CC BY
175
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
УДК 579+544.653.3
Гарасько Екатерина Владимировна
доктор медицинских наук Ивановская государственная медицинская академия
Чуловская Светлана Альбертовна
кандидат химических наук Институт химии растворов РАН (Иваново)
Парфенюк Владимир Иванович
доктор химических наук Институт химии растворов РАН (Иваново)
БИОЦИДНЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ СЕРЕБРА
В статье показаны возможности применения наноразмерных частиц серебра для модификации традиционных медицинских материалов с целью придания им эффективных биоцидных свойств. Применяемые в исследовании наноразмерные частицы серебра получены методом катодного восстановления из водно-органических растворов электролитов.
Ключевые слова: нанотехнологии, электролиз, наноразмерные порошки серебра, биоцидные свойства.
В последнее десятилетие наноматериа- серебра для модификации традиционных меди-
последнее десятилетие наноматериаловедение получило широкое развитие. Наноструктурные композиции, составляющие элементы которых не превышают размер ~ 100 нм хотя бы в одном направлении, обладают совершенно новыми, отличными от соответствующих конденсированных тел функциональными характеристиками [5, с. 454; 6, с. 365; 7, с. 288] и имеют большие возможности для продуктивного развития многих областей науки и техники. В частности, в медицине для создания санитарно-гигиенических средств нового поколения: имплантантов, адгезинов, систем для доставки лекарств, антибактериальных покрытий для биомедицинских приборов и противомикробных упаковок [3, с. 116-119; 1, с. 84].
Нами [9, с. 58-63; 10, с. 282-286.] разработан метод электрохимического катодного восстановления наноразмерных порошков различных металлов из водно-органических растворов электролитов, позволяющий, при правильно выбранных условиях синтеза, направленно регулировать размерные параметры частиц. Высокодисперсные порошки могут быть получены на предельных плотностях тока в присутствии поверхностно-активных добавок. Электролитически полученные порошки отличаются чистотой и развитой удельной поверхностью.
В представленной работе показаны возможности применения синтезированных наночастиц
цинских материалов с целью придания им высоких биоцидных свойств.
Электроосаждение серебра проводили из вод-но-этанольных растворов нитрата серебра (AgNO3) в стеклянной электрохимической ячейке в потенциостатическом режиме [8, с. 12981302]. В качестве катода использовали серебряную проволоку. Анодом являлась титановая основа с нанесенным слоем из диоксида рутения RuО2 и диоксида титана ТіО2. Форма анодов и катода выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное распределение тока по поверхности катода. Для приготовления электролита использовали реактивы квалификации «хч».
Размер частиц серебра определяли из микрофотографий, полученных на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100 Л в режиме высокого разрешения. Для построения гистограмм, характеризующих дисперсный состав порошков, делали электронные микроснимки разных участков образца при многочисленных увеличениях.
Рентгенограммы снимали на дифрактометре ДРОН - 3М с использованием Си-Ка излучения. Качественный состав НРПС определяли путем сопоставления межплоскостных расстояний диф-рактограмм исследуемого порошка со справочными данными [4, с. 863].
Антибактериальное действие медицинских материалов с наночастицами серебра, а также
22
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2011 © Гарасько Е.В., Чуловская С.А., Парфенюк В.И., 2011
Ад
ним»
Ад
I.L.. .i. U.----fid ,
Ад
20
30
40
50
60
70
20, град
Рис. 1. Рентгенограмма наноразмерного порошка серебра
ч:
ш
Е
О
листовой серебряной фольги толщиной 0,3 мм изучали на грамположительных прокариотах (фирмикутных бактериях) рода Staphylococcus. В качестве тест-микроба использовали типовой вид рода Staphylococcus - Staphylococcus aureus, ассоциированный с кожными покровами и слизистыми оболочками, способный вызывать оппортунистические инфекции.
При исследовании биоактивности образцов использованы методы, предложенные для установления антимикробной активности антисептиков, нанесенных на текстильные материалы путем пропитки [2, с. 223].
Суточную культуру тест-штамма смывали физиологическим раствором и подводили под оптический стандарт мутности, соответствующий
5 единицам (500 млн. микробных клеток в 1 мл). Из исходной стандартной взвеси готовили десятикратные разведения, достигая рабочей концентрации 1000 микробных клеток в 1 мл.
Испытания образцов на бактерицидность проводили в двух вариантах по ниже представленной методике.
По первому варианту - посев «газоном» -в чашки Петри с мясо-пептонным агаром вносили 1,0 мл тест-культуры, сверху помещали испытуемые образцы размером 10x10 мм. Чашки Петри инкубировали 24 часа в термостате при 370 С.
06 антимикробной активности испытуемых образцов судили по степени угнетения роста микроорганизмов (зона ингибиции до 10 мм - отсутствие биоактивности, 11-15 мм - слабая активность, 15-25 - выраженная активность; зона, превышающая 25 мм, свидетельствует о высокой антимикробной активности).
Для выявления пролонгированного действия наночастиц серебра на микроорганизмы в ходе
эксперимента через 24 часа инкубации в термостате чашки выдерживали еще 24 часа при комнатной температуре, затем испытуемые образцы снимали с поверхности инфицированного агара и длительно выдерживали чашки Петри при комнатной температуре, фиксируя изменения результатов на 7-е, 14-е сутки и т.д.
По второму варианту аналогично методике определения чувствительности микроорганизмов к антибиотикам в жидкой питательной среде испытуемые образцы помещали в пробирки с 9,0 мл мясо-пептонного бульона и 1,0 мл тест-культуры взвеси микроорганизмов (посевная доза 1000 клеток в 1 мл). Пробирки инкубировали при температуре 370 С 24 часа и выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Учет результатов включал определение коэффициентов пропускания и оптической плотности раствора в пробирках с исследуемыми и контрольными образцами на колориметре фотоэлектрическом концентрационном КФК-2. Затем для подтверждения наличия бактерицидных свойств у исследуемых образцов проводился высев из всех пробирок на чашки Петри с желточно-солевым агаром (ЖСА) для подсчета выросших колоний и определения колониеобразующих единиц (КОЕ).
Таблица1
Биоактивность и значения зон ингибиции роста (мм) исследуемых образцов в отношении St. aureus.
Биоактивность Образцы
a b c d f
отсутствует i 3
выраженная i5
высокая 38 35
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 20ii
23
Рис. 2. Снимки исходных перевязочных материалов (а, b), серебряной фольги (с) и модифицированных медьсодержащими порошками (d, f) после воздействия на бактериальный газон со штаммами St. aureus на плотной питательной среде
Для исследований биоактивности применены наноразмерные частицы серебра (НРЧС), полученные электровосстановлением из водно-эта-нольных растворов нитрата серебра со средним размер частиц ~ 100 нм [8, с. 1298-1302]. Из анализа значений межплоскостных расстояний, соответствующих различным положениям максимумов на дифрактограмме (рис. 1), следует, что в состав полученного вещества входят только частицы серебра.
Результаты исследования биоактивности (табл. 1) показали, что чистые различные медицинские материалы (образцы a, b), металлическое серебро (образец с) и модифицированные на-норазмерными частицами серебра материалы (образцы d, f) ведут себя по-разному.
Как представлено на рисунке 2, немодифици-рованные образцы (a, b) не проявляют антимик-
робной активности в отношении тест-культуры St. aureus. Химически чистое металлическое серебро (c) хотя и имеет выраженную биоактивность, но зона подавления роста тест-бактерий у образца значительно меньше, чем у материалов, модифицированных НРЧС, имеющими высокую биоактивность (d, f).
Данный вариант испытаний рассматривается как модель развивающегося инфекционного процесса, включающего его начальный этап - адгезию микроорганизмов на поверхности кожи или слизистых и возможность ингибирования этого этапа для предотвращения развития инфекционного процесса с целью профилактики инфекции. В этой связи следует отметить, что преимущество НРЧС перед остальными обеззараживающими реагентами заключается в том, что их бактерицидное действие сохраняется в течение длительного времени.
В настоящем исследовании выявлено пролонгированное бактерицидное действие наноразмер-ных частиц серебра. Установлено, что при диффузии в течение 24-48 часов в питательный агар наночастиц серебра из образцов модифицированных материалов антимикробное действие сохраняется длительное время после их удаления. В зоне задержки роста и на месте удаленных нанообразцов не отмечается рост микробов, тогда как на месте немодифицированных образцов питательный агар быстро инфицируется.
Результаты микробиологических исследований биоактивности исследуемых образцов на плотной питательной среде коррелируют с результатами оценки биоактивности в жидкой питательной среде (табл. 2) с последующим высевом (рис. 3).
Как видно из представленных данных, металлическое серебро (c) в жидкой питательной среде проявляет биоактивность и значительное подавление роста тест-культуры. Наночастицы серебра проявляет высокую биоактивность и полное подавление тест-культуры (d, f). Коэффициент пропускания в пробирках с данными образцами
Таблица 2
Влияние наноразмерных порошков серебра на выживаемость St. Aureus в жидкой питательной среде
Показатели Об разцы
a b c d f
коэффициент пропускания, % 72 75 83 98 96
КОЕ/мл 1000> 1000> <100 <10 <5
24
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2011
Рис. 3. Демонстрация воздействия испытуемых образцов на штаммы St. Aureus после высева из жидкой питательной среды
был максимальным (табл. 2). Отсутствие роста при высеве из жидкой питательной среды подтверждает биоактивность исследуемых НРЧС (рис. 3).
Этот вариант испытаний можно рассматривать как модель уже развившегося инфекционного процесса, включающего размножение микроорганизмов в ране и накопление условно-патогенных микроорганизмов в раневом отделяемом подлежащих тканей в диагностически значимом количестве (КОЕ = 103 и выше). Именно такое количество тест-микробов (1000 и >) содержалось в жидкой питательной среде при внесении в нее испытуемых образцов и было практически полностью инактивировано.
Таким образом, показано, что с применением данной методики получены более точные результаты, подтверждающие гибель тест-микробов в жидкой среде с наноразмерными частицами серебра. Это весьма существенно при антибио-тикорезистентности возбудителей раневой инфекции, при лечении трофических язв и др.
Выводы
1. Применение серебра в наноразмерной форме позволяет в сотни раз снизить концентрацию серебра с сохранением бактерицидных свойств химически чистого металлического серебра.
2. Большая удельная площадь поверхности
увеличивает область контакта наночастиц серебра с микроорганизмами, улучшая его бактерицидные свойства.
3. Новая форма серебра в виде наночастиц открывает широкие возможности для создания эффективных медицинских материалов с повышенной биоактивностью.
Библиографический список
1. Алексеева О.В., Чуловская С.А, Багров-ская Н.А., ГараськоЕ.В. и др. Физико-химические и антимикробные свойства пленочных нанокомпозитов на основе гидрооксиэтилцеллюлозы // Жидкие кристаллы и их практическое использование. - 2007. - №2 22. - С. 84.
2. Вольф Л.А., Меос А.И. Волокна специального назначения. - М.: Химия, 1971. - 223 с.
3. Гарасько Е.В., Тесакова М.В., Чуловская С.А., Парфенюк В.И. Применение нанораз-мерных медьсодержащих порошков в качестве эффективных биоцидных препаратов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2008. - № 8. -С. 116-119.
4. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: Физма-тиздат, 1961. - 863 с.
5. Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. - М.: Физ-матлит, 2008. - 454 с.
6. РыжонковД.И. Наноматериалы. - М.: Бином, 2008. - 365 с.
7. СергеевГ.Б. Нанохимия. - М.: МГУ, 2003. -288 с.
8. Чуловская С.А., Гарасько Е.В., Парфе-нюк В.И. Электрохимическое получение и свойства ультрадисперсных частиц серебра // ЖПХ. -2009. - № 8. - С. 1298-1302.
9. Чуловская С.А., Парфенюк В.И. Влияние состава электролитного раствора на процесс электрохимического синтеза наноразмерных медьсодержащих порошков // Электронная обработка материалов. - 2008. - N° 1. - С. 58-63.
10. Чуловская С.А., Парфенюк В.И. Электрокристаллизация и физико-химические свойства наноразмерных медьсодержащих порошков // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2009. - №° 3. - С. 282-286.
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2011
