CC BY
7ОЦЕНКА СОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА НА ВОЛОКНАХ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
1 9
Шашков Д.И.1, Малышко В.В.2
!ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», Краснодар
л
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет»,
Краснодар
Аннотация
В исследовании установлены особенности сорбционной активности наночастиц серебра (НЧС) на биоразлагаемых полимерах естественного и искусственного происхождения. Продемонстрирована способность волокон естественного происхождения более активно сорбировать НЧС на поверхности в течение первых суток при экспозиции в аргогеле. При инкубации этих полимеров в гелевой композиции, содержащей НЧС, полученные методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, в первый час выявлена более высокая их сорбционная активность в размерном диапазоне от 1 до 10 нм по отношению к синтетическому материалу, тогда как через 24 часа экспозиции наблюдалось значительное возрастание доли малых НЧС уже на коллагеновых волокнах, что также сопровождалось значительно меньшим (в 19 раз) содержанием на кетгуте НЧС диаметром свыше 40 нм.
Ключевые слова: сорбционная активность, полиамид, наночастицы серебра, электронная микроскопия.
Введение
Наночастицы серебра (AgNPs) находят все большее применение в современной науке и технике, в том числе для биомедицинских целей, что объясняется их особенными, обусловленными размерами, физико-химическими свойствами и биологическими функциями, включающими высокую антимикробную активность и отсутствие токсичности для макроорганизма.
Наноматериалы, базирующиеся на использовании AgNPs [1-3], являются также эффективной системой для доставки лекарственных препаратов, увеличения микробицидных свойств шовных и перевязочных расходных средств, повышения жизнеспособности децеллюляризированного матрикса и длительности функционирования специальных покрытий у имплантов. Широкий диапазон антимикробной активности, проявляемой AgNPs, связан прежде всего с размером и целым рядом других физико-химических параметров (форма, концентрация, поверхностный заряд и коллоидное состояние) [4]. Помимо этого, существенное влияние на биологическую активность готовых материалов с наночастицами оказывают и непосредственно носители (например, волокна естественного и искусственного происхождения), сорбирующие AgNPs определенного размера, формы и коллоидного состояния, позволяющие в целом значительно модифицировать их суммарную результативность действия. Вместе с тем и сами наночастицы обеспечивают дополнительные механические, оптические, химические и биологические качества материалам-носителям, которые приобретают особые преимущества при использовании их в биомедицинской практике [5]. Не вызывает сомнения актуальность использования AgNPs в комплексе с естественными или искусственными полимерами, в том числе ^изопропилакриламидой и целлюлозой. При этом выраженное стабилизирующее воздействие на синтез AgNPs оказывала их инкубация с желатином, увеличивающим в последующем противомикробную активность.
Также широко наночастицы серебра используются и в медицине [6, 7], как обладающие антивирусной и иммуномоделирующей активностью, в том числе при респираторной патологии ткани [8, 9]. Описанный эффект достигается как за счет фиксации НЧС к гликопротеинам вируса, благодаря чему блокируется проникновение вирусных частиц непосредственно в клетку, так и путем активации нейтрофилов в легочной ткани. Антимикробная активность и цитотоксичность наночастиц серебра сильно варьируется в зависимости от физико-химических свойств полимера, используемого в
качестве их носителя [10, 11]. Например, были получены данные об эффективности комплексного использования наночастиц серебра в процессе обработки волокон полиамида 6.6, что позволяло увеличить антибактериальную активность полученных образцов в отношении некоторых штаммов S. aureus и E. coli. [12]. При этом в одном из исследований было показано, что электромагнитное излучение деци- и нанометрового диапазона усиливает прикрепление наночастиц серебра на поверхности ультратонких полипропиленовых волокон, препятствуя агломерации НЧС и обеспечивая их стабилизацию на поверхности за счет формирования надмолекулярных структур, значительно повышающих в итоге микробицидную активность пленки [13]. Более того, при обработке биодеградируемого шовного материала наночастицами серебра, он не только сохраняет антибактериальную активность последних, но и ускоряет заживление ран, что дополнительно демонстрирует актуальность исследования сорбционной активности НЧС на поверхности ряда полимерных структур [12, 14], принимая во внимание определенные сложности за контролем течения раневого процесса при использовании отдельных видов перевязочного материала [15, 16].
Учитывая вышеизложенное, целью настоящего исследования являлось изучение взаимодействия НЧС, содержащих в качестве лиганда поливинилпирролидон, с биодеградируемыми полимерами, в том числе синтетическим, на основе полиамида 6.6 и естественного происхождения, состоящего преимущественно из коллагеновых волокон.
Ход выполнения эксперимента
В ходе работы применяли наночастицы серебра официального средства «Аргогель», а также получали ex témpora НЧС для гелевой композиции А на основе желатина [17]. Гелевую композицию А изготовляли на основе водного
раствора НЧС, полученного методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления [7].
Для оценки полученных результатов использовали технические устройства и оборудование научно-образовательного центра «Центр коллективного пользования диагностики структур и свойств наноматериалов» ФГБОУ ВО Кубанский государственный университет (г. Краснодар). Выраженность процесса сорбции наночастиц на поверхности биоразлагаемых волокон: полифиламентного синтетического материала («Капроаг»), состоящего из полиамида 6.6, и рассасывающегося шовного материала естественного происхождения из натуральной коллагеновой ткани («Кетгут»), проводили при помощи электронной микроскопии в режиме СОМРО.
Результаты эксперимента
С помощью электронной микроскопии установлено, что через 1 час экспозиции обоих исследуемых полимерных материалов в аргогеле на микрофотографиях имеется определенное соотношение различных размерных рядов НЧС для каждого типа биоразлагаемых волокон (рис.1). При этом согласно полученным данным на микрофотографиях коллагеновых волокон преобладали наночастицы размерных рядов 1-10 нм и 25-40, в то время как на искусственных волокнах, состоящих из полиамида, было выявлено преобладание наночастиц размером 25-40 нм и НЧС свыше 40 нм.
Рис. 1. Распределение наночастиц серебра по размерам, полученное при анализе электронной микрофотографии после экспозиции в аргогеле в течение
1 часа волокон кетгута (А) и капроага (Б)
Спустя сутки было отмечено существенное изменение соотношения разных размеров НЧС на микрофотографиях. Так, на поверхности кетгута по-прежнему преобладали НЧС размерного ряда 1-10 нм, в то время как количество НЧС других исследуемых размерных диапазонов существенно уменьшилось (рис. 2), что говорит о выраженной десорбции наночастиц размером свыше 10 нм. При этом наименее выраженная десорбция наблюдалась у наночастиц размером свыше 40, их количество снизилось с 18,8% лишь до 13,7% (р<0,05). На поверхности биоразлагаемых искусственных волокон спустя 24 часа экспозиции также было отмечено преобладание размерного диапазона 1 -10 нм (рис. 2Б), однако снижение абсолютного количества НЧС прочих размерных диапазонов не было столь выраженным.
При экспозиции кетгута в исследуемой гелевой композиции А в течение 1 часа были отмечены только крупные агломераты наночастиц серебра размером свыше 40 нм.
Спустя 1 сутки инкубации в гелевой композиции А нами было определено следующее распределение наночастиц на биодеградируемых полимерах искусственного и естественного происхождения (рис. 3). При этом на микрофотографиях волокон кетгута преобладали НЧС размерного диапазона 1-10 нм, а также появились наночастицы размером 10-40 нм (рис. 3А), в то время как количество наночастиц из преобладавшего ранее диапазона (свыше 40 нм) возросло более чем в 4 раза (р<0,05). Подобная динамика количества наночастиц серебра может свидетельствовать о значительной активности процесса сорбции НЧС из гелевой композиции А в течение 24 часов инкубации.
Рис. 2. Распределение наночастиц серебра по размерам, полученное при анализе электронной микрофотографии после экспозиции в аргогеле в течение
1 суток волокон кетгута (А) и капроага (Б)
Рис. 3. Распределение наночастиц серебра по размерам, полученное при анализе электронной микрофотографии при экспозиции в гелевой композиции А в течение суток кетгута (А) и капроага (Б)
На микрофотографиях волокон капроага также выявлено увеличение количества НЧС свыше 40 нм, в то время как количество наночастиц прочих размерных диапазонов снизилось (рис. 3Б), что может свидетельствовать о выраженном процессе десорбции и возможной агломерации ранее сорбированных НЧС в течение первых суток экспозиции биодеградируемого полимера искусственного происхождения.
Таким образом, полученные результаты указывают на различное сродство наночастиц серебра, содержащих в качестве лиганда поливинилпирролидон, к
биодеградируемым полимерам синтетического (на основе полиамида 6.6) и естественного происхождения (состоящих из коллагена), что проявляется в неодинаковой скорости сорбции НЧС определенных размерных диапазонов в первый час инкубации, а также по-разному выраженной их десорбции и агломерации в течение первых суток экспозиции этих материалов в обоих гелевых композициях.
Заключение
В настоящем исследовании продемонстрирована способность биоразлагаемых волокон естественного происхождения более активно сорбировать (в 3,3 раза, р<0,05) в течение 1 часа наночастицы серебра малого (от 1 до 10 нм) размерного диапазона и сильнее удерживать данные НЧС (на 4,5%, p<0,05) в течение первых суток при экспозиции их в аргогеле по сравнению с искусственными биодеградируемыми полимерами.
В свою очередь при инкубации этих же материалов в гелевой композиции, содержащей наночастицы Ag, полученные методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, в первый час выявлена более высокая сорбционная активность последних (от 1 до 10 нм) по отношению к полифиламентному синтетическому материалу в сравнении с кетгутом, тогда как через 24 часа экспозиции наблюдалось значительное возрастание доли НЧС (до 50%, р<0,05) на коллагеновых волокнах, что превышало аналогичные показатели капроага на 46,4% (р<0,05). При этом через 24 часа относительное количество наночастиц размером свыше 40 нм в большей степени возрастало на поверхности искусственного биодеградируемого волокна, превышая аналогичные показатели содержания крупных НЧС на кетгуте более чем в 19 раз (р<0,05).
Таким образом, полученные данные говорят о большем взаимодействии различных по происхождению наночастиц серебра с функционализированной поверхностью коллагенового волокна, что, возможно, обусловлено повышенным сродством НЧС к карбоксильным, гидроксильным,
карбонильным и первичными аминогруппам, а также азотсодержащим гетероциклическим боковым радикалам аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи коллагена. Подобные их взаимодействия значительно замедляют процесс десорбции и, видимо, агломерации малых НЧС, что позволяет получить наночастицы наиболее приемлемого размерного диапазона (до 10 нм) для достижения ожидаемого микробицидного эффекта [18, 19]. Применяя метод циклической заморозки [20-22] можно дополнительно улучшить данный процесс. В то же время использование синтетических полимеров на основе полиамида 6.6 для создания функционализированных антимикробных материалов целесообразно только при короткой (до 1 часа) экспозиции их в гелевой композиции (содержащей НЧС, полученные методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления), так как при данных условиях применение биоразлагаемых волокон естественного происхождения представляется менее эффективным из-за содержания на их поверхности исключительно агломератов размером свыше 40 нм.
Библиографический список
1. Chen W. C., Shiao J. H., Tsai T. L. et al. // ACS Appl Mater Interfaces. -2020. - V. 12(2). - P. 2783-2792.
2. Ma H., Zeng J., Harrington S. et al. // Nanomaterials (Basel). - 2016. -V. 6(6). - P. e119.
3. Sahu G., Das M., Yadav M. et al. // Polymers (Basel). - 2020. - V. 12(2). - P. e374.
4. Petriev I. S., Bolotin S. N., Frolov V. Y. et al. // Rus Phys J. - 2019. - V. 61. - P. 1894-1898.
5. Petriev I. S., Bolotin S. N., Frolov V. Y. et al. // Doklady Physics. -2019. - V. 64. - P. 210-213.
6. Bahadar H., Maqbool F., Niaz K. et al.// Iran Biomed J. - 2016. - V. 20(1). - P. 1-11.
7. Dzhimak S.S., Sokolov M.E., Basov A.A. et al. // Nanotechnologies in Russia. - 2016. - V. 11. - P. 835-841.
8. Dzhimak S. S., Malyshko V. V., Goryachko A. I. et al. // Rus Phys J. -
2019. - V. 62(2). - P. 314-322.
9. Morris D., Ansar M., Speshock J. et al. // Viruses. - 2019. - V. 11(8). -P. e732.
10. Haggag E. G., Elshamy A. M., Rabeh M. A. et al. // Int. J. Nanomedicine. - 2019 - V.14. - P. 6217-6229.
11. Grabowski N., Hillaireau H., Vergnaud J. et al. // International journal of pharmseutics. - 2015. - V. 482(1-2). - P. 75-83.
12. Haase A., Tentschert J., Jungnickel H. et al. // Journal of physics. - 2011. - V. 304(1). - P. e012030.
13. Ribeiro A. I., Modic M., Cvelbar U. et al. // Nanomaterials (Basel). -
2020. - V. 10(4). - P. e607.
14. Потекаев А. И., Лысак И. А., Малиновская Т. Д. и др. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2020. -Т. 63(3). - С. 94-99.
15. Chen X., Schluesener H. J. // Toxicology letters. - 2008. - V. 176(1). -P. 1-12.
16. Popov К. А., Bykov I. М., Tsymbalyuk I. Yu. et al. // Medical News of North Caucasus. - 2018. - V. 13(3). - P. 525-529.
17. Bykov I. M., Basov A. A., Malyshko V. V. et al. // Bull Exp Biol Med. -
2017. - V. 163(2). - P. 268-271
18. Dzhimak S. S., Sokolov M. E., Basov A. A. et al. // Nanotechnologies in Russia. - 2016. - V. 11(11-12). - P. 846-852.
19. Saleh T., Ahmed E., Yu L. et al. // Artif Cells Nanomed Biotechnol. -
2018. - V. 46(2). - P. 273-284.
20. Джимак С.С., Шашков Д.И., Малышко В.В., Моисеев А.В., Копытов Г.Ф. Формирование однородных наноструктур, содержащих серебро,
на поверхности полимера гликолевой кислоты при циклической заморозке // Известия высших учебных заведений. Физика. 2021. Т. 64. № 6 (763). С. 62-67.
21. Шашков Д.И., Копытов Г.Ф., Малышко В.В., Лыкова А.В., Моисеев А.В., Демин Н.Н., Джимак С.С., Барышев М.Г. Влияние циклической заморозки на динамику нанокластеров серебра на поверхности полипропиленовых и полиэфирных волокон // Известия высших учебных заведений. Физика. 2022. Т. 65. № 2 (771). С. 121-125.
22. Копытов Г.Ф., Малышко В.В., Моисеев А.В., Басов А.А., Джимак С.С. Особенности сорбции наночастиц серебра на поверхности полимерных волокон гликолевой и молочной кислот при циклической заморозке в присутствии желатина и хитозана // Известия высших учебных заведений. Физика. 2022. Т. 65. № 6 (775). С. 105-111.
