CC BY
21
УДК 546.55/.59+544.778.4
ГИБРИДНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ Си/ДИОКСИДИН: КРИОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ
О.И. Верная*, Д.И. Хватов, А.В. Нуждина, В.В. Федоров, В.П. Шабатин, А.М. Семенов, Т.И. Шабатина
(кафедра химической кинетики; *e-mail: olga_vernaya@mail.ru)
Методом криохимического синтеза получены гибридные нанокомпозиты, состоящие из антибактериального препарата диоксидина и наночастиц меди. Методами УФ-спектроскопии, РФА, ПЭМ и низкотемпературной адсорбции аргона показано, что полученные гибридные системы представляют собой частицы диоксидина размером 100-400 нм, внутри которых заключены наночастицы меди размером 50-150 нм. Полученные композиты обладали более высокой активностью по отношению к E. coli 52 по сравнению с исходным диоксидином и наночастицами меди.
Ключевые слова: наночастицы меди, диоксидин, криохимический синтез, гибридные материалы, нанокомпозиты, антибактериальная активность.
В последние годы возрос интерес к гибридным материалам, состоящим одновременно из органических и неорганических компонентов [1, 2]. Включение наночастиц металлов в органическую матрицу позволяет придать ей новые оптические [3], сенсорные [4], каталитические [5], биологические свойства [6] или изменить имеющиеся. Бактерицидные свойства наночастиц серебра и меди обусловливают их включение в органические матрицы (полимерные [7], целлюлозные [8], хитозановые [9]) для придания им антибактериальной активности или для ее повышения. Причем наночастицы меди подобно на-ночастицам серебра обладают (за счет постепенного высвобождения ионов) пролонгированной антибактериальной активностью, в том числе к бактериальным штаммам, устойчивым к действию антибиотиков, но при этом они заметно дешевле, что делает перспективным создание гибридных антибактериальных препаратов, содержащих помимо антибиотиков наночастицы не только серебра [10], но и меди.
Цель настоящей работы - криохимический синтез нанокомпозитов на основе антибактериального препарата диоксидина и наночастиц меди, а также определение их антибактериальной активности.
Экспериментальная химическая часть
Субстанцию диоксидина, соответствующую фармакопейной статье (ФС) 42-2308-97, основный карбонат меди и водный раствор муравьиной кислоты квалификации «ч.д.а.» использова-
ли без дополнительной очистки. Высокодисперсный безводный формиат меди получали по методике [11]. Наночастицы меди получали термическим разложением безводного формиата меди в токе водорода при температуре 200 °С в течение 30 мин. Синтез нанокомпозитов диоксидина с медью проводили следующим образом: 0,005 г наночастиц меди и 1 г диоксидина растворяли в 100 мл дистиллированной воды, помещали в ультразвуковую ванну на 30 мин, распыляли в жидкий азот через пневматическую форсунку и подвергали лиофильной сушке в течение 24 ч. Порошок высокодисперсного диоксидина для сравнительного микробиологического анализа получали по методике, описанной в [12, 13].
Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов проводили на дифрактометре «Rigaku D/MAX-2500» (Япония) при СиКа-излучении (X = 1,54056Ä). Для получения спектров водного раствора образцы в интервале 200-900 нм использовали УФ -спектрометр «SPECORD M 40» («Carl Zeiss», Germany). Определение удельной поверхности (£уд) образцов проводили методом тепловой десорбции аргона на установке на базе хроматографа «Хром 5». Предварительно адсорбированные газы удаляли с поверхности образцов на вакуумной установке. Средний размер частиц (d) рассчитывали по формуле:
d = 6/р£уд,
где р-плотность диоксидина.
Микрофотографии образца получали методом просвечивающей электронной микроскопии
Зоны подавления роста E. coli 52 вокруг таблеток исходного и криомодифицированного
диоксидина после 20 ч инкубации
(ПЭМ) на электронном микроскопе «JSM 6380 LA» при увеличениях х1000 - х20000.
Определение антибактериальной активности образцов осуществляли диско-диффузионным методом с использованием прессованных таблеток полученных композитов, фармакопейного и криомодифицированного диоксидина (масса 100 мг, диаметр 0,5 см), а также дисков фильтровальной бумаги (диаметр 0,5 см), пропитанных коллоидным раствором наночастиц меди (содержание меди на диске 0,0005 г). В качестве тест-культур использовали бактерии E. coli 52, полученные из коллекции культур кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Эксперименты проводили в чашках Петри, 20 мл агаризованной питательной среды, подсушенной в течение суток (толщина слоя среды 4 мм). Измерение зон подавления роста (ЗПР) тест-культур проводили после 20 ч инкубации.
Результаты и их обсуждение
В целях установления химического состава полученных композитов последние были охарактеризованы методами РФА и УФ -спектроскопии. В УФ-спектре водного раствора образца (0,1 мас.%) присутствуют пики с максимумами при 241, 259 и 376 нм, характерные для диоксидина [12, 13]. В полученном спектре отсутствует пик, относящийся к плазмонному резонансу наночастиц меди, что, вероятно, связано с низким ее содержанием (0,5%) в образце.
Набор межплоскостных расстояний (d, Ä) и соответствующих им интенсивностей, рассчитанных на основании рентгеновской дифракто-граммы полученных композитов, соответствуют
набору межплоскостных расстояний и интен-сивностей нанокристаллитов диоксидина [12, 13] и меди (d, Ä - I, %: 8,740-100; 8,026-94,2
7,546-22,3 5,978-43,4 4,470-19,3 3,905-20,5 3,304-67,6
6,899-57,8; 5,177-17,1; 4,345-23,9; 3,678-28,4; 3,206-31,6;
6,681-24,4; 4,952-29,5; 4,072-25,3;
3,440-30; 3,145-18,3;
6,274-50,9 4,498-19,4 4,013-17,6 3,358-99,3 2,091-6,43
1,811-2,6; 1,282-1,3).
Удельная поверхность полученного гибридного материала и рассчитанный на ее основании средний размер его частиц составляют соответственно 17 м /г и 240 нм. Микрофотографии ПЭМ и электронные дифрактограммы полученного порошка свидетельствуют о том, что он представляет собой органические частицы размером 100-400 нм, внутри которых заключены наночастицы меди размером 50-150 нм.
Диско-диффузионным методом была оценена активность полученных композитов по отношению к E. coli 52 в сравнении с диоксидином и на-ночастицами меди (рисунок). Размер ЗПР вокруг прессованных таблеток полученных композитов превышал размер зон задержки роста вокруг таблеток фармакопейного и высокодисперсного диоксидина, полученного методом криохимиче-ского синтеза [12]. Диски фильтровальной бумаги, пропитанные раствором наночастиц меди с концентрацией меди, аналогичной ее концентрации в прессованных таблетках композитов, оказались неактивны по отношению к E. coli 52.
Таким образом, методом криохимического синтеза получены гибридные нанокомпозиты Cu/диоксидин, обладающие более высокой активностью по отношению к E. coli 52 по сравнению с диоксидином и наночастицами меди.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 16-13-10365).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Judeinstein P., Sanchez C. // Mater. Chem. 1996. 6. P. 511.
2. Sanchez C., Julián B., Bellevilleb P., PopallM. // J. Mater. Chem. 2005. Vol. 15. P. 3559.
3. Innocenzi P., Martucci A., Guglielmi M., Armelao L., Pelli S., Righini G.C., Battaglin G.C. // J. Non-Crystall. Sol. 1999. Vol. 259. N 1-3. P. 182.
4. Bescher E., Mackenzie J. D. // Mater. Sci. Eng. C. 1998. Vol. 6. N 2-3. P. 145.
5. Valkenberg M. H., Hölderich W. F. // J. Catal. Rev. 2002. Vol. 44. N 2. P. 321.
6. Zain N. M., Stapley A.G.F. // Carbohydrate Polymers. 2014. Vol. 112. P. 195
7. Zhang N., Yu X., Hu J. // Mater. Lett. 2014. Vol. 125. P. 120.
8. Maneerung T., Tokura S., Rujiravanit R. Impregnation of silver nanoparticles into bacterial cellulose for antimicro-
bial wound dressing. // Carbohydrate Polymers. Vol. 72. Issue 1, 3. April 2008. P. 43-51.
9. Wei D., Sun W., Qian W., Ye Y., Ma X. // Carbohydrate Research Vol. 344. Issue 17, 23. November 2009. P. 2375.
10. Верная О.И., Шабатин В.П., Семенов А.М., Шабатина Т.И. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2016. Т. 57. № 6. С. 388.
11. Архангельский И.В., Валеева А.Р., Шабатин В.П., Четвериков Н.И., Петров Е.Н. // Пат. СССР SU № 1293968 (26.12.1984).
12. Верная О.И., Шабатин В.П., Семенов А.М., Шабатина Т.И. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия.
2016. Vol. 57. № 5. С. 315.
13. Верная О.И., Шабатин В.П., Шабатина Т.И., Хватов Д.И., СеменовА.М., Юдина Т.П., ДаниловВ.С. // ЖФХ.
2017. Т. 91. № 2. C. 230.
Поступила в редакцию 04.04.17
Cu/DIOXIDINE HYBRID COMPOSITES: CRYOCHEMICAL SYNTHESIS AND ANTIBACTERIAL ACTIVITY
O.I. Vernaya*, D.I. Khvatov, A.V. Nuzhdina, V.V. Fedorov, V.P. Shabatin, A.M. Semenov, T.I. Shabatina
(Division of Chemical Kinetics;*e-mail: olga_vernaya@mail.ru)
Hybrid nanocomposites consisting of antibacterial drug dioxidine and copper nanoparticles were obtained by means of cryochemical synthesis. UV spectroscopy, x-ray diffraction, PAM and low-temperature adsorption of argon showed the formation of drug substances particles with the size of 100-500 nm in which copper particles with the size of 50-150 nm are incorporated. The resulting composites possessed higher antibacterial activity against E. coli 52 than initial dioxidine and copper nanoparticles.
Key words: copper nanoparticles, dioxidine, cryochemical synthesis, hybrid materials, nanocomposites, antibacterial activity.
Сведения об авторах: Верная Ольга Ивановна - науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ, канд. хим. наук (olga_vernaya@mail.ru); Хватов Дмитрий Игоревич - магистрант биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (dmitry.khvatov@ gmail.com); Нуждина Анастасия Вячеславовна - мл. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ (donna.nuan@gmail.com); Федоров Владимир Витальевич вед. инженер кафедры химической кинетики химического факультета МГУ, канд. хим. наук; Шабатин Владимир Петрович - ст. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ, канд. хим. наук (vovapsh@rambler.ru); Семенов Александр Михайлович - вед. науч. сотр. кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, докт. биол. наук (amsemenov@list.ru); Шабатина Татьяна Игоревна - зав. лабораторией химии низких температур, вед. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ, доцент, докт. хим. наук (tatyanashabatina@yandex.ru).
