Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИМИКРОБНОЙ КОМПОЗИТНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ БЕМИТ-СЕРЕБРО ИЛИ БАЙЕРИТ-СЕРЕБРО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИМИКРОБНОЙ КОМПОЗИТНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ γ-ОКСИД АЛЮМИНИЯ-СЕРЕБРО

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Группа изобретений относится к химической технологии и может быть использована в производстве композитных наноструктур оксидов/гидроксидов алюминия, предназначенных для использования в качестве компонентов сорбционно-антимикробных материалов для очистки воды и обеззараживания, лечения раневых инфекций, а также в процессах катализа.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Оксиды алюминия благодаря низкой токсичности, положительному заряду поверхности, биоинертности и развитой поверхности находят широкое применение в качестве адсорбентов. Они обладают низкой стоимостью и в зависимости от условий получения способны приобретать различную морфологию, состав, заданный набор поверхностных центров.

Известен продукт в виде агломератов оксигидроксидов металлов, выбранных из группы, состоящей из Al, Fe, Mg, Ti или их смеси [RU2560432C2, опубл. 20.08.2015]. Изобретение обеспечивает получение агломератов оксигидратов, которые могут быть использованы в качестве сорбентов или в качестве средства, обладающего ранозаживляющей и антибактериальной активностью, а также для угнетения пролиферативной активности опухолевых клеток. Продукт также раскрыт в Международной заявке [WO2014189412 (A1) ― 2014-11-27].

К недостаткам вышеприведенного продукта относится отсутствие выраженного бактерицидного эффекта в виду отсутствия в составе антимикробных агентов. В результате адсорбции бактерий указанными материалами возможно биообрастание.

Решением может стать использование в качестве антимикробного агента наночастиц серебра, которые на сегодняшний день считаются наилучшими антибактериальными наночастицами, применяющиеся в составе перевязочных материалов, стекол, керамических покрытий, покрытий на имплантатах и фильтровальных мембран [Xu, Y., Zhou, F., Zhang, T., Lin, L., Wu, J., Zhang, M., & Chen, H. (2019). Advances in Preparation and Application of Supported Nano-Silver Composites. Nanoscience and Nanotechnology Letters, 11(11), 1477-1488.].

Известен вариант выполнения фильтрующего материала для газообразной среды [WO 2009031944 А2, 2009], который содержит в качестве основы нетканый полимерный волокнистый материал, на волокнах которой закреплены частицы гидрата оксида алюминия. Материал дополнительно содержит антимикробную добавку, представленную азотнокислым серебром. К недостаткам этого материала можно отнести использование ионного серебра.

К недостаткам вышеприведенного материала и способа его получения относится использование в качестве антимикробной добавки азотнокислого серебра. Азотнокислое серебро является хорошо растворимым соединением, в связи с чем, при контакте с водой способно выделять большое количество ионов Ag⁺, оказывающих токсическое действие. Также из-за высокой растворимости азотнокислого серебра отсутствует пролонгированное антимикробное действие в водных обновляющихся средах.

Известна медицинская структура [US 2008026041 A1, 2008], включающая наряду с нановолокнами оксида алюминия, вторыми волокнами, смешанными с нановолокнами оксида алюминия, частицы, распределенные на нановолокнах оксида алюминия. Вышеупомянутые частицы могут представлять собой бактерицидное средство - ионы серебра.

К недостаткам вышеприведенного также относится использование в качестве антимикробной добавки азотнокислого серебра.

Известен сорбционно-бактерицидный материал, медицинский сорбент на его основе и способ его получения [RU 2426557 C1, опубл. 20.08.2011], включающий нанесение на слой основы из нетканого полимерного волокнистого материала частиц материала на основе алюминия в виде водной или водно-спиртовой суспензии, с последующим гидролизом частиц материала на основе алюминия, и дополнительно обработку полученного материала – волокна с осажденными на них частицами гидрата оксида алюминия – неорганическим бактерицидным компонентом и частицами коллоидного серебра для сорбирования последнего на частицах гидрата оксида алюминия, причем обработку осуществляют пропиткой раствором неорганического бактерицидного компонента или разбрызгиванием последнего на материал; на одной из фигур показан агломерат частиц гидрата оксида алюминия с сорбированными частицами коллоидного серебра, которые видны по периферии агломерата в виде более плотных округлых вкраплений (снимок сделан методом просвечивающей электронной микроскопии).

К недостаткам вышеприведенного относится способ получения и нанесения коллоидного серебра заключающийся в восстановлении Ag раствора азотнокислого серебра танином в боратном буфере. В результате коллоидный раствор серебра, напыляемый на материал, представляет собой смесь частиц коллоидного серебра, танина и буферного раствора на основе тетрабората натрия. Молекулы танина являются крупными органическими молекулами, которые хорошо адсорбируются на поверхности частиц гидрата оксида алюминия и способны экранировать положительный заряд поверхности необходимый для электрокинетического улавливания бактерий [Lozhkomoev, A. S., Savel’ev, G. G., Svarovskaya, N. V., & Lerner, M. I. (2009). Adsorption of negative eosin ions, Tannin molecules, and latex spheres on aluminum oxohydroxide nanofibers. Russian Journal of Applied Chemistry, 82(4), 581-586.]. Соли тетрабората натрия могут привести к уменьшению толщины двойного электрического слоя частиц гидрата оксида алюминия за счет добавления в систему дополнительных противоионов, что так же скажется на ухудшении электрокинетических сил взаимодействия оксида с бактериальными клетками.

Известен способ получения антимикробных композитных наноструктур Al₂O₃ ×H₂O/Ag из биметаллических наночастиц Al/Ag, полученных совместным электрическим взрывом Al и Ag проволочек, раскрытый авторами Lozhkomoev Aleksandr, Pervikov Alexander,a Bakina Olga, Kazantsev Sergeya and Gotman Irena в статье Synthesis of antimicrobial AlOOH–Ag composite nanostructures by water oxidation of bimetallic Al–Ag nanoparticles [RSC Adv., 2018, 8, 36239–36244]; в котором предварительно осуществляют синтез биметаллических наночастиц Ag–Al методом электрического взрыва витых проволок в атмосфере аргона при давлении 2×10⁵ Па: серебряной проволоки с диаметром d ¼ 0,15 мм и алюминиевой проволоки диаметром d ¼ 0,35 мм, обе длиной 80 мм; Атомное отношение Al к Ag в проволоках составляло около 85 ат. % Al и 15 ат% Ag. Затем осуществляют водное окисление полученных биметаллических наночастиц Ag–Al; реакцию биметаллических наночастиц Ag–Al проводят в разбавленной водной суспензии: 1 г Ag–Al нанопорошка, взвешенного в 100 мл деионизированной воды, помещали в теплоизолированном стеклянном реакторе, оборудованном комбинированным pH-электродом (ESK-10601) и датчиком температуры (DTS-4- 01); суспензию нагревали от 23 до 67°С при нагревании со скоростью 1,0 C в минуту, при непрерывном перемешивании.

К недостаткам вышеприведенного можно отнести то, что используют частицы Al/Ag с атомным содержанием Ag 15 ат. %, которые содержат избыточное количество Ag, что в свою очередь влияет на величину удельной поверхности синтезируемых из них наноструктур, их токсичность и стоимость.

Таким образом, всё ещё существует потребность в получении наноструктур на основе оксида алюминия Al₂O₃ при сравнимой эффективности антимикробного действия, обладающие меньшим содержанием серебра, меньшей токсичностью и более низкой стоимостью.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является разработка способа получения композитных наноструктур состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag, где х=1,5-3,2 и γ-Al₂O₃/Ag с уменьшенным количеством частиц серебра на поверхности наноструктуры.

Технический результат - низкотоксичный сорбционно-антимикробный материал с улучшенными антимикробными свойствами (при меньшей концентрации серебра в наноструктурах лучший антимикробный эффект).

Дополнительный технический результат – получение структур без дополнительных химических реагентов (в реакции участвуют только наночастицы и вода) и отсутствие в полученном продукте примесей характерных для материалов, полученных модификацией растворами коллоидного серебра.

Еще один технический результат - возможность варьированием морфологии наноструктур Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag за счет изменения условий протекания реакции наночастиц Al/Ag с водой (соотношение воды и реагирующих наночастиц, температура, давление), что обеспечивает контролируемую антибактериальную активность получаемого продукта.

Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый способ получения наноструктур на основе композита Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag , где х =1,5-3,2, включает:

– получение биметаллических наночастиц Al/Ag методом электровзрыва алюминиевых и серебряных проволок с требуемым содержанием Ag;

– водное окисление полученных наночастиц Al/Ag до образования упомянутых наноструктур.

Новым является то, что для получения биметаллических наночастиц Al/Ag с содержанием Ag около 9 ат %. их получают электровзрывом свитых вместе двух алюминиевых проволок диаметром 0,35±0,01 мм и одной серебряной проволоки диаметром 0,15±0,01 мм.

При этом для получения наноструктур на основе композита Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag с заданной морфологией и характеристиками водное окисление упомянутых наночастиц Al/Ag осуществляют:

либо в избытке воды с концентрацией наночастиц Al/Ag 1±0,1 масс. %, содержащих 9 ат. % Ag, при температуре 40-90 °С, предпочтительно 60 °С, и выдержке при данной температуре 30-90 минут, предпочтительно 60 минут, для получения композитной наноструктуры в форме агломератов нанолистов мелкокристаллического бемита химической формулы AlOOH/Ag с наночастицами серебра со средним размером до 17 нм, преимущественно распложенными в полости, формирующейся после растворения Al в частице;

либо во влажном воздухе при 40-80 °С, предпочтительно 60 °С, и относительной влажности 60-90 %, предпочтительно 80 °С, для формирования композитной наноструктуры в виде гексагональных стержней байерита химической формулы Al(OH)₃/Ag и скопления наночастиц серебра на поверхности стержней со средним размером до 19 нм, стабилизированных гидроксидом алюминия;

либо в гидротермальных условиях наночастиц Al/Ag при температуре 150-250 °С, предпочтительно 200 °С, и времени выдержки в автоклаве не менее 3 часов предпочтительно 3 часа для формирования композитной наноструктуры в форме нанопластинок бемита с наночастицами серебра со средним размером до 22 нм, химической формулы AlOOH/Ag.

Поставленная задача достигается также тем, что для получения композитной наноструктуры γ-Al₂O₃/Ag осуществляют последующую термическую обработку вышеописанных продуктов окисления наночастиц Al/Ag – синтезированных композитных наноструктур Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag с двумя разными вышеописанными кристаллическими модификациями - бемит и байерит и тремя типами морфологий до образования гамма-оксида алюминия и миграции частиц серебра на поверхность наноструктур и уменьшения их среднего размера, что приводит к увеличению площади поверхности наночастиц серебра и соответственно к увеличению концентрации ионов Ag⁺.

Причем термообработку синтезированных наноструктур осуществляют при температуре 500±30 °С в течение не менее 2 часов, что не приводит к существенным изменениям морфологии вышеописанных синтезированных наноструктур состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag , при этом наночастицы серебра мигрируют на поверхность частиц и происходит фазовый переход бемита и байерита в гамма-Al₂O₃.

При этом получают антимикробные композитные наноструктуры, представляющие собой наноструктуры γ-Al₂O₃ с частицами серебра на своей поверхности со средним размером не более 15-17 нм, величиной удельной поверхности наноструктур 200-225 м²/г, со средним размером пор 4-5 нм, объёмом пор 0,241-0,605 см³/г, дзета-потенциалом при рН 7,2 – 5-14 мВ, со средним размером наноструктур 192-740 нм.

Предлагаемые в настоящем изобретении условия электровзрыва позволили получить бикомпонентный нанопорошок Al/Ag с меньшим содержанием серебра по отношению к прототипу, количество которого в порошке составило около 9 ат. %.

Получение наночастиц Al/Ag с содержанием Ag 9 ат. % из двух проволочек как в прототипе, предполагало бы использование алюминиевого проводника диаметром ~0,5 мм. Использование проводника с такой толщиной приводит к поверхностному пробою и понижению введенной энергии. В результате образуется большое количество крупных частиц микронного размера, выход нанопорошка значительно уменьшается. Уменьшение диаметра серебряного проводника приводит к уменьшению выхода нанопорошка и частым обрывам проволоки, обусловленные особенностями технологии намотки подачи проволоки во взрывную камеру.

Предлагаемые в настоящем изобретении условия окисления водой наночастиц состава Al/Ag (Ag около 9 ат. %) позволили получить антимикробные наноструктуры состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag , где х =1,5-3,2, с тремя типами морфологий:

– агломераты нанолистов, которые могут быть использованы в качестве сорбционных антимикробных агентов в динамических режимах фильтрации и в качестве компонентов перевязочных материалов благодаря высокой удельной поверхности и доступной системой пор для различных адсорбатов;

– гексагональные стержни, которые могут быть использованы в качестве осушителей, носителей катализаторов, где требования предъявляются к антимикробной активности;

– нанопластинки, которые могут быть использованы в качестве наполнителей полимеров для придания им антимикробных свойств (краски, мази, гели), где требования предъявляются к седиментационной устойчивости компонентов.

Кроме того предлагаемые режимы последующей термической обработки (прокаливание при температурах 500±30 °С) всех трех типов вышеописанных наноструктур не приводит к существенному изменению их морфологии в конечном продукте, но способствует миграции частиц серебра на их поверхность, фазовому переходу бемита и байерита в γ-Al₂O₃ и уменьшению среднего размера частиц серебра:

– в нанолистах до 15 нм,

– в наностержнях – до 17 нм,

– в нанопластинах – до 17 нм.

Миграция частиц серебра на периферию частиц Al₂O₃ приводит к снижению минимальной ингибирующей концентрации наноструктур в гамма-модификации в 3-7 раз по отношению к исходным наноструктурам на примере бактерий E.coli и S.aureus.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 – Приведены изображения, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (а, б, в), и результаты рентгенофазового анализа (г, д, е) для агломератов нанолистов мелкокристаллического бемита с наночастицами серебра (а, г), гексагональных стержней байерита со скоплениями наночастиц серебра на их поверхности (б, д) и нанопластинок бемита с наночастицами серебра (в, е).

Фиг. 2 – Приведены изображения, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (а, б, в), и результаты рентгенофазового анализа (г, д, е) после термической обработке при 500 °С агломератов нанолистов мелкокристаллического бемита с наночастицами серебра (а, г), гексагональных стержней байерита и скоплений наночастиц серебра (б, д) и нанопластинок бемита с наночастицами серебра (в, е).

Фиг. 3 – Показана зависимость минимальной ингибирующей концентрации наноструктур состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag и γ-Al₂O₃/Ag от температуры прокаливания по отношению к E.coli и MRSA.

Фиг. 4 – Кинетические кривые миграции ионов серебра из наноструктур Al₂O₃ ⋅ x H₂O/Ag (сплошная линия) и γ-Al₂O₃/Ag (пунктирная линия).

Фиг. 5 – Жизнеспособность линии клеток 3Т3 при инкубировании с полученными наноструктурами состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag и γ-Al₂O₃/Ag в течение 24 часов.

Таблица 1. Физико-химические характеристики наноструктур, полученных при окислении водой нанопорошка Al/Ag, содержащего 9 ат. % Ag, в различных условиях.

Таблица 2. Физико-химические характеристики наноструктур после термической обработке при 500 °С.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предварительно получали Al/Ag с уменьшенным содержанием серебра, количество которого в порошке должно составить около 9 ат. %. С этой целью скручивались 3 проволоки: 2 алюминиевые диаметром по 0,35 мм и одна серебряная диаметром 0,15 мм. Далее проволока подавалась в электровзрывную камеру установки УДП-2М [http://www.nanosized-powders.com/technology/technologies/equipment.php], предварительно заполненную аргоном до давления 0,2 МПа, в направлении от заземленного электрода установки к её высоковольтному электроду. Длина диспергируемого проводника составляла 60 мм. При замыкании электрической цепи, через проволоки протекал импульс тока с плотностью 5×10⁷ А/см² за время порядка 1,5×10^-6 с. Отношение введенной энергии E к энергии сублимации диспергируемых металлов E_s поддерживали на уровне 1,9±0,05.

Ниже приведены примеры 1-3 получения заявляемых наноструктур состава Al₂O₃ ⋅ xH₂O/Ag, где х =1,5-3,2. Такие структуры обладают меньшей цитотоксичностью, но и меньшей антимикробной активностью. После прокаливания (пример 4) антимикробная активность увеличивается, но и цитотоксичность тоже увеличивается.

Пример 1. Получение агломератов нанолистов AlOOH/Ag осуществляли путём нагревания 1 масс. % водной суспензии нанопорошка Al/Ag, содержащего около 9 ат. % Ag, до температуры 60 °С и выдержке при данной температуре в течение 60 минут. Продукты окисления отфильтровывали и сушили при 120 °С в течение 2 часов. Морфология и состав продуктов окисления представлен на фиг. 1 а, г.

Пример 2. Получение гексагональных стержней Al(OH)₃/Ag осуществляли путем окисления нанопорошка Al/Ag, содержащего 9 ат. % Ag, в эксикаторе при 60 °С и относительной влажности 80 % в течение 72 часов. Продукты окисления сушили при 120 °С в течение 2 часов. Морфология и состав продуктов окисления представлен на фиг. 1 б, д.

Пример 3. Получение нанопластинок AlOOH/Ag осуществляли в автоклаве гидротермального синтеза с тефлоновой вставкой. 1 масс. % водная суспензия нанопорошка Al/Ag, содержащего 9 ат. % Ag, объемом 200 мл помещалась в автоклав объемом 500 мл. Автоклав плотно закрывали и нагревали до 200 °С, после чего выдерживали суспензию нанопорошка в данных условия в течение 6 часов. После остывания, продукты реакции отфильтровывали и сушили при 120 °С в течение 2 часов. Морфология и состав продуктов окисления представлен на фиг. 1 в, е.

Для синтезированных наноструктур были определены физико-химические характеристики, такие как: величина площади удельной поверхности S_БЭТ, размер пор D_max, объём пор V, средний размер наноструктур, количество молекул структурной воды (х) и дзета-потенциал. Результаты представлены в таблице 1. Синтезированные наноструктуры обладают различной величиной удельной поверхности лежащей в пределах от 80 до 245 м²/г, имеют близкий средний размер пор 4-5 нм, при этом объем пор варьируется от 0,115 до 0,665 см³/г, обладают высоким дзета-потенциалом при рН 7,2 – 21-30 мВ, средний размер наноструктур составляет от 206 до 860 нм.

Пример 4. Получение наноструктур γ-Al₂O₃/Ag осуществляли путем термической обработки наноструктур, полученных по примерам 1-3, при 500 °С в течение 2 часов в муфельной печи SNOL 7,2/1300 (SNOL, Латвия). С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлено, что термическая обработка не приводит к существенным изменениям их морфологии, при этом наночастицы серебра мигрируют на поверхность частиц и происходит фазовый переход бемита и байерита в γ-Al₂O₃ (фиг. 2). Также происходит изменение текстурных и электрокинетических характеристик материалов (таблица 2). Незначительно уменьшается величина удельной поверхности агломератов нанолистов до 214 м²/г, существенно увеличивается величина удельной поверхности нанопластинок до 220 м²/г и гексагональных стержней до 200 м²/г. Заметно снижается величина дзета-потенциала наноструктур при рН 7,2 до 3-16 мВ. Увеличение удельной поверхности нанпластинок и гексагональных стержней обусловлено появлением дополнительных микро и мезопор в результате трансформации структуры бемита и байерита в гамма-Al₂O₃. Уменьшение удельной поверхности нанолистов связано с процессами спекании частиц. Снижение дзета-потенциала наноструктур вызвано перераспределением Ag на поверхность частиц и их участием в формировании двойного электрического слоя.

Пример 5. На примере бактерий E.coli и MRSA показано, что синтезированные наноструктуры обладают антимикробной активностью (фиг. 3). При этом максимальный антимикробный эффект достигается при прокаливании наноструктур при 500 °С. Увеличение температуры прокаливания приводит к увеличению МИК, что может быть связано с укрупнением наночастиц серебра и спеканием пористых частиц гамма-Al₂O₃. Термическая обработка наноструктур при 500 °С способствует увеличению антимикробной активности в 3-7 раз.

Наибольшей антимикробной активностью обладают агломераты нанолистов прокаленные при 500 °С, МИК составила 0,2-0,3 мг/мл, что в 3,3-5 раза меньше, чем для наноструктур, полученных при окислении наночастиц Al/Ag содержащих 15 ат.% Ag в работе [RSC Adv., 2018, 8, 36239–36244]. Увеличение антимикробной активности наноструктур γ-Al₂O₃/Ag обусловлено миграцией частиц серебра на поверхность наноструктур и уменьшением их среднего размера на 2-5 нм. Это приводит к увеличению миграции ионов серебра с поверхности наноструктур (фиг. 4).

Пример 6. Цитотоксичность.

На примере линии клеток 3T3 (фибробласты мыши) была проведена оценка цитотоксичности полученных наноструктур в концентрациях, оказывающих ингибирующий антимикробный эффект,

для агломератов нанолистов AlOOH/Ag – 1,25 мг/мл,

для гексагональных стержней Al(OH)₃/Ag – 5 мг/мл,

для нанопластинок AlOOH/Ag – 2,5 мг/мл;

для агломератов нанолистов гамма-Al₂O₃/Ag – 0,2 мг/мл, для гексагональных стержней гамма-Al₂O₃/Ag – 0,3 мг/мл, для нанопластинок гамма-Al₂O₃/Ag – 0,5 мг/мл.

После 24 часов инкубированя клеток в CO2 инкубаторе при 37 °С с наноструктурами, проводили подсчет клеток с использованием МТТ-теста.

Результаты представлены на фиг. 5.

Все образцы в исследуемых концентрациях обладают слабым цитотоксическим действием, снижение жизнеспособных клеток уменьшается менее чем на 25% относительно контроля.

При этом, для наноструктур гамма-Al₂O_3/Ag в концентрациях, оказывающих ингибирующее действие на бактерии наблюдается снижение цитотоксического действия.

Таблица 1.

Морфология Фазовый состав SБЭТ, м2/г Dmax, нм V, см3/г ζ (рН 7,2), мВ Средний размер наноструктр H, нм Количество молекул структурной воды, х агломераты нанолистов Ag AlOOH Al0,89Ag0,11 245±4 ~4 0,665 27±3 740±17 2,1±0,1 нанопластинки Ag AlOOH 100±6 ~4 0,235 21±2 192±10 1,5±0,05 стержни Ag Al(OH)3 Al0,78Ag0,22 80±2 ~4 0,115 30±1 491±14 3,1±0,1

Таблица 2

Морфология Фазовый состав SБЭТ, м2/г Dmax, нм V, см3/г ζ (рН 7,2), мВ Средний размер наноструктр H, нм агломераты нанолистов Ag γ-Al2O3 Ag2Al 214±2 ~5 0,605 14±2 860±21 нанопластинки Ag γ-Al2O3 220±5 ~4 0,241 5±2 206±11 стержни Ag γ-Al2O3 Ag0.88Al0.12 Ag2Al 200±6 ~5 0,241 11±1 514±16