Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения нетканых материалов с антибактериальными свойствами

В процессе выполнения работ в области разработки комплектов мембранных носителей для транспортировки (хранения) биологического материала и технологии их использования в ветеринарной лабораторной диагностике и эколого-эпизоотологическом мониторинге было выявлено, что характеристики стабильности биоматериала в виде сухих пятен, нанесенных на мембранный носитель, могут изменяться вследствие биодеградации.

Одним из возможных решений данной проблемы является создание нового материала или модификация известного веществами, придающими материалу антибактериальные свойства.

Используя накопленный в процессе ранее проводимых исследований материалов в НИТУ МИСиС опыт, было предложено использовать наноразмерные частицы металлов и их оксидов для импрегнации в носитель с целью придания ему антибактериальных свойств.

Настоящее изобретение относится к области нанотехнологий и их применения для создания новых специализированных материалов для использования в изделиях для медицинской и ветеринарной диагностики, в частности к способам получения нетканых материалов, модифицированных наночастицами металлов, и их оксидов для придания нетканому материалу, используемому для транспортировки биопроб, антимикробных свойств с целью предотвращения биодеградации жидкой пробы, наносимой на материал в полевых условиях.

Основным назначением подобных нетканых мембранных материалов, используемых для технологии сухих пятен крови (далее по тексту устоявшийся англоязычный термин DryBloodSpots (DBS)), является осуществление пробоподготовки различных биологических жидкостей для получения сухих образцов, пересылки их в диагностическую лабораторию для проведения последующего анализа одним из стандартных методов [Demirev Р.А. Dried blood spots: analysis and applications. Anal.Chem.85, 779-789 (2013)].

Необходимым условием их использования является эффективное впитывание биологической жидкости мембранным материалом, равномерное распространение ее по его рабочей поверхности и сохранность высохшего биологического материала. В связи с этим используемый мембранный материал должен обладать ярко выраженными гидрофильными свойствами и иметь гомогенную структуру, позволяющую равномерно и обратимо адсорбировать белки и другие биологически активные соединения в порах мембраны.

Один из подходов модификации существующих мембранных материалов для использования в технологии DBS заключается в специальной обработке их поверхности составами на основе наночастиц и водорастворимых полимеров, обеспечивающими стабильность их характеристик и в ряде случаев антибактериальные свойства. Полученные покрытия с антибактериальными свойствами позволяют предотватить деградацию биологических проб в ходе траспортировки и хранения, вызванную потенциальным бактериальным заражением из-за контакта с окружающей средой (упаковочными материалами, воздухом), например в момент забора биопробы [Meesters R.J., Hooff G.P. State-of-the-art dried blood spot analysis: an overview of recent advances and future trends. Bioanalysis. 5, 2187-2208 (2013)].

В настоящее время при получении материалов, используемых в технологии DBS, используется преимущественно один вид носителя - целлюлозная пористая бумага фирмы Ватман (Whatman 903) и подобные. В последнее время ведутся работы по изучению использования новых типов материалов для данной технологии, а именно стекловолоконных мембран [Samsonova J.V., Chadina A.S., Osipov А.Р. et al. Detection of bovine leukemia virus by the polymerase chain reaction in dried blood spots using a membrane system of a new format. Moscow Univ. Chem. Bull.69, 282-285 (2014)]. Однако данный тип мембранных материалов необходимо модифицировать для использования в данной технологии, так как он изначально гидрофобен.

Известен способ (заявка ЕР 2274470, D06M 11/42, 2009) изготовления натуральных и синтетических текстильных материалов, содержащих серебряные наночастицы. Способ включает в себя погружение в водный или водно-спиртовой раствор, в котором проводятся реакции между ионами серебра и восстановителями тканей или нетканых материалов в виде свободных волокон, нитей, пряжи. Недостатками данного способа являются нестабильность реакции восстановления из-за большого числа компонентов реакционной смеси и возможность деструкции текстильных материалов, так как процесс предполагает реакцию восстановления наночастиц серебра из перхлората и нитрата серебра непосредственно в присутствии текстильных материалов. Предпочтительная температура для проведения данного технологического процесса около 500°С, что увеличивает энергоемкость процесса, а следовательно, затраты на производство. При этом такая высокая температура значительно ограничивает возможность модификации наночастицами синтетических текстильных материалов.

Также известен способ антимикробной отделки целлюлозосодержащего текстильного материала(патент RU 2401349, D06M 16/00, 2009), который заключается в предварительном приготовлении модифицирующего водного раствора соли ацетата, или лактата, или пропионата, или сульфата серебра с концентрацией от 0,1 до 10 г/л, погружении в него текстильного материала и выдерживании в течение от 0,5 до 2 мин при комнатной температуре с последующим отжимом до остаточной влажности от 100 до 150% и сушкой при температуре от 20 до 180°С. Модифицирующий водный раствор включает поверхностно-активное вещество с концентрацией от 0,1 до 2,0 г/л. Недостатком данного изобретения является использование в качестве модификаторов солей металлов с достаточно большой концентрацией, такие материалы могут обладать токсичностью и вызывать аллергические реакции у человека. Приготовление солей серебра требует дополнительных затрат времени. Нанесение при комнатной температуре и сушка при температуре ниже 80°С не способствуют прочному закреплению наночастиц, а при воздействии температур выше 150°С может произойти деструкция текстильного материала (особенно при контактной сушке).

Наиболее близким по совокупности технических признаков к предлагаемому изобретению является способ производства целлюлозосодержащего материала (бумаги), обладающего биоцидными свойствами (прототип) (патент RU 2361029, D21H 21/36, 2008) .Отличием данного способа является то, что перед отливом бумажного полотна в бумажную массу вводят биоцид, в качестве биоцида используют выдержанный в течение 4-24 час гидрозоль, содержащий 4,0-10,0 мас. % промодифицированного ионами Ag⁺ или/и Сu²⁺ бентонитового порошка, в котором доля серебра или/и меди составляет 2,0-8,0 мас. %. В результате осуществления способа сухая бумага содержит 0,2-1,8 мас. % указанного бентонитового порошка. Недостатками данного изобретения являются необходимость введения биоцидной добавки только в процессе изготовления бумаги и необходимость наличия сложной технологической обвязки процесса, что делает невозможным использование изобретения для производства малых партий материала.

В последние годы в связи с развитием нанотехнологий появились электрохимические способы получения стабильных золей наночастиц металлов, обладающих ярко выраженными устойчивыми антибактериальными свойствами. При этом применение таких наночастиц металлов позволяет в сотни раз снизить концентрацию частиц с сохранением всех бактерицидных свойств.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии производства модифицированного нетканого материала для использования в качестве носителя биоматериалов в медицинской и ветеринарной диагностике, снижение стоимости производства материала за счет использования готовых металлических наночастиц, повышение прочности и равномерности закрепления наночастиц на поверхности и в структуре материала и решение проблемы ингибирования биодеструкции жидкой биопробы в процессе ее отбора в полевых условиях до момента высыхания.

Технический результат достигается тем, что нетканый материал, изготовленный из целлюлозы или ее производных или гидрофилизированного стекловолокна, подвергают предварительной обработке ультразвуком с целью активации поверхности материала и дальнейшей обработке путем его погружения в раствор или набрызгивания раствора, содержащего заранее приготовленные наноразмерные коллоидные частицы с металлов или оксидов с концентрацией 0.1-5% от веса материала с последующим высушиванием материала при температуре от 60 до 100°С до постоянного веса. При этом раствор, который набрызгивают или в который погружают нетканый материал, представляет из себя водную или водно-спиртовую дисперсию, содержащую коллоидные частицы - наночастицы меди, железа, тантала, серебра, оксида цинка, титана и ванадия с массовой долей от 0.1 до 5%. При этом синтез наночастицы в растворе происходит в результате расплавления, испарения поверхности металлических электродов под действием электрического дугового разряда, который возникает при создании на электродах переменной импульсной разности потенциалов от 5 кВт до 9 кВт и последующей конденсации в жидкой конденсированной фазе. Отличительной чертой получаемых в водной или водно-спиртовой фазе наночастиц является то, что размеры наночастиц находятся в диапазоне от 1 до 20 нм, а потенциал частицы на границе скольжения (дзета-потенциал) не менее 20 мВ.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображены структуры стекловолоконной мембраны, обработанной гидрофилизированными наночастицами оксида цинка при увеличении в 5 тыс. раз; на фигуре 2 изображены структуры целлюлозосодержащей мембраны, обработанной гидрофилизированными наночастицами оксида цинка при увеличении в 5 тыс. раз; на фигурах 3 и 4 показаны экспериментальные образцы.

В ходе проведения наработки образцов из мембранных материалов на основе целлюлозы было установлено, что отличие от образцов из стекловолокна обработка таких материалов приводит к необратимому изменению структуры волокон и материала в целом. Микрофотографии гидрофильного материала на основе стекловолокна и целлюлозного материала, функционализированного коллоидом гидрофилизированных наночастиц оксида цинка при одном и том же разрешении (увеличение в 5000 раз), представлены на фиг. 1-2. Как видно из представленного рисунка, целлюлозный мембранный материал характеризуется гораздо более сложным строением по сравнению со стекловолоконным.

Проводя сравнительный анализ по коммерчески доступным целлюлозно-бумажным мембранам до и после обработки суспензиями с гидрофилизированными наночастицами, можно утверждать, что в ходе пропитки спиртзолями металлов диаметр волокон незначительно увеличивается с 10 мкм до 15-20 мкм, а их форма приобрела более сложный характер. Это указывает на то, что целлюлозные волокна впитали часть раствора внутрь за счет высокоразвитой пористости, что привело к изменению их структуры, несмотря на удаление жидкости из объема пор. Впитывание жидкости волокнами по-видимому происходит вместе с диспергированными в растворе наночастицами, т.к. заметных скоплений наночастиц на поверхности волокон методами электронной микроскопии не выявлено.

В результате проведенных экспериментов также было установлено, что обработка поверхности мембранных материалов на основе гидрофильного стекловолокна, видимо, позволяет не только придать полезные антибактериальные свойства, необходимые для обеспечения стабильности биологического материала в ходе транспортировки и хранения проб, но и повысить гидрофильность поверхности волокон.

Антибактериальная активность нетканных материалов разного состава (стекловолоконный, целлюлозный), полученных по заявляемому способу, с нанесенными наночастицами разных металлов проводили на бульонной культуре бактерий зубного налета (А) и бациллы B. Cereus (В), как наиболее устойчивых для целей дезинфектологии. В качестве нетканой основы использовали различные коммерчески доступные мембранные материалы разных производителей (таблица 1). Опыт проводили в двух вариантах. Определяли антибактериальную активность сухого и влажного нетканого модифицированного материала. Последнее особенно важно при нанесении на мембрану образца биожидкости в полевых условиях, где необходимо обеспечить его сохранность до момента высыхания на мембране.

Вариант 1. На поверхность плотной питательной среды (ППС) в чашках Петри с посевом тест-культур помещали нарезанные квадратиками исследуемые нетканые материалы и контрольный квадратик, пропитанный серебросодержащей нанодисперсной системой (фиг. 3).

Из фигуры 3 следует, что без увлажнения зоны ингибирования роста тест-культуры сформировались только под квадратиками. Наиболее выражено ингибирование роста бактерий зубного налета под порядковыми №№1, 2, 3, 4, 7 и очень слабо под квадратиками №№5 и 6. На газоне бацилл B.cereus выраженное ингибирование роста выявлено под квадратиками №№1, 2, 4, 6, 7 и слабо под квадратиками №№3, 5. Под контрольным квадратиком №8 просматривается зона ингибирования роста только под самим квадратиком.

Вариант 2 опыта. На поверхность плотной питательной среды (ППС) в чашках Петри с посевом тест-культуры бактерий зубного налета помещали нарезанные квадратиками исследуемые нетканые материалы и контрольный квадратик, пропитанный раствором №9 (ZnO+1,2% КПАВ). Предварительно квадратики увлажняли стерильной дистиллированной водой (фиг. 4).

Выявлены зоны ингибирования роста тест-культуры бактерий зубного налета, выходящие за пределы контуров квадратиков №2 (на 2 мм), №3 (на 1,5 мм), №4 (на 3 мм), №5 (на 1 мм), а также выраженная зона ингибирования роста бактерий зубного налета в месте прилегания контрольного квадратика №8. Таким образом, предварительное увлажнение исследуемых квадратиков материалов, приготовленных по заявляемому способу, выявило способность покрытия диффундировать в агар (а следовательно, и в наносимый в полевых условиях жидкий биообразец), что следует из расширения зоны ингибирования роста тест-культуры после увлажнения.

Таким образом, в результате предложенного способа модификации нетканого материала наночастицы металлов и их оксидов способны эффективно проникать в образец жидкой биопробы при ее наненсении на данный материал, что позволяет обеспечить эффективную защиту данного материала от биодеструкции в процессе высыхания.

Дополнительным результатом, который можно получить при осуществлении заявленного способа, является простота осуществления способа при наличии предварительно приготовленного раствора, содержащего наночастицы металлов и их оксидов, а также расширение ассортимента используемых материалов.