CC BY
67УДК 677.027.4.047.42:677.042.2
А.Д. Дмитриева, В.А. Кузьменко, Л.С. Одинцова, О.И. Одинцова
СИНТЕЗ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ ПРИДАНИЯ ТЕКСТИЛЬНЫМ
МАТЕРИАЛАМ БАКТЕРИЦИДНЫХ СВОЙСТВ
(Ивановского государственного химико-технологического университета)
e-mail: odolga@yandex.ru
Химическим методом в водной среде проведен синтез наночастиц серебра с помощью различных восстановителей при использовании в качестве стабилизаторов гетерогенной системы синтетических полиэлектролитов. Исследованы антибактериальные свойства наночастиц серебра, синтезированных в различных условиях, и их композитов с известными антибиотиками и природными бактерицидами.
Ключевые слова: серебро, наночастицы, стабилизация, синтетический полиэлектролит, антимикробная отделка текстильных материалов
Вследствие длительного использования человеком синтетических антибиотиков, их терапевтическая ценность уменьшилась из-за появления устойчивых к ним микроорганизмов [1]. Развитие сопротивляемости микроорганизмов к антибиотикам происходит из-за мутации микроорганизма, а также из-за приобретения частей ДНК от других организмов. Однако уже на протяжении многих лет бактерии и вирусы не способны выработать «иммунитет» к серебру [2]. В свою очередь, серебро в небольших концентрациях полностью безопасно для млекопитающих животных и человека, рептилий, растений и всех других живых существ, имеющих многоклеточное строение, но губительно для большинства бактерий и вирусов.
Современные успехи в области нанотех-нологии открывают уникальные возможности для разработки принципиально новых технологических процессов получения наноразмерных антимикробных препаратов на основе наночастиц серебра [3]. Эффективность использования наноча-стиц металлов в значительной мере обусловлена возможностью получать частицы заданного размера и свойств, удовлетворяющие требованиям данной научной или практической задачи [4]. При этом наиболее значимым является синтез достаточно стабильных наночастиц, в течение длительного времени сохраняющих высокую химическую или биологическую активность.
Один из немногих известных на сегодняшний день эффективных путей стабилизации, широко применяемых на практике, заключается в получении наночастиц металлов в обратных мицеллах с использованием флавоноидов. Однако этот способ является достаточно трудоемким и не может быть реализован в текстильном производстве [5].
Создание и применение антимикробных текстильных материалов будет способствовать
профилактике инфекционных заболеваний, особенно в больничных условиях. Актуальность придания текстильным материалам антимикробных свойств увеличивается в связи с появлением новых негативных антропогенных факторов, влияющих на здоровье человека: техногенных катастроф, стихийных бедствий, загрязнений биосферы [6].
Доступными и эффективными препаратами, применяемыми в процессе антимикробной отделки текстильных материалов, являются такие известные химические соединения, как катамин АБ, хлоргексидина биглюконат, полиметиленгуа-нидины (ПАГи).
Однако при использовании этих катионак-тивных веществ в большинстве случаев наблюдается специфичность их воздействия на определенные виды микроорганизмов, проявляющаяся либо в отсутствии антимикробного действия на определенные тест-культуры, либо его недостаточности [7].
Целью настоящего исследования являлся синтез наночастиц серебра, стабилизированных синтетическими полиэлектролитами [8], и разработка на их основе бактерицидных текстильных материалов.
Исходным объектом служил водный раствор нитрата серебра AgNO3 квалификации «ч.д.а.». Концентрация серебра в исследуемых растворах составляла 1,177-10 моль/дм3. В качестве восстановителей применяли водные растворы аскорбиновой кислоты, тиомочевины, дитионита и окса-лата натрия с концентрацией от 0,1-до 6 моль/дм3, которые готовили путем внесения соответствующей навески в охлажденную бидистиллированную воду при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки. Для синтеза наночастиц серебра к раствору нитрата серебра определенной концентрации добавляли раствор восстановителя. Соотношение растворов варьировали. В некоторых
случаях вводили растворитель - этиловыи спирт [9]. Для стабилизации гетерогенной системы использовали анионные полиэлектролиты - производные поликарбоксилатов, концентрацию которых варьировали в интервале от 0,4-10-5 моль/дм3 до 0,4-10-6 моль/дм3. Приготовленные растворы нитрата серебра с восстановителем и стабилизатором подвергали нагреванию до температуры 30-90 °C в течение 5-60 мин. Реакцию восстановления серебра проводили на воздухе. Рецепты приготовления коллоидных растворов серебра приведены в табл.1.
Для идентификации полученных коллоидных растворов наносеребра и описания устойчивости их во времени использовали оптический метод [10], основанный на измерении спектра поглощения растворов в области 300-700 нм при комнатной температуре. Оптические измерения выполняли на спектрофотометре «U-2001».
Таблица 1
Композиции для синтеза наночастиц серебра Table 1. The compositions for the synthesis of silver
имеют полосу поглощения вблизи 420 нм (рис. 1, кр. 1, 3). Это указывает на присутствие в растворе металлических наночастиц. Средний размер таких частиц составляет 45-50 нм [10].
№ композиции Последовательность приготовления композиции, г/л
4 Этиловый спирт,96% - 10 мл AgNO3, (1,177-10-3 моль/дм3) - 10 мл Акремон ЬК-2, 40 % (1 г/л) - 5 мл Дитионит натрия, (5,75-10-3 моль/дм3) - 1 мл Нагревание в течение 10 мин
б AgNO3 (1,177 моль/м3) - 10 мл Акремон ЬК-2 (1г/л) - 5 мл Оксалат натрия, (5,0-10-3 моль/дм3) - 1 мл Нагревание в течение 5 мин
б1 Этиловый спирт, 96% - 5 мл AgNO3, (1,177-10-3 моль/дм3) - 10 мл Акремон ЬК-2, 40 % (1 г/л) - 5 мл Дитионит натрия, (5,75-10-3 моль/дм3) - 1 мл Нагревание в течение 10 мин.
б2 AgNO3 (1,177-10-3 моль/дм3 ) - 10 мл Акремон ЬК-2, 40 % (1 г/л) - 3 мл Дитионит натрия, (5,75-10-3 моль/дм3) - 0,8 мл Нагревание в течение 10 мин
б3 AgNO3 (1,177-10-3 моль/дм3 ) - 10 мл Акремон ЬК-2, 40 % (1 г/л) - 5 мл Дитионит натрия, (5,75-10-3 моль/дм3) - 1 мл Нагревание в течение 10 мин
В спектрах растворов, содержащих в качестве восстановителей оксалат натрия, тиомочеви-ну и аскорбиновую кислоту (рис. 1, кр. 2) в рассматриваемых условиях не наблюдалось ярко выраженных максимумов поглощения, характерных для частиц наносеребра. Спектры поглощения растворов, приготовленных с дитионитом натрия, практически во всех представленных случаях
Рис. 1. Оптические спектры поглощения гидрозоля серебра,
полученного по рецептам: 63 (1),6 (2),62 (3) Fig. l.Optical adsorption spectra for silver hydrosol obtained on recipes of 63 (1), 6 (2), 62 (3)
Визуально было отмечено различие в окраске коллоидных растворов: при восстановлении нитрата серебра дитионитом натрия в водной среде получили раствор темного оливкового цвета, что свидетельствует о синтезе частиц серебра более крупного размера (ассоциация частиц); при восстановлении в присутствии растворителя этилового спирта - раствор коричнево-оранжевого цвета, что указывает на наличие более мелких частиц серебра.
Спектрофотометрический анализ полученных в присутствии этилового спирта проб показал, что в спектре появилась полоса поглощения, соответствующая 390 нм, отвечающая плаз-монному пику серебра. В соответствии с данными работы [11] средний размер синтезированных наночастиц серебра с этом случае составляет 15 нм.
В процессе хранения всех полученных образцов гидрозолей серебра величина максимума оптической плотности оставалась практически неизменной в течение 6 мес, что свидетельствует о высокой стабильности полученной гетерогенной системы.
Для оценки антибактериальной активности наночастиц серебра диско-диффузионным методом [12] использовали следующие культуры: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus saprophyticus, Enterobacter saraxarii, полученные в баклаборатории областного тубдиспансера г. Иваново. С этой целью изучаемые препараты наносили на стерилизованный диск фильтровальной бумаги, помещали в стерилизованные
чашки Петри, а затем засевали газоном суточной культуры соответствующего микроорганизма на питающую среду. Посевы инкубировали в течение 24 ч в термостате при температуре 37 °С, результаты определяли по размерам зон подавления роста бактерий.
Максимальную антибактериальную активность по отношению к Staphylococcus aureus проявляет коллоидный раствор серебра, полученный по рецепту 4 в присутствии этилового спирта (табл. 2).
Таблица 2
Антибактериальная активность различных составов на основе наносеребра по отношению к микроорганизмам
Table 2. Antibacterial activity of various compositions
Исследуемые № Зона по-
микроорга- со- Исследуемый препарат давления,
низмы става мм
1 Серебро (4) 4
Escherichiia coli 2 Рифампицин 30
3 Рифампицин + наносеребро (4) 26
4 Прополис 30
5 Прополис+наносеребро (4) 36
Staphylococcus saprophyticus 6 Фурадонин 45
7 Фурадонин + наносеребро (4) 42
S Серебро (4) 32
9 Серебро (4) 2S
10 Прополис + Рифампицин + наносеребро (4) 24
Staphylococcus 11 Серебро (61) 20
aureus 12 1% р-р бриллиантового зеле-
ного 16
13 1% р-р бриллиантового зеленого + наносеребро (63) 36
Pseudomonas 14 Прополис 1% р-р 20
aeruginosa 15 Прополис+наносеребро(4) 2S
В результате исследования антимикробной активности состава №4 на основе наночастиц серебра и различных антибактериальных препаратов (антибиотиков, раствора бриллиантового зеленого, прополиса) на следующие микроорганизмы: E.coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus sapro-phyticus, Enterobacter saraxarii получены фотографии (рис. 2), характеризующие количество микроорганизмов, сохраняющих свою жизнедеятельность вблизи антимикробных препаратов, которые подтверждают селективность их действия. На данных изображениях (рис. 2) четко видны диски, пропитанные вышеперечисленными антимикробными препаратами. Ореолы вокруг них, различные по диаметру и интенсивности окраски, - зоны ингибирования, определяющие пространство вокруг антимикробного препарата, в котором микроорганизм уничтожается или замедляет рост.
Рис. 2. Влияние вида антимикробных препаратов на
величину зоны подавления микроорганизмов. а -Escherichiia coli: 1 - раствор «Рифампицина», 2 - раствор «Рифампицина» и наночастиц серебра (4), 3 - раствор, содержащий частицы наносеребра (4); б -Staphylococcus aureus: 4 - раствор наночастиц серебра (4), 5 - раствор «Прополиса» и наночастиц серебра (4), 6 - раствор «Прополиса»; с - Staphylococcus saprophyticus: 7 - раствор «Фурадонина», 8 - раствор «Фурадонина» и наночастиц серебра(4), 9 - раствор наночастиц серебра (4) Fig. 2. The influence of antimicrobial preparations type on the size of inhibition area of microorganisms. а - Escherichiia coli): 1 - Rifampicinum solution; 2 - Rifampicinumand silver nanoparticles solution (4); 3 - solution with silver nanoparticles (4); б - Staphylococ-cus aureus: 4 - silver nanoparticles solution (4); 5 - «Propolisum» and silver nanoparticles solution (4); 6 - «Propolisum» solution. в - Staphylococcus saprophyti-cus: 7 - «Furadantinum» solution; 8 - «Fura-dantinum» and silver nanoparticles solution(4); 9 - silver nanoparticles solution(4)
Синтезированные наночастицы серебра проявляют различную активность к представителям грамположительной (стафилококку Staphylococcus) и грамотрицательной (кишечной палочке E.coli) микрофлоры. Препарат №4 обладает максимальной бактерицидной активностью по отношению к Staphylococcus, доказательством чего служит увеличение диаметра зоны задержки роста микроорганизмов вблизи препарата до 28-32 мм, в случае E.coli зона ингибирования вблизи препарата составила только 4 мм. Результаты свидетельствуют о сложности обеспечения эффективной защиты текстильного материала от действия комплекса микрофлоры.
В связи с этим изучена антимикробная активность составов на основе наночастиц серебра и
б
а
в
широко известных антибиотиков и бактерицидных препаратов, в качестве которых использовали прополис, рифампицин, фурадонин и бриллиантовый зеленый, на различные микроорганизмы (табл. 2).
Исследуемые бактерицидные препараты показали достаточно высокую антибактериальную активность. Следует отметить, что концентрации компонентов в смеси были уменьшены в два раза по сравнению с испытуемыми индивидуальными веществами. Поэтому практически во всех рассматриваемых случаях можно выделить резкое возрастание антибактериального эффекта. Особенно высокой антибактериальной активностью обладают бинарные системы прополис - наносе-ребро по отношению к Escherichiia coli и раствор бриллиантовый зеленый - наносеребро по отношению к Staphylococcus aureus.
Проведенные исследования позволяют рекомендовать разработанные составы для придания текстильным материалам медицинского назначения антимикробных свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Singh M., Singh S., Prasad S., Gambhir IS. // Digest J. Nanomat. and Biostruct. 2008. V. 3. N 3. Р. 115-122.
2. Tran Q. H., Nguyen V. Q., Le A.-T. // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2013. V. 4. P. 20.
3. Крутяков Ю.А., Кудринский А. А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. // Успехи химии. Т. 77. № 3. 2008. С. 242269;
Krutyakov Yu.A., Kudrinskiy A.A., Olenin A.Yu., Lisich-kin G.V. // Russ. Chem. Rev. V. 77. N 3. 2008. P. 233-257
4. Егорова Е.М., Ревина А.А., Ростовщикова Т.Н., Киселева О.И. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. Т. 42. С. 332-338;
Egorova E.M., Revina A.A., Rostovshchikova T.N., Kise-leva O.I. // Vest. Mosk. Un-ta. Ser. 2. Khimiya. 2001. V. 42. P. 332-338 (in Russian).
5. Свиридов В.В., Воробьева Т.Н., Гаевская Т.В., Степанова ЛИ. Химическое осаждение металлов из водных растворов. Минск: Изд-во «Университетское». 1987. 270 с.; Sviridov V.V., Vorobyova T.N., Gaevskaya T.V., Stepa-nova L.I. Chemical deposition of metals from aqueous solutions. Minsk: Izdatelstvo «Universitetskoe». 1987. 270 p. (in Russian).
6. Adnan Haider and Inn-Kyu Kang // Advances in Materials Science and Engineering. 2014. Р. 1-16.
7. Воинцева И.И., Гембицкий П.А. Полигуанидины -дезинфекционные средства и полифункциональные добавки в композиционные материалы. М: ЛКМ-пресс. 2011. 300 с.;
Vointseva I.I., Gembitskiy P.A. Polyguanidines are disinfectants and multifunctional additives to composite materials. M.: LKM-press. 2011. 300 p. (in Russian).
8. Одинцова О.И. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 8. С. 3-9;
Odintsova O.I. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 8. P. 3-9 (in Russian).
9. Husein, M. Rodil E., Vera J. // Langmuir. 2003. V. 19. N 20.
P. 8467-8474.
10. Вишнякова Е.А., Сайкова С.В., Жарков С.М., Лихац-кий М.Н., Михлин Ю.Л. // Сибир. федер. ун-т. 2009. Т. 2. № 1. С. 48-55;
Vishnyakova E.A., Saiykova S.V., Zharkov S.M. Likhatskiy M.N., Mikhlin Yu.L. // Sibir. Federal. Un-t. 2009. V. 2. N 1. P. 48-55 (in Russian).
11. Подлегаева Л.Н., Руссаков Д.М., Созинов С.А., Морозова Т.В., Швайко И.Л., Звиденцова Н.С., Колесников Л.В. // Ползунов. вестн. № 3. 2009. C. 376-380; Podlegaeva L.N., Russakov D.M., Sozinov S.A., Moro-zova T.V., Shvaiyko I.L. Zvidentsova N.S., Kolesnikov L.V. // Polzunovsky vestnik. N 3. 2009. P. 376-380 (in Russian).
12. Редько Г.К., Стецюк О.У. // Клинич. микробиол. и антимикроб. химиотерапия. 2001. Т. 3. № 4. С. 348-354; Red'ko G.K., Stetsyuk O.U. // Klinicheskaya mikrobiolo-giya I antimikrobnaya khimioterapya. 2001. V. 3. N 4. P. 348-354 (in Russian).
НИИ термодинамики и кинетики химических процессов, кафедра химическая технология волокнистых материалов
