидов // Журнал общей химии. – 1997. – № 67 (2). – С. 189–200.
4. Лопатина Л.И., Сергеев В.Г. Влияние молекулярной массы и строения полиакриловой кислоты на образование «синего серебра» // Вестник Московского университета. Серия 2 «Химия». – 2010. – № 51 (5). – С. 398–401.
5. Механизм влияния ультрафиолетового облучения на рост и свойства наночастиц серебра в полимерных растворах / Б.Л. Оксигенлер, Н.Н. Тураева, Х.Э. Юнусов [и др.] // Республиканская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы химии, физики и технологии полимеров» (г. Ташкент, 9–10 ноября 2009 г.). – Ташкент : ИХФП АН РУ, 2009. – С. 82–85.
6. Мирзоева А.Е. Методы общей бактериологии. – М., 2002. – 62 с.
7. Мосин О. Физиологическое воздействие наночастиц серебра на организм человека / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nanonewsnet.ru.
8. Наночастицы серебра, формированные на полимерных матрицах, и их бактерицидные свойства / Х.Э. Юнусов, А.А. Атаханов, А.А. Сарымсаков [и др.] // Фармацевтический журнал. – Узбекистан, 2010. – № 1. – С. 55–59.
9. Получение наночастиц серебра в водных растворах полиакриловой кислоты / Б.М. Сергеев, М.В. Кирюхин, А.Н. Прусов, В.Г. Сергеев // Вестник МГУ, серия «Химия». – 1999. – № 40 (2). – С. 129–133.
10. Препараты серебра вчера, сегодня, завтра / А.Б. Щербаков [и др.] // Фармацевтичний журнал. – 2006. – № 5. – С. 45–57.
11. Пятницкий И.В., Сухан В.В. Аналитическая химия серебра. – М. : Наука, 1975. – 264 с.
12. Роговин З.А. Химия целлюлозы. – М. : Химия, 1972. – 518 с.
13. Сарымсаков А.А. Средне- и низкозамещенная карбоксиметилцеллюлоза: получение, свойства и применение : монография. – Ташкент : ИХФП АН РУз, 2005. – 179 с.
14. Серебро в медицине / Е.М. Благитко, В.А. Бурмистров, А.П. Колесников [и др.]. – Новосибирск : Наука-Центр, 2004. – 256 с.
15. Физико-химические исследования производных хлопковой целлюлозы, содержащие наночастицы серебра / Х.Э. Юнусов, А.А. Атаханов, Н.А. Ашуров [и др.] // Химия природных соединений. – Узбекистан, 2011. – № 3. – С. 370–373.
16. Фотохимический синтез наночастиц серебра в водных растворах поликарбоновых кислот. Влияние полимерной матрицы на размер и форму частиц / Б.М. Сергеев, М.В. Кирюхин, Ф.Н. Бахов, В.Г. Сергеев // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2 «Химия». – 2001. – № 42 (5). – С. 308–314.
17. Юнусов Х.Э., Рашидова С.Ш., Сарымсаков А.А. Синтез и физико-химические свойства наночастиц серебра, стабилизированных раствором Na-карбоксиметилцеллюлозы // Узбекский химический журнал. – 2009. – № 3. – С. 15–20.
18. A mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions on Escherichia coli and Staphylococcus aureus / Q.L. Feng, J. Wu [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research. – 2000. – № 52 (4). – P. 662–668.
19. Airborne Particulate Matter: Sources, Atmospheric Processes and Health / Eds. R.M. Harrison, R.E. Hester, X. Querol. 1st ed. – Royal Society of Chemistry : Cambridge, U.K., 2016.
20. Antibacterial composite cellulose fibers modified with silver nanoparticles and nanosilica / E. Smiechowicz, B. Niekraszewicz, P. Kulpinski [et al.] // Cellulose. – 2018. – № 25. – P. 3499–3517.
21. Bioconjugated nanoparticles for attachment and penetration into pathogenic bacteria / Mei Lin, Lu Zhentan, Zhang Wei [et al.] // Biomaterials. – 2013. – № 34 (38). – P. 10328–10337.
22. Biomedical applications of silver nanoparticles (Review) / D.T. Rejepov, A.A. Vodyashkin, A.V. Sergorodceva, Ya.M. Stanishevskiy // Drug development & registration. – 2021. – № 10 (3). – P. 176–187.
23. Brown R.C., Wake D. Air filtration by interception – theory and experiment // J. Aerosol Science. – 1991. – № 22 (2). – P. 181–186.
24. Cellulose–Silver Composites Materials / A. Salama, R.E. Abouzeid, M.E. Owda [et al.] // Preparation and Applications. Biomolecules. – 2021. – № 11. – P. 1684.
25. Courrol L.C., de Oliveira Silva F.R., Gomes L. A simple method to synthesize silver nanoparticles by photo-reduction // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2007. – № 305 (1–3). – P. 54–57.
26. Dubas S.T., Kumlangdudsana P., Potiyaraj P. Layer-by-layer deposition of antimicrobial silver nanoparticles on textile fibers // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspect. – 2006. – № 289. – P. 105–109.
27. Fine chemical processing: The potential of nanofibres in filtration / R.S. Barhate, S. Sundarrajan, D. Pliszka, S. Ramakrishna // Journal filtration and separation. – 2008. – № 45 (4). – P. 32–35.
28. Karin K. Foarde. Methodology to Perform Clean Air Delivery Rate Type Determinations with Microbiological Aerosols // Journal Aerosol Science and Technology. – 1999. – № 30 (2). – P. 235–245.
29. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. – Berlin : Springer, 1995. – 533 p.
30. Lee H.J., Jeong S.H. Bacteriostasis and Skin Innoxiousness of Nanosize Silver Colloids on Textile Fabric // Textile Research Journal. – 2005. – № 75. – P. 551.
31. Lee H.J., Yeo S.Y., Jeong S.H. Antibacterial Effect of Nanosized Silver Colloidal Solution on Textile Fabrics // J. Mater. Sci. – 2003. – № 38. – P. 2199–2204.
32. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution / C.A. Pope III, R.T. Burnett, M.J. Thun, E.E. Calle [et al.] // Jama. – 2002. – № 287. – P. 1132–1141.
33. Mott N.F., Gurney R.W. Electronic processes in ionic crystals. – Oxford University Press, New York City, 1940. – 276 p.
34. Particulate matter air pollution and cardiovascular disease: an update to the scientific statement from the American Heart Association / R.D. Brook, S. Rajagopalan, C.A. Pope, J.R. Brook [et al.] // Circulation. – 2010. – № 121. – P. 2331–2378.
35. Physicochemical properties and antimicrobial activity of nanocomposite films based on carboxymethylcellulose and silver nanoparticles / K.E. Yunusov, A.A. Sarymsakov, J.Z.O. Jalilov, A.A.O. Аtakhanov // Polymers for Advanced Technologies. – 2021. – № 32 (4). – P. 1822–1830.
36. Radiation-induced synthesis of mono- and multi-metallic clusters and nanocolloids / J. Belloni, M. Mostafavi, H. Remita, J.-L. Marignier // New Journal of Chemistry. – 1998. – № 22 (11). – P. 1239–1255.
37. Schweinheim C. Setting standards for HEPA filter efficiency // Filtr. – Sep. 2015. – № 52. – P. 13–15.
38. Sizing and filtration of microbiological aerosols / D. Wake, A.C. Redmayne, A. Thorpe, J.R. Gould [et al.] // J. Aerosol Science. – 1995. – № 26 (S1). – P. 529–530.
39. The bactericidal effect of silver nanoparticles / J.R. Morones, J.L. Elechiguerra, A. Camacho [et al.] // Nanotechnology. – 2005. – № 16. – P. 2346–2353.
40. The Lancet Commission on pollution and health / P.J. Landrigan, R. Fuller [et al.] // Lancet. – 2018. – № 391. – P. 462–512.
41. Vaughan N.P., Brown R.C. Observations of the microscopic structure of fibrous filters // Filtration and Separation. – Sept. 1996. – P. 741–748.
42. World Health Organization, Ambient air pollution: a global assessment of exposure and burden of disease. – 2016.