CC BY
82
УДК 579; 544.723.21
АДСОРБЦИОННАЯ И ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ СОРБЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО НАНОСТРУКТУРНЫЙ ОКСИГИДРОКСИД АЛЮМИНИЯ
А.Н. Серова1, В.Г. Пехенько2, И.Н. Тихонова1, Е.А. Глазкова1, О.В. Бакина1, М.И. Лернер1, С.Г. Псахье1
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск 2ГБОУ ВПО "Сибирский государственный медицинский университет" Минздравсоцразвития России, Томск
E-mail: [email protected]
ADSORPTION AND ABSORPTION CAPACITY OF THE SORPTION MATERIAL CONTAINING NANOSTRUCTURED ALUMINUM OXYHYDROXIDE
A.N. Serova1, V.G. Pehenko2, I.N. Tikhonova 1, E.A. Glazkova1, O.V. Bakina1, M.I. Lerner1, S.G. Psakhie1
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk
2Siberian State Medical University, Tomsk
Проведено исследование адсорбционной и поглотительной способности сорбционного материала на основе полимерной микроволокнистой матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия. Получены данные об эффективности адсорбции различных видов микроорганизмов - E.coli, St.aureus, P.aeruginosa. Установлено, что поглотительная и адсорбционная способности оксигидроксида алюминия определяются его объемной плотностью и содержанием материала в полимерной матрице. Закрепление микроорганизмов на поверхности сорбционного материала обусловлено адсорбцией микроорганизмов и их физико-химической адгезией на частицах оксигидроксида алюминия.
Ключевые слова: сорбционный материал, оксигидроксид алюминия, адсорбционная и поглотительная способность.
The absorption and adsorption capacity of the sorption materials containing aluminum oxyhydroxides immobilized on the polymer microfibers was investigated. The study showed effective adsorption of different types of microorganisms (E.coli, St.aureus, and P.aeruginosa) on the samples of sorption materials. Data suggested that the absorption and adsorption capacity of the samples depended on the volumetric density of aluminum oxyhydroxide and content of material in the polymer matrix. Microorganism fixation at the surface of sorption material was caused by adsorption and physicochemical adhesion of microorganisms to the aluminum oxyhydroxide particles.
Key words: sorption material, aluminum oxyhydroxide, adsorption and absorption capacity.
Введение
В связи с широким распространением лекарственноустойчивых форм бактерий перспективным научно-практическим направлением лечения инфицированных ран является создание и внедрение в медицинскую практику сорбционно-активных перевязочных материалов [1]. Действие применяемых перевязочных средств должно соответствовать особенностям фазы раневого процесса. В первой фазе необходимо обеспечить антимикробное, неполитическое, сорбирующее, обезболивающее и защитное действие, во второй и третьей фазах следует создать условия для оптимального течения репаративных процессов [2]. В связи с этим применяемые перевязочные средства должны активно сорбировать раневое содержимое, предотвращать повторное инфицирование раны, создавать оптимальный влажностный режим в ране и способствовать активной регенерации тканей. Для повышения сорбции микроорганизмов перевязочные материалы могут содержать ТЮ2, БЮ2, А1203, углеродные материалы и др. [10, 12].
Одним из перспективных направлений является создание новых сорбционных материалов и ранозаживля-
ющих повязок, которые в качестве активной фазы включают электроположительные высокопористые частицы оксигидроксида алюминия для поглощения биологических жидкостей, адсорбции и инактивации патогенных микроорганизмов [10].
Цель работы: изучение адсорбционной и поглотительной способности сорбционного материала на основе микроволокнистой полимерной матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия.
Материал и методы
В качестве объектов исследования использовали образцы оксигидроксида алюминия (ОГА), полимерной микроволокнистой матрицы (ПММ) и сорбционного материала (СМ) [6]. Последний представляет собой полимерную микроволокнистую матрицу с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия (рис. 1). Исследование морфологии сорбционного материала проводили методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO 50.
Ранее было показано, что эффективность адсорбции
микроорганизмов сорбционным материалом зависит от знака и величины дзета-потенциала частиц оксигидрок-сида алюминия [6, 8]. Поскольку микроорганизмы имеют в основном отрицательный заряд в воде, на сорбционном материале с положительным зарядом поверхности происходит адсорбция, в том числе и по электрокинети-ческому механизму.
В исследовании использовали следующие тест-культуры микроорганизмов: E. coli 7935 - короткие (длина 1-3 мкм, ширина 0,5-0,8 мкм) полиморфные подвижные и неподвижные грамотрицательные палочки; St. aureus 209 - грамположительные шаровидные клетки диаметром 0,5-1,5 мкм; P. aeruginosa 27583 - грамотрицатель-ная прямая палочка длиной 1-3 мкм и шириной 0,5-
0,7 мкм.
Определение адсорбционной активности оксигидрок-сида алюминия, полимерной микроволокнистой матрицы и сорбционного материала по отношению к указанным культурам микроорганизмов проводили в статических условиях, взяв за основу метод Е.В. Диановой и А.А. Ворошиловой [3]. Для этого образцы сорбционного материала помещали в стерильные колбы и добавляли 30 мл бактериальной суспензии с концентрацией 1,0х103 КОЕ/мл. Колбы периодически встряхивали на орбитальном шейкере (PSU - 20i) для интенсификации процесса сорбции. Далее пробы центрифугировали в течение 3 мин при скорости вращения 1300 об./мин и осуществляли посев 1 мл надосадочной жидкости на МПА. Посевы инкубировали в термостате при температуре 37±1 °С в течение 24 ч, далее подсчитывали колонии. Таким же методом проводили адсорбцию микроорганизмов на образцах полимерной микроволокнистой матрицы и оксигид-роксида алюминия, при том же соотношении компонентов. Адсорбцию микроорганизмов на образцах оксигид-роксида алюминия, в отличие от волокнистых материалов, осуществляли при постоянном перемешивании суспензии в течение 30 мин на магнитной мешалке со скоростью 500 об./мин.
Кроме того, изучение адсорбции микроорганизмов образцами исследуемого материала выполняли in vitro
методом “Antibacterial Finishes on Textile Materials: Assessment of” AATCC тест метод 100-2004 [11]. Исследования проводили на образцах сорбционного материала с различным содержанием оксигидроксида алюминия. В качестве контроля использовали стерильную марлю. На тестируемые и контрольные образцы диаметром 47 мм наносили культуры микроорганизмов. После инкубации образцов бактерии элюировали при встряхивании со 100 мл физиологического раствора. Затем определяли количество бактерий, присутствующих в жидкости и рассчитывали эффективность адсорбции микроорганизмов.
Исследования адсорбционной и поглотительной способности образцов СМ выполняли на модельных жидкостях: физиологическом растворе, донорской крови и крови, зараженной St. aureus [9, 4]. Донорскую кровь заражали St. aureus, чтобы его концентрация составила 1,0х103 КОЕ/мл и выдерживали в термостате в течение 24 ч при температуре 37±1 °С. Образцы исследуемых материалов массой 0,40 г выдерживали в модельных жидкостях в соотношении 1 : 100 при комнатной температуре (22±2 °C) в течение 0,5; 1; 3 ч. По достижении определенного времени контакта образцы материала извлекали. В течение 10 с давали стечь остаточной жидкости, образцы взвешивали, а затем центрифугировали в течение 30 мин при 3000 об./мин. По разнице массы образцов рассчитывали поглотительную и адсорбционную способность материала [4, 9]. Поверхностная плотность всех исследуемых образцов составляла 0,04±0,01 г/см2.
Статистическая обработка результатов осуществлялась с применением пакета статистических программ STATISTICA for Windows (версия 5.0) с предварительной оценкой нормальности распределения и использованием t-критерия Стьюдента.
Результаты и обсуждение
Для исследования адсорбционной способности образцов использовали штаммы микроорганизмов E. coli 7935, St. aureus 209, P- aeruginosa 27583 как наиболее часто встречающихся представителей микрофлоры инфицирован-
Рис. 1. СЭМ-изображения: а - сорбционного материала; б - оксигидроксида алюминия (1), иммобилизованного на полимерном микроволокне (2)
ных ран. Результаты проведенного исследования показали, что микроорганизмы сорбируются с разной степенью эффективности (табл. 1).
Высокодисперсный порошок оксигидроксида алюминия и сорбционный материал показали близкие величины адсорбции по исследуемым микроорганизмам, поскольку микроорганизмы адсорбируются в основном на частицах оксигидроксида алюминия [7], а по условиям эксперимента образцы ОГА и СМ содержат одинаковое количество активной фазы. Низкая эффективность адсорбции микроорганизмов полимерной матрицей объясняется тем, что снижение концентрации микроорганизмов происходит только за счет поглощения и удерживания жидкости, содержащей микроорганизмы в межволокон-ном поровом пространстве. Таким образом, эффективность удержания микроорганизмов сорбционным материалом определяется адсорбцией бактерий оксигидрок-сидом алюминия и поглощением бактериальной суспензии волокнистой полимерной матрицей.
Исследование влияния содержания оксигидроксида алюминия (ОГА) на адсорбцию тестируемых микроорганизмов сорбционным материалом показало, что с увеличением содержания активной фазы ОГА, при полном поглощении бактериальной суспензии, эффективность удержания микроорганизмов возрастала (табл. 2). Несмотря на различную морфологию микроорганизмов, эффективность адсорбции достигала 98-99% при одинаковом содержании активной фазы [7].
Исследование адсорбционной и поглотительной способности сорбционного материала проводили на физиологическом растворе и модели раневого экссудата - донорской крови, которая отличается более высокой вязкостью и представляет собой сложный комплекс различных биологических компонентов (табл. 3, 4).
Результаты проведенных исследований показали что, с увеличением объемной плотности образцов сорбционного материала снижается его поглотительная способность в связи с уменьшением межволоконного порового
Таблица 1
Эффективность адсорбции микроорганизмов сорбционным материалом и его компонентами
Образцы Влагопоглощение, г/г Эффективность удержания микроорганизмов, %
E. coli (n=11) St. aureus (n=6) P. aeruginosa (n=14)
ОГА 1,8+0,2 86,8+0,24 92,9+0,22 7В,6+0,39
ПММ 22,0+3,0 3В,2+0,23 29,2+0,47 37,В+0,В9
СМ 12,0+2,0 83,9+0,11 83,9+0,2В 79,6+0,36
Таблица 2
Влияние содержания ОГА в сорбционном материале на эффективность адсорбции микроорганизмов
Образец Наименование культуры Содержание ОГА, % Эффективность адсорбции, %
1 E.coli 793В 35+1,8 99,50+0,01
2 30+2,4 98,90+0,05
3 St.aureus 209 33+2,8 97,17+0,18
4 17+2,5 92,67+0,41
В P.aeruginosa 27В83 32+2,5 98,25+0,11
6 27+2,7 96,68+0,11
Таблица 3
Поглотительная способность сорбционного материала
№ Объемная Время экспозиции, ч
плотность, г/см3 Донорская кровь, г/г Донорская кровь со St. aureus, г/г Физиологический раствор, г/г
0,5 1 3 0,5 1 3 0,5
1 0,058 18,98+0,11 19,87+0,06 18,72+0,08 12,26+0,01 13,74+0,03 13,14+0,05 16,93+0,02
2 0,118 12,79+0,05 11,75+0,03 12,31+0,01 10,89+0,14 11,31+0,04 11,18+0,03 9,88+0,02
3 0,138 11,97+0,04 13,05+0,04 11,20+0,05 8,71+0,01 9,44+0,06 10,34+0,05 10,15+0,03
Таблица 4
Адсорбционная способность материала
№ Объемная Время экспозиции, ч
плотность, г/см3 Донорская кровь, г/г Донорская кровь со St. aureus, г/г Физиологический раствор, г/г
0,5 1 3 0,5 1 3 0,5
1 0,058+0,02 8,03+0,05 8,20+0,02 8,16+0,05 6,26+0,03 6,64+0,02 6,12+0,02 6,06+0,01
2 0,118+0,01 7,77+0,02 7,03+0,03 7,70+0,04 6,71+0,02 6,59+0,01 6,39+0,02 5,49+0,02
3 0,138+0,01 6,41+0,01 7,79+0,02 6,98+0,03 6,59+0,02 6,02+0,02 5,52+0,01 5,42+0,02
пространства. Кроме того, на поглотительную способность влияет состав модельной жидкости. Поглощение крови сорбционным материалом складывается из впитывания и удержания отдельных ее компонентов - белков и форменных элементов крови. Поглотительная способность всех исследуемых образцов на крови, зараженной St aureus, снижается. Вероятно, это связано с повышением вязкости крови вследствие выделения микроорганизмами ферментов коагулирования, что затрудняет проникновение компонентов в межволоконное пространство.
Адсорбционная способность в меньшей степени зависит от объемной плотности сорбционного материала (табл. 4), и определяется в основном составом модельной жидкости. Кровь состоит из жидкой части - плазмы и взвешенных в ней эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, поэтому, вероятнее всего, из крови адсорбируются белки и форменные элементы. Следовательно, величина адсорбции компонентов крови выше по сравнению с физиологическим раствором.
Следует отметить, что, помимо физической адсорбции на частицах оксигидроксида алюминия [8] микроорганизмы используют для адгезии на различных субстратах дополнительные механизмы фиксации (тейхое-вые кислоты, фимбрии, белки наружной мембраны и др.) [5]. Возможно, в удерживании микроорганизмов на частицах оксигидроксида алюминия принимает участие гли-кокаликс, представляющий полисахаридные волокна клеточной стенки бактерии, основная функция которого -адгезия к различным субстратам. Комплекс адсорбирующих приспособлений позволяет микроорганизмам достаточно прочно фиксироваться на различных поверхностях. Полученные данные свидетельствуют о необходимости дальнейшего исследования механизмов адсорбции микроорганизмов с учетом природы их взаимодействия с оксигидроксидом алюминия.
Таким образом, исследованный сорбционный материал на основе полимерной микроволокнистой матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия может быть рекомендован в качестве перевязочного материала для поглощения и адсорбции микроорганизмов на раневой поверхности.
Выводы
1. Сорбционные материалы на основе полимерной мик-роволокнистой матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия с высокой эффективностью сорбируют микроорганизмы различной морфологии - E. coli, St. aureus и P. aeruginosa.
2. Адсорбционная способность материала определяется содержанием оксигидроксида на волокнах полимерной матрицы. С увеличением содержания ОГА эффективность удерживания микроорганизмов на сорбционном материале возрастает.
3. Поглотительная способность материала определяется его объемной плотностью и свойствами поглощаемой жидкости. С уменьшением объемной плотности повышается поглотительная способность сорбционного материала. Увеличение вязкости модельной жидкости приводит к снижению поглотительной способ-
ности.
Работа выполнена при финансовой поддержке ГК № 14.527.12.0001 и Программы V373.
Литература
1. Абаев Ю.К., Лугин В.Г., Капуцкий В.Е. и др. Сорбционные свойства перевязочных материалов // Медицинский журнал : научно-практический рецензируемый журнал. - 2008.
- № 2. - С. 19-21.
2. Абаев Ю.К. Хирургическая повязка. - Минск : Беларусь, 2005.
- 150 с.
3. Ворошилова А.А., Дианова Е.В. Окисляющие нефть бактерии показатели интенсивности биологического окисления нефти в природных условиях // Микробиология. - 1952. -Т. 21, вып. 4. - С. 408-415.
4. ГОСТ 5556"81. Вата медицинская гигроскопическая. Технические условия. [Электронный ресурс]. - URL: http:// www.internet-law.ru/gosts/gost/13732/ (дата обращения: 19.03.2012, сайт “Интернет и Право”).
5. Коваленко Г.А, Перминова Л.В., Чуенко Т.В. и др. Углеродсодержащие макроструктурированные керамические носители для адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов // Биотехнология. - 2006. - № 1. - С. 102113.
6. Лернер М.И, Бакина О.В., Глазкова Е.А. и др. Высокопроизводительный фильтр для очистки воды от коллоидных и микробиологических загрязнений // Экология и промышленность. - Сентябрь 2010. - С. 4-7.
7. Лернер М.И., Бакина О.В., Глазкова Е.А. и др. Адсорбция микроорганизмов и бактериального эндотоксина на модифицированных полимерных волокнах // Перспективные материалы. - 2011. - № 3. - С. 53-59.
8. Ложкомоев А.С. Роль дзета-потенциала оксогидроксида алюминия при адсорбции бактериофага MS2 // Перспективные материалы. - 2009. - № 1. - С. 39-42.
9. Мишарев О.С., Абаев Ю.К., Капуцкий В.Е. Препараты моно-карбоксилцеллюлозы в гнойной хирургии // Хирургия. -1988. - № 4. - С. 50-53.
10. Нетканый материал медицинского назначения, обладающий ранозаживляющей, антибактериальной и противовирусной активностью, и перевязочное средство на его основе : пат. 2397781 Рос. Федерация. - № 2009112734/15 ; заявл. 06.04.2009 ; опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24.
11. Antibacterial finishes on textile materials: assessment of developed from American association of textile chemists and colorists // AATCC Technical Manual. - 2006. - P. 149-151.
12. Rui Jin, Kesen Zhao, Jun Liu et al. Medical non-woven fabrics containing inorganic oxides complex powder : pat. 5795836 US. - № 08/907431; 08/18/1998.
Поступила 28.03.2012
Сведения об авторах
Серова Алла Николаевна, инженер ИФПМ СО РАН. Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4. E-mail: [email protected].
Пехенько Владимир Григорьевич, к.м.н., доцент кафедры микробиологии ГБОУ ВПО “СибГМУ” Минздрав-соцразвития России.
Адрес: 634050, г. Томск, Московский тракт, 2.
E-mail: [email protected].
Тихонова Ирина Николаевна, вед. технолог ИФПМ СО РАН.
Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4. Глазкова Елена Алексеевна, к.х.н., с.н.с. ИФПМ СО РАН.
Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4. Бакина Ольга Владимировна, инженер ИФПМ СО РАН.
Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4. Лернер Марат Израильевич, докт. тех. наук, зав. лаб.
ИФПМ СО РАН.
Адрес: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4. Псахье Сергей Григорьевич, чл.-корр. РАН, директор ИФПМ СО РАН.
Адрес: 634021, Томск, пр. Академический, 2/4.
