Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения материала, обладающего фотоиндуцированной антибактериальной активностью, на основе фторопласта и люминесцентного кластерного комплекса

Изобретение относится к получению составов, обладающих антибактериальным эффектом, на основе органических полимеров и кластерных комплексов, в частности к получению материалов способных генерировать активную форму кислорода, на основе фторопласта-32Л, фторопласта-42 и октаэдрических кластерных комплексов молибдена и вольфрама ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}L₆], где М=Mo, W; L=I^-, C₇F₁₅COO^-), или Mo₆Br₁₂. Под действием ультрафиолетового и видимого излучения люминесцентные кластерные комплексы способны генерировать синглетный (активный) кислород, обладающий антибактериальными свойствами. Целевые материалы в виде пленочных образцов на основе люминесцентных кластерных комплексов, обладают антибактериальной активностью и являются перспективными самоочищающимися поверхностями.

В настоящее время существует проблема борьбы с нозокомиальными (внутрибольничными) инфекциями. Во-первых, развивается резистентность микроорганизмов к антибиотикам и снижается чувствительности к антисептикам. Во-вторых, возможна передача инфекции от больного к больному через необработанные зараженные поверхности медицинского учреждения. Самостерилизующиеся покрытия, действие которых основано на генерации активных форм кислорода, способны значительно снизить распространение инфекций.

Данные материалы являются редкими примерами использования кластерных комплексов в качестве фотосенсибилизатора для придания фотоиндуцированной антибактериальной активности. В отличие от органических фотосенсибилизаторов кластерные комплексы не разлагаются под действием света, что позволит без потери эффективности эксплуатировать материал в течение длительного срока. В настоящее время известно всего несколько примеров подобных материалов на основе органической матрицы и кластерных комплексов молибдена. В этих материалах в качестве органической матрицы используется полистирол, модифицируемый катионами -R(СН₃)₃N⁺, катионы способны с помощью электростатических взаимодействий связывать кластерный комплекс в анионной форме [Mo₆I₈(ООССН₃)₆]^2- [С. et. al. // Mater. Chem. В, 2017, 5, 6058-6064]. Так как в качестве матрицы используется ионообменная смола катионного типа, основным недостатком этих материалов является вымывание кластерного комплекса из матрицы в присутствии других анионов, например, Cl^-, что заметно снизит эффективность материалов с увеличением срока службы. Стоит отметить, что покрытия на основе фторопластов не проявляют данной тенденции к вымыванию кластерного комплекса.

В качестве прототипа заявленного патента выступает статья A. et. al. // Mater. Chem. В, 2016, 4, 5975-5979. В данной работе материалы, обладающие антибактериальной активностью, получали пропиткой полистирольной матрицы раствором кластерного комплекса в абсолютном этаноле. Для этого 1 г коммерчески доступной ионообменной смолы Amberlite IRA 900 (PS, Sigma-Aldrich, размер частиц гранул: 650-820 мм) перемешивали в этанольном растворе с кластерным комплексом ((С₄Н₉)₄N)₂[Mo₆I₈(ООССН₃)₆] (1.5 г на 50 мл) в течение ночи при комнатной температуре, затем фильтровали и промывали материал 100 мл абсолютного этанола. Основными недостатками этого метода являются использование ацетатного кластерного комплекса в качестве фотосенсибилизатора, который может быть получен с невысоким выходом (40%) [М.A. Mikhailov et. al. // Inorg. Chem. 2016, 55, 8437-8445]; использование зарубежного реактива Amberlite IRA 900 в качестве матрицы, а также в виду низкой растворимости кластерного комплекса в абсолютном этиловом спирте, на поверхности органического полимера возможно зафиксировать ограниченное количество люминесцентного кластерного комплекса (1.5 мг кластера на 1 г матрицы).

На данный момент в литературе не описано методов получения материалов, обладающих фотоиндуцированной антибактериальной активностью, на основе фторопластов марки -32Л и -42 путем одновременного растворения полимера и галогенидных октаэдрических кластерных комплексов молибдена и вольфрама.

Задачей изобретения является получение материала, обладающего фотоиндуцированной антибактериальной активностью, на основе октаэдрических кластерных комплексов молибдена и вольфрама, а также расширение набора материалов, проявляющих антибактериальную активностью.

Задача решается тем, что в способе получения материала, обладающего фотоиндуцированной антибактериальной активностью, на основе фторопласта и люминесцентного кластерного комплекса, используется метод одновременного растворения органической матрицы и люминесцентного кластерного комплекса. В качестве матрицы выбраны фторопласт-32Л, растворимый в сложных эфирах, и фторопласт-42, растворимый в ацетоне или диметилформамиде (ДМФА). В качестве фотосенсибилизатора использовали следующие люминесцентные кластерные комплексы: кластерный комплекс Mo₆Br₁₂, способный растворятся в ДМФА при обработке ультразвуком, кластерные комплексы молибдена и вольфрама ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}I₆] (где М=Mo, W) растворимые в ацетоне и ДМФА, а также кластерные комплексы ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆] (где М=Mo, W) растворимые в сложных эфирах. Для получения целевого материала готовят раствор фторопласта и кластерного комплекса, при этом используют подходящий растворитель для обоих компонентов, полученный раствор наносят на обезжиренную поверхность и сушат при комнатной температуре.

Отличительными признаками изобретения являются: в качестве органической матрицы используют коммерчески доступные в России фторопласты марки -32Л и -42; используют комплексы состава ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}I₆], где М=Mo, W, растворимые в ацетоне или диметилформамиде, или комплекс Mo₆Br₁₂, способный растворятся в ДМФА при обработке ультразвуком, или кластерные комплексы ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆], где М=Mo, W, растворимые в этилацетате или бутилацетате; получают материалы через сорастоворение полимера и кластерного комплекса в ацетоне, ДМФА, этилацетате, бутилацетате.

Фторопласт-32Л (Ф-32Л) - химически стойки полимер, растворяющийся в сложных эфирах, таких как этил- и бутилацетат. Он обладает влагозащитными свойствами, хорошей стойкостью к концентрированным кислотам и щелочам, выдерживает температуры до 170°С [сайт компании Галополимер, раздел фторопласт-32Л, https://www.halopolymer.ru/service/spetsfp/plavkie-ftoropolimery/ftoroplast-321]. Фторопласт-42 (Ф-42) отличается высокой стойкостью к световому старению, радиации, действию концентрированных кислота и щелочей, выдерживает температуры до 150°С. Этот полимер хорошо растворим в ацетоне, а также в ДМФА при 50°С [сайт компании Галополимер, раздел фторопласт-42, https://www.halopolymer.ru/service/spetsfp/plavkie-ftoropolimery/ftoroplast-42].

Кроме того, фторопласты проницаемы для кислорода, что обеспечивает эффективный доступ кислорода воздуха к фотосенсибилизатору и диффузию активной синглетной формы на поверхность органического полимера, а также следует отметить, что покрытия на основе фторопластов не проявляют тенденции к вымыванию кластерного комплекса.

В качестве фотосенсибилизатора используют галогенидные кластерные комплексы молибдена и вольфрама ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}L₆], где М=Mo, W, L=I^-, C₇F₁₅COO^-, или Mo₆Br₁₂ для которых наблюдается тушение люминесценции в присутствии кислорода воздуха и образование синглетного (активного) кислорода. Таким образом, целевые материалы, обладающие фотоиндуцированной антибактериальной активностью, являются перспективными самостерилизующихся поверхностями для использования в больничных учреждениях, на мясокомбинатах и др.

В отличие от прототипа в качестве фотосенсибилизаторов используются кластерные комплексы, которые могут быть получены с выходом 65% и выше. Кроме того, возможно получение пленок на основе Mo₆Br₁₂, это соединение особенно перспективно, поскольку оно получается с выходом 98% в результате нагревания до 900°С стехиометрических количеств молибдена и брома. Получение пленки из гомогенного раствора, содержащего кластерный комплекс и фторопласт, позволяет при необходимости увеличить загрузку фотосенсибилизатора, по сравнению с методом пропитки используемом в прототипе. Также материалы могут быть получены в виде пленок и сеточек.

Изучены люминесцентные характеристики и антибактериальные свойства образцов с кластерным комплексом ((C₄H₉)₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆], который обладает наибольшими значениями квантового выхода люминесценции.

Пример 1. Получение пленочных образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л. Синтез кластерного комплекса ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆], где М=Mo, W.

а) Синтез Ag(C₇F₁₅COO). 167 мг (0,61 ммоль) карбоната серебра Ag₂CO₃ и 550 мг перфтороктановой кислоты C₇F₁₅COOH (1.3 ммоль) добавили к 20 мл смеси метанола и ацетонитрила (1:1). Далее реакционную смесь обрабатывали ультразвуком и перемешивали в течение часа до прекращения выделения пузырьков СО₂. Далее непрореагировавший карбонат серебра отфильтровали, а раствор упарили на ротационном испарителе до 1 мл. Добавили к раствору избыток диэтилового эфира (20 мл). На ночь убрали в холодильник. Далее на ротационном испарителе упарили эфир, образовались кристаллы Ag(C₇F₁₅COO) в виде пластинок белого цвета. Выход: 525 мг (83%).

б) Синтез (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆], где Bu=С₄Н₉. Растворили 259 мг (0.09 ммоль) (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}I₆] в 20 мл ацетона. Добавили 300 мг серебряной соли AgOCOC₇F₁₅ (0.57 ммоль). Реакционную смесь перемешивали в течение 4 дней без доступа света. Далее отфильтровали осадок AgI, раствор упарили до образования масла оранжевого цвета. Вещество растворили в 20 мл этилового спирта, упарили и получили порошок целевого продукта. Выход: 272 мг (66%). По данным масс-спектрометрии отношение массы аниона к заряду аниона (M/z), полученное экспериментально, равно - 2034.7274, что хорошо соотносится с теоретическим значением - 2034.7274.

в) Синтез (Bu₄N)₂[{W₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]. Растворили 200 мг (0.06 ммоль) (Bu₄N)₂[{W₆I₈}I₆] в 20 мл хлористого метилена. Добавили 194 мг серебряной соли AgOCOC₇F₁₅ (0.38 ммоль). Реакционную смесь перемешивали в течение 7 дней без доступа света. Далее отфильтровали осадок AgI, раствор упарили до образования масла желтого цвета. Масло растерли в ступке с этанолом пока не образовался желтый порошок целевого продукта. Выход: 196 мг (65%). По данным масс-спектрометрии отношение массы аниона к заряду аниона (M/z), полученное экспериментально, равно - 2298.3716, что хорошо соотносится с теоретическим значением - 2298.3689.

г) Получение пленочных образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л, где М=Mo, W. В зависимости от необходимой концентрации берется разное количество кластерного комплекса. Например, для приготовления 1% материала было взято 5 мг соответствующего кластерного комплекса и добавлено 3 мл бутилацетата. Смесь обрабатывали ультразвуком при комнатной температуре в течение 30 минут до полного растворения кластерного комплекса. Далее добавили 3.13 мл бутилацетата, содержащего 500 мг фторированного полимера (концентрация 160 мг/мл). Нанесли раствор на обезжиренную поверхность чашки Петри и оставили высыхать при комнатной температуре.

Пример 2. Получение пленочных образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л (где М=Mo, W) ведут аналогично примеру 1, но используют сложный эфир - этилацетат.

Пример 3. Получение образцов в виде сеточек ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л где М=Mo, W.

Сеточки получали методом электроспиннинга из раствора кластерного комплекса с органическим полимером Ф-32Л в бутилацетате. Массовая концентрация полимера была на уровне 22.8-23.0 мас. %. Концентрация кластерного комплекса относительно полимера была 0.1, 0.5, 1 и 5 мас. %. Используя установку (Genvolt, 0-30 kV voltage power source, UK) было создано электрическое поле. Поток подаваемого раствора был задан с помощью шприцевого насоса (model no. Alladin-8000, World Precision Instruments, UK). Раствор подавали через стальной наконечник шприца, который выступал в качестве анода, а алюминиевая подложка, на которой осаждались волокна, выступала в роли катода. Все сеточки были приготовлены при одинаковых условиях: перепад напряжений 22 кВ, скорость подачи раствора 1.6 мл/ч, расстояние до подложки 15 см. Установка находилась в изолированном боксе при постоянных температуре и влажности. Далее полученные образцы выдерживали некоторое время в атмосфере сухого азота для удаления остатков растворителя.

Пример 4. Получение образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л (где М=Mo, W) в виде сеточек, ведут аналогично примеру 3, но используют сложный эфир - этилацетат.

Пример 5. Получение пленочных образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}I₆]@Ф-42, где М=Mo, W.

В зависимости от необходимой концентрации берется разное количество кластерного комплекса. Например, для приготовления 1% материала было взято 5 мг соответствующего кластерного комплекса и 500 мг фторопласта-42, которые растворяли в 5 мл ДМФА при 50°С.Полученный раствор нанесли на поверхность чашки Петри и оставили высыхать при комнатной температуре.

Пример 6. Получение пленочных образцов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}I₆]@Ф-42 (М=Mo, W) ведут аналогично примеру 5, но в качестве растворителя используют ацетон.

Пример 7. Получение пленочных образцов Mo₆Br₁₂@Ф-42.

В зависимости от необходимой концентрации берется разное количество кластерного комплекса. Например, для приготовления 1% материала было взято 5 мг соответствующего кластерного комплекса, 500 мг фторопласта-42 и 5 мл ДМФА. Смесь обрабатывают в ультразвуковой бане при комнатной температуре в течение 10 часов. Полученный раствор нанесли на поверхность чашки Петри и оставили высыхать при комнатной температуре.

Изучение фотофизических характеристик

Были определены фотофизические показатели люминесценции для полученного впервые кластерного комплекса молибдена ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]. Как выяснилось, данный кластерный комплекс обладает рекордными показателями люминесценции (Таблица 1), в частности квантовый выход люминесценции комплекса в деаэрированном растворе в ацетонитриле составил 0.88. Профили и длины волн максимума эмиссии являются характерными для данного класса веществ и не требуют детального описания. Также была изучена стабильность комплекса при длительном облучении светом, так называемая "фотовыгораемость". Было показано, что кластерный комплекс устойчив под действием света с длиной волны больше 400 нм по меньшей мере в течение 5 часов. Данный вывод сделан на основании неизменности значений квантового выхода до и после облучения. Этот факт подтверждает перспективность использования кластерного комплекса в условиях постоянного освещения. Были также изучены фотофизические показатели материалов ((C₄H₉)₄N)₂[{M₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л при разных концентрациях кластерного комплекса. Полученные материалы показывают высокие показатели люминесценции с квантовыми выходами вплоть до 0.48. Сохранение яркой люминесценции в присутствии кислорода объясняется частичным экранированием кластерного комплекса матрицей от воздействий окружающей среды. Кроме того, не наблюдаются изменения значений максимума эмиссии ( ~660 нм), что говорит о том, что, вероятнее всего, не происходит изменения строения кластерного комплекса, и в результате получается механическая смесь комплекса и полимера.

Кислородная проницаемость продемонстрирована на примере материала ((C₄H₉)₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л (5% кластерного комплекса), с увеличением кислорода в атмосфере наблюдается тушение люминесценции полимерных материалов. На рисунке 1 слева изображен характерный спектр люминесценции для системы (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]^5%@Ф-32Л, синим цветом обозначена площадь под пиком, которая была посчитана для каждого эксперимента. На рисунке 1 справа - зависимость нормализованной относительной интенсивности I₀/I от концентрации кислорода, где I - интегрированная интенсивность люминесценции в точке, а I₀ - интегрированная интенсивность люминесценции в отсутствие кислорода.

Исследование антибактериальной активности.

Фотоиндуцированная антибактериальная активность материалов (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]@Ф-32Л была проверена на культурных микроорганизмах: грамм-положительные Escherichia coli (Кишечная палочка) and Staphylococcus aureus (Золотистый стафилококк) и грамм-отрицательные Pseudomonas aeruginosa (Синегнойная палочка) и Salmonella typhimurium (Сальмонелла тифимуриум). В таблице 2 приведены результаты по антибактериальной активности для пленочных материалов (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]^1%@Ф-32Л. Как видно из данной таблицы, материал, содержащий 1% кластерного комплекса, проявляет ярко выраженную антибактериальную активность против всех использованных типов бактерий под действие ульрафиолетового облучения (УФО). Кроме пленочных образцов была изучена антибактериальная активность образцов в виде сеточек (Bu₄N)₂[{Mo₆I₈}(C₇F₁₅COO)₆]]@Ф-32Л с различной концентрацией кластерного комплекса 0, 0.1, 0.5, 1 и 5%. Значительное уменьшение микроокганизмов (на 65-90% за 20 мин) наблюдается уже при концентрации кластерного комплекса 0.5%, дальнейшее увеличение концентрации фотосенсибилизатора не оказывает значимого влияния на численность микроорганизмов (Таблица 3).

Способы получения материала, обладающего фотоиндуцированной антибактериальной активностью, на основе фторопласта и люминесцентного кластерного комплекса