eng
Выпуск #6/2009
В.Беклемышев, Л.Мухамедиева, В.Пустовой, У.Мауджери.
Наноструктурированные материалы с антимикробными свойствами
Наноструктурированные материалы с антимикробными свойствами
Просмотры: 2775
Институт прикладной нанотехнологии (ИПН)1 совместно с Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) РАН2, Центром лазерной технологии и материаловедения при Институте общей физики (ЦЛТМ при ИОФ) РАН3 и Фондом Сальваторе Мауджери (Италия)4 разработал с использованием природных бифункциональных наносистем технологии поверхностной и объемной модификации текстильных, нетканых и полимерных материалов для придания им антимикробных, фунгицидных и других свойств. Материалы перспективны для медицинской и санитарно-гигиенической практики, фармацевтики и косметологии, при производстве и эксплуатации ряда изделий бытового и специального назначения, как добавка (премиксы) к кормам в животноводстве.
БИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ НАНОСИСТЕМЫ
Бифункциональные наносистемы создавались на основе обладающих выдающимися профилактическими, гигиеническими и лечебными свойствами монтмориллонитовых глинистых структур, модифицированных ионами биометаллов – серебра, меди, цинка, железа, магния, кобальта, марганца.
Технология включает интеркаляцию ионов биометаллов в межпакетные пространства кристаллической слоистой структуры Na-формы монтмориллонитовой глины
(Ca, Na...) (Mg, Al, Fe)2 [(Si, Al)4O10] (OH)2• nH2O (рис.1, 2).
Элементарные слои (пластины) и пространства между элементарными слоями в глинистой системе являются наноразмерными и, обладая высокоразвитой активной поверхностью, служат эффективными резервуарами для ионов биометаллов с антимикробной и бактерицидной активностью.
При контакте с биологическими поверхностями (средами, жидкостями, влагой) биоактивные ионы металлов за счет ионного обмена между слоями глины и биологической средой дозировано выделяются с постоянной скоростью из таких своеобразных резервуаров.
Объем “межпакетного” пространства глины имеет высокую сорбционную активность к растворам, что используется в медицине для удаления из кожи и ран влаги, продуктов распада биологических тканей и их иммобилизации в глинистой структуре.
Создание бифункциональных наносистем включало разработку самоорганизующихся ультрадисперсных коллоидных систем на основе монтмориллонитовых глин и водных растворов солей различных биометаллов [1].
Формирование таких систем представляет собой самопроизвольное диспергирование твердых тел в жидкой фазе, причем оно может наблюдаться только у материалов, имеющих слоистую структуру. Характерная особенность подобных структур – сильные взаимодействия между атомами в слое и слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия между слоями. Жидкая фаза, проникая между ними, увеличивает межслойное расстояние, взаимодействие слоев ослабевает, и под действием тепловых колебаний становится возможным отрыв наночастиц от поверхности макрофазы.
Этому состоянию отвечает дезинтеграция глины на элементарные пластины, которые в истинном смысле являются наночастицами, обладающими колоссальной поверхностной энергией и адсорбционной способностью. При характерном размере в 20 нм отношение общей площади таких частиц к их суммарному объему достигает в относительных единицах 300–350 тыс.
Коллоидные наночастицы монтмориллонита в Na-форме вследствие ионного обмена взаимодействуют с ионами биометаллов жидкой фазы с образованием комплексных соединений с поверхностными алюминольными и силанольными группами монтмориллонита. В результате между слоями и на поверхности наночастиц достигается максимальная концентрация ионов биометалла.
Используя для отделения монтмориллонита от маточного раствора центрифугирование, специальную промывку и сушку с последующим измельчением, можно получить ультрадисперсные порошки в различной форме, с максимальным содержанием ионов биометаллов и очень высокой адсорбционной активностью.
Дополнительное применение кремнийорганических полимерных структур в указанных выше наносистемах позволяет синтезировать различные препараты, в том числе антимикробные с широким спектром применения и высокими эксплуатационными характеристиками.
ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ, ВНЕДРЕНИЕ
Результаты проведенного комплекса работ.
Разработан лабораторный технологический регламент получения ультрадисперсного интеркалированного монтмориллонита в Ag- и Cu-формах.
Предложены лабораторные методики количественного определения обменных катионов и общего содержания серебра и меди в монтмориллоните.
Получены лабораторные образцы ультрадисперсного монтмориллонита в Ag-, Cu-, Zn-, Co- и Ce-формах.
Разработаны технические условия на ультрадисперсные порошки монтмориллонита в Ag-форме и на водно-спиртовые дисперсии на их основе.
Исследованы структура и размеры нанодисперсных коллоидов монтмориллонита, а также образцы монтмориллонита в Na-, Cu- и Ag-формах. Для этих целей использованы ультразвуковое диспергирование, АСМ и динамическое рассеяние света. Показано, что в образцах присутствуют частицы размерами 10–20 нм и их агрегаты размером поряда 200 нм (рис.3–6).
Методом ИК-спектроскопии исследованы состояние и степень интеркаляции нанодисперсных коллоидов монтмориллонита в Ag- и Cu-формах. Установлено, что ИК-характеристики наносистем в Ag-и Cu-формах существенно отличаются (рис.7). Также выявлено влияние ультразвуковой обработки на состояние наносистем, что подтверждает эффективность метода для оценки молекулярно-ионной структуры и процессов ионного обмена в наносистемах [2].
Проведена оценка бактерицидных свойств водных дисперсий монтмориллонита, модифицированного ионами различных металлов. Установлено, что 5%-ные водные растворы дисперсий обладают высокой антимикробной активностью в отношении грамположительной, грамотрицательной и спорообразующей флоры.
Оценены фунгицидные свойства водных дисперсий монтмориллонита, модифицированных ионами различных металлов. Установлено, что наибольшей антифунгальной активностью обладают дисперсии в Ag-, Zn- и Cu-формах, демонстрирующие фунгистатические и фунгицидные свойства, разнящиеся по отношению к различным видам грибов.
Исследована санитарно-химическая стабильность нанокомпозитных материалов. Методом термодесорбционной хроматомасс-спектрометрии установлено, что антимикробные наноструктурированные добавки монтмориллонита в Ag-, Co- и Cu-формах к лакокрасочным материалам обеспечивают многократное уменьшение токсичных газовыделений летучих органических соединений.
В рамках российского научного проекта “Марс-500” проведены натурные 105-суточные испытания постельного и нательного белья, модифицированного разработанными антимикробными наносистемами. Получены положительные результаты и намечены такие же испытания одежды и элементов интерьера.
На ФГУП "Реутовский экспериментальный завод средств протезирования" освоен выпуск опытных партий изделий малой ортопедии с антимикробными наноструктурированными покрытиями на основе полимерных композиций [3].
Под зарегистрированным названием “Moonclay” (unguentum, AgCu) выпущена опытная партия бактерицидной и фунгицидной мази для обработки кожи [3].
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ НАНОСИСТЕМ
В первую очередь предполагается организовать производство продукции для следующих областей применения:
антимикробная и фунгицидная обработка текстильных изделий;
антимикробные лакокрасочные материалы;
полимерные изделия (в том числе медицинские) с антимикробными свойствами;
лечебные косметические средства.
После проведения следующего этапа научно-исследовательских работ планируется разработать и запустить в производство продукцию следующего назначения:
премиксы микроэлементов для животноводства и растениеводства;
новое поколение древесных пеллет (биотоплива) с пониженной эмиссией оксидов азота;
стабилизаторы полимерных материалов нового поколения, уменьшающие почти на порядок газовыделение при их термоокислительной деструкции.
Подробная информация – http://www.nanoapply.ru.
Авторы выражают благодарность И.Махонину, М.Афанасьеву, К.Филиппову (ИПН); Н.Новиковой (ИМБП РАН) и С.Коровину (ЦЛТМ при ИОФ РАН) за активное участие в экспериментальных исследованиях по рассмотренной в статье проблеме и конструктивное обсуждение полученных результатов.
Литература
1. Беклемышев В.И., Махонин И.И., Мауджери У.О.Д. Наноматериалы и покрытия с антимикробными свойствами. В кн.: Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. UNESCO-EOLSS Encyclopedia. – М.: ЮНЕСКО, EOLSS, ИД МАГИСТР ПРЕСС, 2009, с. 804–831.
2. Korovin S.B., Pustovoy V.I., Beklemyshev V.I., Machonin I.I. Infrared Spectroscopy To Characterize Clay Intercalation. International Conference ALT 09 “Advanced Laser Technologies”, Turkey, 2009, p. 15–17.
3. Beklemyshev V.I., Machonin I.I., Maugeri U.O.D., Orlov O.I., Pustovoy V.I. and other. Nanostructured biocides for means of rehabilitation. IV Congress «SIRAS» (Nuove tecnologie e riabilitazione di alta specializzazione), Italy, 2009, р. 25–29.
Бифункциональные наносистемы создавались на основе обладающих выдающимися профилактическими, гигиеническими и лечебными свойствами монтмориллонитовых глинистых структур, модифицированных ионами биометаллов – серебра, меди, цинка, железа, магния, кобальта, марганца.
Технология включает интеркаляцию ионов биометаллов в межпакетные пространства кристаллической слоистой структуры Na-формы монтмориллонитовой глины
(Ca, Na...) (Mg, Al, Fe)2 [(Si, Al)4O10] (OH)2• nH2O (рис.1, 2).
Элементарные слои (пластины) и пространства между элементарными слоями в глинистой системе являются наноразмерными и, обладая высокоразвитой активной поверхностью, служат эффективными резервуарами для ионов биометаллов с антимикробной и бактерицидной активностью.
При контакте с биологическими поверхностями (средами, жидкостями, влагой) биоактивные ионы металлов за счет ионного обмена между слоями глины и биологической средой дозировано выделяются с постоянной скоростью из таких своеобразных резервуаров.
Объем “межпакетного” пространства глины имеет высокую сорбционную активность к растворам, что используется в медицине для удаления из кожи и ран влаги, продуктов распада биологических тканей и их иммобилизации в глинистой структуре.
Создание бифункциональных наносистем включало разработку самоорганизующихся ультрадисперсных коллоидных систем на основе монтмориллонитовых глин и водных растворов солей различных биометаллов [1].
Формирование таких систем представляет собой самопроизвольное диспергирование твердых тел в жидкой фазе, причем оно может наблюдаться только у материалов, имеющих слоистую структуру. Характерная особенность подобных структур – сильные взаимодействия между атомами в слое и слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия между слоями. Жидкая фаза, проникая между ними, увеличивает межслойное расстояние, взаимодействие слоев ослабевает, и под действием тепловых колебаний становится возможным отрыв наночастиц от поверхности макрофазы.
Этому состоянию отвечает дезинтеграция глины на элементарные пластины, которые в истинном смысле являются наночастицами, обладающими колоссальной поверхностной энергией и адсорбционной способностью. При характерном размере в 20 нм отношение общей площади таких частиц к их суммарному объему достигает в относительных единицах 300–350 тыс.
Коллоидные наночастицы монтмориллонита в Na-форме вследствие ионного обмена взаимодействуют с ионами биометаллов жидкой фазы с образованием комплексных соединений с поверхностными алюминольными и силанольными группами монтмориллонита. В результате между слоями и на поверхности наночастиц достигается максимальная концентрация ионов биометалла.
Используя для отделения монтмориллонита от маточного раствора центрифугирование, специальную промывку и сушку с последующим измельчением, можно получить ультрадисперсные порошки в различной форме, с максимальным содержанием ионов биометаллов и очень высокой адсорбционной активностью.
Дополнительное применение кремнийорганических полимерных структур в указанных выше наносистемах позволяет синтезировать различные препараты, в том числе антимикробные с широким спектром применения и высокими эксплуатационными характеристиками.
ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ, ВНЕДРЕНИЕ
Результаты проведенного комплекса работ.
Разработан лабораторный технологический регламент получения ультрадисперсного интеркалированного монтмориллонита в Ag- и Cu-формах.
Предложены лабораторные методики количественного определения обменных катионов и общего содержания серебра и меди в монтмориллоните.
Получены лабораторные образцы ультрадисперсного монтмориллонита в Ag-, Cu-, Zn-, Co- и Ce-формах.
Разработаны технические условия на ультрадисперсные порошки монтмориллонита в Ag-форме и на водно-спиртовые дисперсии на их основе.
Исследованы структура и размеры нанодисперсных коллоидов монтмориллонита, а также образцы монтмориллонита в Na-, Cu- и Ag-формах. Для этих целей использованы ультразвуковое диспергирование, АСМ и динамическое рассеяние света. Показано, что в образцах присутствуют частицы размерами 10–20 нм и их агрегаты размером поряда 200 нм (рис.3–6).
Методом ИК-спектроскопии исследованы состояние и степень интеркаляции нанодисперсных коллоидов монтмориллонита в Ag- и Cu-формах. Установлено, что ИК-характеристики наносистем в Ag-и Cu-формах существенно отличаются (рис.7). Также выявлено влияние ультразвуковой обработки на состояние наносистем, что подтверждает эффективность метода для оценки молекулярно-ионной структуры и процессов ионного обмена в наносистемах [2].
Проведена оценка бактерицидных свойств водных дисперсий монтмориллонита, модифицированного ионами различных металлов. Установлено, что 5%-ные водные растворы дисперсий обладают высокой антимикробной активностью в отношении грамположительной, грамотрицательной и спорообразующей флоры.
Оценены фунгицидные свойства водных дисперсий монтмориллонита, модифицированных ионами различных металлов. Установлено, что наибольшей антифунгальной активностью обладают дисперсии в Ag-, Zn- и Cu-формах, демонстрирующие фунгистатические и фунгицидные свойства, разнящиеся по отношению к различным видам грибов.
Исследована санитарно-химическая стабильность нанокомпозитных материалов. Методом термодесорбционной хроматомасс-спектрометрии установлено, что антимикробные наноструктурированные добавки монтмориллонита в Ag-, Co- и Cu-формах к лакокрасочным материалам обеспечивают многократное уменьшение токсичных газовыделений летучих органических соединений.
В рамках российского научного проекта “Марс-500” проведены натурные 105-суточные испытания постельного и нательного белья, модифицированного разработанными антимикробными наносистемами. Получены положительные результаты и намечены такие же испытания одежды и элементов интерьера.
На ФГУП "Реутовский экспериментальный завод средств протезирования" освоен выпуск опытных партий изделий малой ортопедии с антимикробными наноструктурированными покрытиями на основе полимерных композиций [3].
Под зарегистрированным названием “Moonclay” (unguentum, AgCu) выпущена опытная партия бактерицидной и фунгицидной мази для обработки кожи [3].
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ НАНОСИСТЕМ
В первую очередь предполагается организовать производство продукции для следующих областей применения:
антимикробная и фунгицидная обработка текстильных изделий;
антимикробные лакокрасочные материалы;
полимерные изделия (в том числе медицинские) с антимикробными свойствами;
лечебные косметические средства.
После проведения следующего этапа научно-исследовательских работ планируется разработать и запустить в производство продукцию следующего назначения:
премиксы микроэлементов для животноводства и растениеводства;
новое поколение древесных пеллет (биотоплива) с пониженной эмиссией оксидов азота;
стабилизаторы полимерных материалов нового поколения, уменьшающие почти на порядок газовыделение при их термоокислительной деструкции.
Подробная информация – http://www.nanoapply.ru.
Авторы выражают благодарность И.Махонину, М.Афанасьеву, К.Филиппову (ИПН); Н.Новиковой (ИМБП РАН) и С.Коровину (ЦЛТМ при ИОФ РАН) за активное участие в экспериментальных исследованиях по рассмотренной в статье проблеме и конструктивное обсуждение полученных результатов.
Литература
1. Беклемышев В.И., Махонин И.И., Мауджери У.О.Д. Наноматериалы и покрытия с антимикробными свойствами. В кн.: Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. UNESCO-EOLSS Encyclopedia. – М.: ЮНЕСКО, EOLSS, ИД МАГИСТР ПРЕСС, 2009, с. 804–831.
2. Korovin S.B., Pustovoy V.I., Beklemyshev V.I., Machonin I.I. Infrared Spectroscopy To Characterize Clay Intercalation. International Conference ALT 09 “Advanced Laser Technologies”, Turkey, 2009, p. 15–17.
3. Beklemyshev V.I., Machonin I.I., Maugeri U.O.D., Orlov O.I., Pustovoy V.I. and other. Nanostructured biocides for means of rehabilitation. IV Congress «SIRAS» (Nuove tecnologie e riabilitazione di alta specializzazione), Italy, 2009, р. 25–29.
Отзывы читателей
