КОЛЛОИДНЫЙ РАСТВОР НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА, МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕРНЫЙ НАНОКОМПОЗИТНЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ, БАКТЕРИЦИДНЫЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА И БАКТЕРИЦИДНАЯ ПЛЕНКА ИЗ МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА

Настоящее изобретение относится к коллоидному раствору наночастиц серебра и металл-полимерным нанокомпозитным пленочным материалам и способам их получения, а также бактерицидному составу на основе коллоидного раствора и бактерицидной пленке из металл-полимерного материала и позволяет получать однородные по размеру и форме наночастицы серебра, включенные в матрицу полимера-стабилизатора. Бактерицидный состав на основе коллоидного раствора наночастиц металлов может найти широкое применение, в частности, в качестве стерилизующей среды или антибактериального компонента в различных составах. Так, коллоидный раствор наночастиц серебра, стабилизированный карбоксиметилхитином, в который при необходимости могут быть введены добавки, может найти применение для приготовления бактерицидных жидких пластырей, которые используют при первичной обработке небольших повреждений кожи в быту и на производстве с целью предотвращения инфицирования раневой поверхности. Такие бактерицидные жидкие пластыри применяют в виде концентрированного раствора всех компонентов либо в форме аэрозоля. Бактерицидная пленка из композитного пленочного материала может быть использована в качестве биодеградирующего (рассасывающегося) покрытия на раны и ожоги, выполненного в форме одно- или двухслойного покрытия. При этом возможно его сочетание с другими биодеградирующими полисахаридами (хитозан, альгинат и др.).

Кроме того, коллоидный раствор, содержащий наночастицы серебра, может быть использован для создания проводящих чернил, которые могут найти применение в электронике и оптоэлектронных приложениях для получения гибких и растягивающихся микроэлектродов, передающих сигналы от одного элемента цепи к другому. Печатные микроэлектроды могут выдерживать неоднократные сгибания и растяжения с минимальным изменением их электрических свойств. Металл-полимерный пленочный материал, содержащий наночастицы серебра, может найти применение во многих областях, таких как оптика, электроника, создание сенсоров и многое другое.

Известно много способов получения коллоидных частиц металлов. В зависимости от условий, способствующих образованию и стабилизации наночастиц металлов в растворах, методы получения наночастиц можно разделить на две основные группы: обратно-мицеллярные системы, где процесс восстановления ионов металлов в наночастицы протекает в водном ядре мицеллы, а растущие наночастицы окружены оболочкой из молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ) [М.Р.Pileni The role of soft colloidal templates in controlling the size and shape of inorganic nanocrystals. Naturematerials, 2003, V.2, P. 145-150]; системы, использующие в качестве стабилизатора наноразмерных частиц синтетические и природные полимеры [Wu С., В.Р.Mosher, К.Lyons, Т.Zeng. Reducing ability and mechanism for polyvinylpyrrolidone (PVP) in silver nanoparticles synthesis. J. Nanosci. Nanotechnol. 2010. V.10. №4. P.2342-2347]. Суть способа, описанного в [Е.М.Egorova, A.A.Revina. Mechanism of the interaction of quercetin with silver ions in reverse micelles Russian Journal of Physical Chemistry A. 2003. V.77. №9. P.1513-1521], заключается в образовании обращенных мицелл наноразмерных металлических частиц путем восстановления ионов металла из водного раствора нитрата серебра, диспергированного в неполярном углеводороде в обратных мицеллах ПАВ - бис-2-этилгексил сульфосукцината натрия (аэрозоль ОТ). Описанный способ обращенных мицелл широко известен и позволяет получать однородные как по размеру, так и по форме наночастицы металлов. Однако получаемый коллоидный раствор содержит большое количество неполярного растворителя - изооктана, что существенным образом ограничивает возможности применения таких систем в медицине и косметике. Кроме этого, поскольку в качестве стабилизатора в таких системах используется ПАВ, то недостатком таких систем является необходимость преодоления несовместимости органических коллоидных растворов наночастиц с водными растворами полимеров для получения разнообразных по форме материалов (пленок, волокон, губок и т.д.).

Для устранения этих недостатков в качестве стабилизатора наночастиц металлов используют синтетические и природные полимеры. При таком способе стабилизации наночастиц металлов в растворе в качестве восстановителя могут быть использованы как химические реагенты, так и различные виды излучений высоких энергий, в частности гамма-излучение.

Среди химических реагентов-восстановителей в таких системах наиболее часто используются гидразин, водород и боргидриды [Т.Hasell, J.Yang, W.Wang, P.D.Brown, S.M.Howdle. A facile synthetic route to aqueous dispersions of silver nanoparticles Mater. Lett. 2007. V.61. №27. P.4906-4910; A.Pal, S.Shah and S.Dev. Synthesis of Au, Ag and Au-Ag alloy nanoparticles in aqueous polymer solution. Col. Surf. A. 2007. V.302. 1-3. P.51-57]. Однако наночастицы металлов, получаемые химическим восстановлением, могут быть загрязнены примесями как исходных восстановителей, так и токсичных продуктов реакции.

Важным преимуществом радиационно-химического восстановления металлсодержащих наночастиц является возможность синтеза наночастиц металлов с хорошей воспроизводимостью в твердых средах (например, полимерных матрицах, пленках) и при низких температурах, а также получение целевого продукта, лишенного примесей, сопутствующих химическим методам восстановления.

Известно, что хитин нерастворим в обычных растворителях, что ограничивает область его практического применения. Кроме того, N-деацетилированное производное хитина - хитозан, растворяется в водных растворах только при рН менее 6,5. Поэтому для дальнейшего его использования в медицине и косметике требуется удаление избыточной кислоты, что влечет за собой изменение формы и размера получаемого материала. В отличие от хитина и хитозана их карбоксиметилированные производные, в частности карбоксиметилхитин, наряду с низкой токсичностью отличается хорошей растворимостью в воде, что подтверждает перспективность его использования в качестве стабилизатора наночастиц металлов.

Наиболее близкими к предложенному изобретению являются коллоидный раствор, способ его получения, бактерицидный состав на его основе, металл-полимерный композитный материал, способ его получения и бактерицидная пленка из него, описанные в патенте [М.S.Lee et all. Colloid solution of metal nanoparticles, metal-polymer nanocomposites and methods for preparation thereof. Patent № US 7348365. 2008]. Суть способа получения коллоидного раствора заключается в восстановлении наночастиц серебра из его солей, в том числе нитрата серебра, в водных растворах в присутствии в качестве стабилизатора следующих полимеров - поливинилпирролидон, полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, полиметилакрилат с последующим барботированием сквозь раствор азота или аргона. Для восстановления ионов серебра в наночастицы металлов использовали гамма-излучение. Согласно данному изобретению наночастицы серебра могут быть получены как в виде коллоидного раствора, так и в виде металл-полимерной твердой композитной пасты или тонкой пленки. Металл-полимерный материал получают путем растворения соли серебра и полимера-стабилизатора в воде, барботирования через раствор азота или аргона и гамма-облучения. Полученные состав и пленка являются бактерицидными. К недостаткам прототипа следует отнести то, что используемые полимеры не относятся к числу биодеградирующих систем, что сужает границы их применения в медико-биологической области. Помимо этого, предложенный ряд полимеров не позволяет получать из них изделия различной формы, а именно волокна, губки, гидрогели и т.д.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение нетоксичного коллоидного раствора наночастиц серебра и на его основе бактерицидного состава, биодеградирующего композитного пленочного материала и бактерицидной пленки на его основе, содержащей наночастицы серебра, однородные по форме и размеру, использование которых в хирургии при лечении ран и ожогов позволит:

- обеспечить пролонгированное антимикробное действие и избежать риска инфицирования раневой поверхности патогенной микрофлорой;

- поддерживать поступление в область раны кислорода, необходимого для процесса заживления;

- ускорить процессы регенерации и эпитализации;

- исключить необходимость травмирующей процедуры снятия пленки ввиду достаточно быстрой биодеградации пленки вплоть до полного ее разложения на заживляемой поверхности.

Решение указанной выше задачи достигается применением нетоксичного [S.Tokura, S.Nishimura, N.Sakairi, N.Nishi. Biological activities of biodegradable polysaccharide. Macromol. Symp.1996. V.101. P.389-96], биодеградирующего [P.A.Sandford In: G.Sjak-Braek, T.Anthonsen, P.A.Sandford, editors. Chitin and chitosan. London: Elsevier Applied Science. 1989. p.51-69] водорастворимого производного хитина - карбоксиметилхитина - в качестве полимерной матрицы-стабилизатора для синтеза наночастиц серебра, а также в качестве пленкообразующего материала. Карбоксиметилхитин может быть получен из хитина с использованием одностадийного метода [Г.А.Вихорева, Д.Ю.Гладышев, М.Р.Базт, В.В.Барков, Л.С.Гальбрайх. Влияние активирующих добавок на структуру и реакционную способность хитина и хитозана и синтез их карбоксиметилированных производных. Cellulose Chem. Technol. 1992. V.26. №6. P.663-674]. Известно, что карбоксиметилхитин находит применение в качестве биосенсоров [Н.Y.Xie, J.G.Liang, Y.Liu, Z.L.Zhang, D.W.Pang, Z.K.He et al. Preparation and characterization of overcoated II-VI quantum dots. J. Nanosci. Nanotechnol. 2005. V.5. №6. P.880-886], носителя лекарств [S.Tokura, Y.Miura, М.Johmen, N.Nishi, S.I.Nishimura. Induction of drug specific antibody and the controlled release of drug by 6-O-carboxymethyl-chitin. J. Control. Release. 1994. 28. №1-3. P.235-241], имплантатов в тканевой инженерии для восстановления костных тканей [S.Tokura, Н.Tamura O-carboxymethyl-chitin concentration in granulocytes during bone repair. Biomacromolecules 2001. V.2. №2. P.417-421] и т.д.

В способе получения коллоидного раствора наночастиц серебра, включающем растворение нитрата серебра AgNO₃ и полимера-стабилизатора в воде, барботирование инертного газа через слой полученного раствора и последующее гамма-облучение раствора с восстановлением ионов серебра в наночастицы серебра, в качестве полимера-стабилизатора используют карбоксиметилхитин при его концентрации в водном растворе 0,1-3 мас.% растворение AgNO₃ осуществляют до концентрации 3,5-10,1 мМ в растворе карбоксиметилхитина, а указанное гамма-облучение - дозой 2-12 кГр.

До барботирования в полученный раствор могут добавлять спирт: изопропиловый спирт или этанол, или этиленгликоль.

Заявлен также коллоидный раствор наночастиц серебра, полученный этим способом.

Заявлен также бактерицидный состав на основе коллоидного раствора.

В способе получения металл-полимерного нанокомпозитного пленочного материала из коллоидного раствора наночастиц серебра в полученный раствор наночастиц серебра добавляют раствор карбоксиметилхитина в воде концентрации 2-4 мас.% и получают пленочный материал путем формования и удаления воды испарением до достижения влажности 10 мас.%.

Заявлен также металл-полимерный нанокомпозитный пленочный материал, полученный этим способом.

Заявлена также бактерицидная пленка из металл-полимерного нанокомпозитного пленочного материала.

Для получения коллоидного раствора наночастиц серебра используют хорошо растворимую в воде соль - нитрат серебра AgNO₃ и водорастворимый полимер карбоксиметилхитин со средневесовой молекулярной массой Mw 50000-450000, использующийся в качестве стабилизатора наночастиц серебра.

Согласно настоящему изобретению, используют раствор полимера в воде в концентрациях от 0,1-3 мас.%. При использовании более низких концентраций менее 0,1 мас.% стабилизирующий эффект полимера значительно снижался, так, в частности, при концентрации 0,05 мас.% образования наночастиц серебра не наблюдалось. Использование более высоких концентраций больше чем 3 мас.%, приводило к нежелательным процессам ассоциации и образованию более крупных частиц. После этого в раствор полимера добавляют спирт, такой как изопропиловый спирт, этанол, или этиленгликоль. При использовании любого из перечисленных спиртов результаты существенным образом не меняются. Известно, что спирты служат перехватчиками гидроксильных радикалов, образующихся при гамма-облучении.

Процесс формирования наночастиц серебра состоит в генерировании сольватированных электронов в растворителе (в воде) при действии гамма-облучения и последующем их взаимодействии с ионами серебра в растворе. Присутствие в подобных системах полимера-стабилизатора предотвращает нежелательную агломерацию и увеличение размера образующихся наночастиц серебра. При радиационном облучении в растворе могут образовываться не только электроны, но и радикалы. С целью инактивации радикалов используют гасители радикалов, например спирты. Присутствующий в реакционной среде кислород удаляют продувкой (барботированием) аргоном или азотом, чтобы предотвратить побочные реакции окисления.

Для получения коллоидного раствора наночастиц серебра берут водный раствор нитрата серебра, так чтобы концентрация нитрата серебра в растворе карбоксиметилхитина составляла 3,5-10,1 мМ. Если концентрацию нитрата серебра AgNO₃ берут меньше указанного интервала, количество образующихся наночастиц существенным способом уменьшается. Если концентрацию нитрата серебра AgNO₃ берут больше указанного интервала, наблюдается образование более крупных наночастиц серебра и даже образование осадка.

Полученный раствор, содержащий карбоксиметилхитин и нитрат серебра в концентрации 3,5-10,1 мМ в растворе карбоксиметилхитина, продувают аргоном 1,5-3 часа и тщательно герметизируют. В качестве инертного газа с тем же результатом могут быть использованы азот и гелий.

Затем полученный раствор подвергают гамма-облучению в дозе от 2-12 кГр. В результате получают коллоидный раствор однородных по форме наночастиц серебра с размером частиц 1-5 нм.

Бактерицидный состав представляет собой коллоидный раствор наночастиц серебра, в который при необходимости могут быть введены добавки, например канифоль, глицерин и т.д.

Металл-полимерный пленочный композитный материал получают путем добавления водного раствора карбоксиметилхитина с концентрацией 2,0-4,0 мас.% к полученному после гамма-облучения коллоидному раствору наночастиц серебра. Полученный раствор тщательно перемешивают с использованием магнитной мешалки в течение 10-15 минут. Затем из полученного раствора по сухому способу формуют металл-полимерные композитные пленочные материалы путем удаления воды испарением до достижения влажности 10 мас.%.

Для более детального ознакомления с изобретением ниже приводятся конкретные примеры, которые служат иллюстрацией, но не исчерпывают всех возможностей получения и применения, описываемых в данном изобретении систем.

Пример 1. Получение коллоидного раствора наноструктурных частиц серебра, в котором в качестве полимера стабилизатора используют карбоксиметилхитин

К 3 мл 0,5 мас.% раствора карбоксиметилхитина в воде (Mw=70000) добавляют 0,05 мл изопропилового спирта, и водный раствор нитрата серебра AgNO₃ до концентрации 3,5 мМ в растворе карбоксиметилхитина. Полученный раствор, содержащий карбоксиметилхитин и нитрат серебра, продувают аргоном 1,5 часа и тщательно герметизируют. Затем полученный раствор подвергают радиационному облучению при дозе 2 кГр.

Контроль формирования коллоидного раствора наночастиц серебра и оценку их стабильности осуществляют спектрофотомерическим методом по изменению оптической плотности в максимуме полосы плазменного поглощения образующихся наночастиц серебра в области 420 нм (Фиг.1). Размер образующихся наночастиц серебра и их форму исследуют методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Коллоидный раствор наночастиц серебра содержит однородные по форме и размеру частицы со средним диаметром частиц 2-3 нм (Фиг.2).

Пример 2.

Коллоидный раствор наночастиц серебра получают по способу, описанному в примере 1, увеличивая при этом дозу облучения до 10 кГр.

Из сравнения спектров на Фиг.3 и Фиг.1 следует, при увеличении дозы облучения реакционной смеси от 2 до 10 кГр увеличивается оптическая плотность в максимуме полосы поглощения наночастиц серебра, что свидетельствует об увеличении количества образующихся наночастиц серебра. Результаты ПЭМ показали, что в данных условиях происходит некоторое увеличение размера образующихся наночастиц, однако средний диаметр частиц не превышал 10 нм (Фиг.4).

Пример 3.

Коллоидный раствор наночастиц серебра получают по способу, описанному в примере 1, при этом концентрация нитрата серебра AgNO₃ в растворе карбоксиметилхитина составляет 10,1 мМ.

Из сравнения примеров 3 (Фиг.5) и 1 (Фиг.1) видно, что при увеличении количества нитрата серебра растет оптическая плотность в максимуме полосы поглощения наночастиц серебра, а значит, и количество образующихся наночастиц серебра. Однако при этом размер образующихся наночастиц незначительно увеличивается, и их средний диаметр составляет 3-5 нм (Фиг.6).

Пример 4. Влияние низкой концентрации полимера на образование и процесс формирования наночастиц серебра

К 3 мл 0,05 мас.% раствора карбоксиметилхитина в воде (M_w=70000) добавляют 0,05 мл изопропилового спирта и водный раствор нитрата серебра AgNO₃ до концентрации 6,8 мМ в растворе карбоксиметилхитина. Полученный раствор, содержащий карбоксиметилхитин и нитрат серебра, продувают аргоном 1,5 часа и тщательно герметизируют. Затем полученный раствор подвергают радиационному облучению при дозе 2 кГр.

Из спектральных данных, приведенных на (Фиг.7), следует, что при низкой концентрации полимера образование наночастиц серебра в растворе практически не происходит в связи с тем, что в данных условиях не достигалась эффективная концентрация полимера-стабилизатора.

Пример 5. Влияние концентрации полимера на образование и процесс формирования наночастиц серебра

К 3 мл 1,0 мас.% раствора карбоксиметилхитина в воде (M_w=70000), добавляют 0,05 мл изопропилового спирта и водный раствор нитрата серебра AgNO₃ до концентрации 6,8 мМ в растворе карбоксиметилхитина. Полученный раствор, содержащий карбоксиметилхитин и нитрат серебра, продувают аргоном 1,5 часа и тщательно герметизируют. Затем полученный раствор подвергают радиационному облучению при дозе 10 кГр.

Как видно из сравнения Фиг.8 и Фиг.1, с ростом концентрации полимера происходит некоторое снижение оптической плотности в максимуме полосы поглощения, а следовательно, и количества образующихся наночастиц. На Фиг.9 приведены данные ПЭМ.

Пример 6. Исследование стабильности коллоидного раствора наночастиц серебра

Для исследования стабильности коллоидного раствора наночастиц серебра используют раствор наночастиц, полученный описанным в примере 1 способом. Наночастицы выдерживают 12 месяцев при комнатной температуре и затем их исследуют с использованием метода ПЭМ. Как видно из сравнения микрофотографий на Фиг.1 и Фиг.10, в течение указанного периода происходит некоторое увеличение размера частиц, при этом диаметр частиц не превышает 10 нм.

Пример 7. Получение пленочного композитного материала на основе карбоксиметилхитина и наночастиц серебра

С целью получения металл-полимерного пленочного композитного материала используют коллоидный раствор наночастиц серебра, полученный по примеру 5. К 1 мл полученного коллоидного раствора наночастиц серебра добавляют 1 мл водного 2,0 мас.% раствора карбоксиметилхитина. Полученный раствор тщательно перемешивают с использованием магнитной мешалки в течение 15 минут и затем формуют по сухому способу металл-полимерный композитный пленочный материал путем удаления воды испарением до достижения влажности 10 мас.%.

Пример 8. Исследование бактерицидной активности коллоидного раствора наночастиц серебра

Антимикробные свойства исследуемых образцов оценивают по зоне угнетения роста патогенных микробов, четко выделяющейся на фоне сплошного микробного роста на питательных средах. Величина зоны угнетения определяет степень чувствительности микроба к антимикробному веществу. Измеряемый диаметр зоны должен проходить через центр диска.

В качестве тест-культур применяют штаммы грамотрицательных микроорганизмов - Salmonella typhimurium 79 и грамположительных -Staphylococcus aureus ATCC 6538Р, полученных из коллекции Государственного НИИ стандартизации и контроля медицинских и биологических препаратов им. Л.А.Тарасевича.

Для культивирования микроорганизмов с концентрацией 10⁴ КОЕ/мл, берут питательные среды XLD агар (xylose lysin desoxycholate agar -ксилоза-лизин-дезоксихолат агар) фирмы «Merck» (США) для Salmonella typhimurium и агар типа Байрд-Паркера для Staphylococcus aureus (ООО «Биокомпас-С», Россия).

Между степенью чувствительности микроба к исследуемому образцу и размером диаметра зоны угнетения имеются определенные соотношения. Зона диаметром до 10 мм или полное отсутствие задержки роста указывает на устойчивость микроба к данному веществу. Зона диаметром свыше 15 мм свидетельствует о том, что микроорганизм чувствителен к антимикробному препарату, а зона более 25 мм указывает на высокую чувствительность к антимикробному препарату [А.С.Лабинская. Микробиология с техникой микробиологических исследований. М.: Медицина, 1978, 394 с.].

Результаты по исследованию антимикробной активности коллоидного раствора, полученного по примеру 1, который разбавляли дистиллированной водой до достижения концентрации коллоидного раствора 0,5 мас.%, 0,25 мас.% и 0,17 мас.%, приведены в таблице 1.

Из представленных данных видно, что коллоидный раствор проявляет сильное бактерицидное действие по отношению как к грамположительным, так и к грамотрицательным штаммам микроорганизмов, причем это действие сохраняется при разбавлении коллоидного раствора в 2 и 3 раза.

Пример 9. Исследование бактерицидной активности пленочного композитного материала на основе карбоксиметилхитина и наночастиц серебра

Бактерицидное действие наночастиц серебра в пленках из производного хитина исследуют на международных штаммах Salmonella typhimurium TMLR65 и Staphylococcus aureus Wood-46.

Культивирование штамма сальмонелл проводят на XLD (xylose-lysin-desoxycholat) агар фирмы «Merck» (США) для Salmonella typhimurium и агар типа Байрд-Паркера для Staphylococcus aureus (ООО «Биокомпас-С», Россия) в течение 18-20 ч при 37°С.

Для идентификации сальмонелл и стафилококка используют биохимические тесты и специальные среды. Культуры бактерий в логарифмической фазе получают путем подращивания аликвоты ночной культуры в том же бульоне (соотношение культуры и бульона 1:10) при шутелировании (170 об/мин) в течение 5 часов при 37°С. Далее готовят взвеси бактерий с концентрацией 10³ и 10⁵ КОЕ/мл в стерильном бульоне.

Согласно используемой методике на поверхность стерильных стеклянных чашек Петри наносят взвесь культур (тестируемых штаммов (0,05 мл) в стерильном бульоне в требуемой концентрации), которую затем подсушивают до 1/2-1/3 исходного объема. Далее, с использованием глазного пинцета фрагментом разрезанной пленки (1/4 часть) покрывают каплю взвеси бактерий и инкубируют их в течение от 1 до 24 часов при температуре 30°С. Затем на пленку наносят каплю (0,05 мл) стерильного бульона, ресуспендируют в бульон, готовят разведения в таком же бульоне с последующим их высевом на чашки с питательной средой. После инкубации подсчитывают количество выросших колоний и по сравнению с их числом в необработанной культуре, оценивают наличие или отсутствие бактерицидного действия.

Результаты по исследованию антимикробной активности пленок из карбоксиметилхитина (образец А), и композитных пленок из карбоксиметилхитина с наночастицами серебра (образец С), полученных по примеру 7, приведены в таблице 2.

Из представленных данных видно, что непродолжительный контакт пленки С с микроорганизмами в течение 3 часов приводит к практически полному уничтожению тест-культуры, как грамположительных, так и грамотрицательных микробов. Это свидетельствует об универсальном характере антимикробного (бактерицидного) действия композитных пленок на основе карбоксиметилхитина и наночастиц серебра. Пленка из карбоксиметилхитина, не содержащая наночастиц серебра, оказывала бактериостатическое действие, замедляя рост микроорганизмов. Таким образом, полученные композитные пленки проявляют сильное бактерицидное действие по отношению к штаммам Salmonella typhimurium и Staphilococcus aureus при концентрации тест-культур как в 10³, так и в 10⁵ КОЕ/мл.