CC BY
23
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ/ CHEMICAL SCIENCES Оригинальная статья / Original article УДК 541.64: 547.792:547.678.74
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-1 -22-27
Синтез и свойства новых сополимер-Ag(0) нанокомпозитов
© Г.Ф. Прозорова, С.А. Коржова, И.В. Мазяр, Л.А. Беловежец,
H.П. Кузнецова, А.И. Емельянов, А.С. Поздняков
Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, г. Иркутск, Российская Федерация
Резюме: Синтезированы новые серебросодержащие нанокомпозиты на основе сополимера 1-винил-
I,2,4-триазола с винилацетатом. Восстановление ионов серебра до нульвалентного состояния осуществляли химическим методом с использованием металлического прекурсора AgNO3 и восстановителя NaBH4. Установлено, что сополимер проявляет высокую стабилизирующую способность, координируя наночастицы серебра с участием преимущественно триазольных и частично ацетатных фрагментов макромолекул. Исследованы физико-химические, оптические, структурные свойства нанокомпозитов методами ИК- и УФ-спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового и атомно-абсорбционного анализа. Полученные полимерные нанокомпозиты с наночастицами серебра размерами 2-28 нм обладают хорошей растворимостью в воде, характеризуются плазмонным резонансным поглощением с максимумом 420 нм и соответствующими рефлексами на рентгеновских дифрактограммах. Нанокомпозиты проявляют антимикробную активность по отношению к тестовым микроорганизмам.
Ключевые слова: нанокомпозиты, наночастицы серебра, сополимер, 1-винил-1,2,4-триазол, винилацетат
Благодарность: Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-03-00168). Основные результаты получены с использованием оборудования Байкальского аналитического центра коллективного пользования СО РАН.
Информация о статье: Дата поступления 18 августа 2018 г.; дата принятия к печати 4 марта 2019 г.; дата онлайн-размещения 29 марта 2019 г.
Для цитирования: Прозорова Г.Ф., Коржова С.А., Мазяр И.В., Беловежец Л.А., Кузнецова Н.П., Емельянов А.И., Поздняков А.С. Синтез и свойства новых сополимер-Ag^) нанокомпозитов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9, N 1. С. 22-27. DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-1-22-27.
Synthesis and properties
of novel copolymer-Ag(0) nanocomposites
© Galina F. Prozorova, Svetlana A. Korzhova, Irina V. Mazyar, Lyudmila A. Belovezhets, Nadezhda P. Kuznetsova, Artem I. Emel'yanov, Aleksandr S. Pozdnyakov
A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS, Irkutsk, Russian Federation
Abstract: Novel silver-containing nanocomposites based on 1-vinyl-1,2,4-triazole and vinyl acetate copolymer have been synthesised. The reduction of silver ions to the zero-valent state was carried out by a chemical method using the metal precursor AgNO3 and the reducing agent NaBH4. The copolymer obtained is established to exhibit a high stabilising ability by coordinating silver nanoparticles with the predominant participation of triazole and a partial participation of macromolecular acetate fragments. The physicochemical, optical and structural properties of the nanocomposites were analysed by IR and UV spectroscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction and atomic absorption analysis. The obtained polymeric nanocomposites with silver nanoparticles sized 2-28 nm are characterised by a good water solubility, plasmon resonance absorption with a maximum of 420 nm and corresponding reflections on X-ray diffraction patterns. In addition, the nanocomposites exhibit antimicrobial activity against test microorganisms. bywords: nanocomposites, silver nanoparticles, copolymer, 1-vinyl-1,2,4-triazole, vinyl acetate
Acknowledgement: The study was supported by the Russian Foundation of Basic Research (Project 18-03-00168). The main results were obtained using equipment of Baikal analytic center of collective users.
Information about the article: Received August 18, 2018; accepted for publication March 4, 2019; available online March 29, 2019.
For citation: Prozorova G.F., Korzhova S.A., Mazyar I.V., Belovezhets L.A., Kuznetsova N.P., Emel'yanov A.I., Pozdnyakov A.S. Synthesis and properties of novel copolymer-Ag (0) nanocomposites. Izvestiya Vuzov. Priklad-naya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2018, vol. 9, no. 1, pp. 22-27. (In Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-1-22-27.
ВВЕДЕНИЕ
Серебросодержащие полимерные нано-композиты являются перспективными для разработки медико-биологических и оптических материалов [1-4]. Это обусловлено уникальными свойствами частиц серебра в наноразмерном нульвалентном состоянии, а также многофункциональностью и стабилизирующей способностью полимерной матрицы. С целью повышения стабильности нанокомпозитов, равномерности и узкодисперсности распределения наночастиц серебра в качестве стабилизирующих матриц широко исследуются синтетические и природные полимеры: поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, арабиногалактан, хитозан и др. [2-5]. Ранее нами показано, что гомо- и сополимеры 1-винил-1,2,4-триазола проявляют высокую стабилизирующую способность при формировании полимерных металлосодержащих нанокомпози-тов, обладающих водорастворимостью, биосов-месимостью, нетоксичностью (LD50>5000 мг/кг) и биологической активностью [6-8].
В настоящей работе приведены результаты по синтезу и исследованию физико-химических и биологических свойств новых нанокомпозитов с наночастицами серебра в матрице сополимера 1-винил-1,2,4-триазола с винилацетатом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Элементный анализ выполняли на анализаторе Thermo Finnigan Flash EA 1112. ИК-спектры записывали на спектрометре Bruker Vertex 70, УФ-спектры снимали на спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 35 UV/VIS. Содержание серебра в нанокомпозите определяли методом атомно-абсорбционного анализа на спектрофотометре Shimadzu AA-6200. Дифрактограммы регистрировали на дифрактометре Bruker D8 Advance. Микрофотографии получали на просвечивающем электронном микроскопе Leo 906E. 1-винил-1,2,4-триазол (ВТ) синтезировали по методике, представленной в работе [9], винилацетат (ВА), азобисизобутиронитрил (АИБН) (Aldrich) использовали без дополнительной очистки.
Синтез сополимера. Сополимеризацию ВТ с ВА проводили по методу, предложенному в [10], в запаянных ампулах в атмосфере аргона в ДМФА в присутствии АИБН (1 масс.%) при 60 °С в течение 2 ч при эквимольном соотношении мономеров. Сополимеры выделяли осаждением из ДМФА в ацетон, промывали этиловым спиртом,
сушили в вакууме (40 °С; P2O5) до постоянной массы. С выходом 62% получили сополимер состава ВТ:ВА = 68:32 мол.%.
Синтез нанокомпозитов. Водные растворы сополимера (3,3 ммоль) и AgNO3 (0,165 или 0,330 ммоль) перемешивали при комнатной температуре в течение 3 ч, затем добавляли восстановитель NaBH4 (0,25 или 0,5 ммоль) и продолжали перемешивать в течение 4 ч. По окончании процесса реакционную смесь подвергали диализу в течение 72 ч через мембрану с размером пор 5 КДа (MFPI, Cellu Sep H1) и последующей лиофильной сушке.
Исследование антимикробной активности нанокомпозитов проводили стандартным диск-диффузионным методом [11] по отношению к микроорганизмам различных таксономических групп: Bacillus subtilis В-406, Enterococcus durans В-603, Penicillium citreo-viride F-1777, Escherichia coli B-1238 (предоставлены ВКМ). Культуры выращивали: Bacillus subtilis - на картофельном агаре, Enterococcus durans - на модифицированной среде для молочнокислых бактерий с Твин-80 (среда № 75 ВКМ), Escherichia coli - на мясо-пептонном агаре, Penicillium citreo-viride -на сусло-агаре (6° по Балингу). Результаты оценивали по появлению зон угнетения роста микроорганизма, определяли минимальную ингиби-рующую концентрацию (МИК) действующего вещества. Для работы использовали разведения нанокомпозитов от 30 до 2000 мкг/мл водного раствора.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Формирование нанокомпозитов с наночасти-цами серебра в матрице сополимера ВТ и ВА происходит в две стадии. На первой стадии при смешении водных растворов сополимера и металлического прекурсора AgNO3 образуется полимерный комплекс с участием в координационном взаимодействии преимущественно атома азота в четвертом положении триазольного цикла и частично C=O группы ацетатного фрагмента. Об этом свидетельствует изменение положения и интенсивности соответствующих полос поглощения в ИК-спектре комплекса по сравнению со спектром исходного сополимера. Наблюдается смещение полос валентных и деформационных колебаний связи C=N триазольного кольца 1508 до 1520 см-1, 664 до 659 см-1 и уменьшение интенсивности полосы валентных колебаний кар-
бонильной группы винилацетатного фрагмента при 1737 см-1. На второй стадии при введении в реакционную смесь NaBH4 происходит восстановление ионов серебра, координированных по всему объему полимера, до металлического состояния. В результате получены нанокомпозиты 1 и 2 в виде порошков темно-коричневого цвета с содержанием серебра 5,6 и 1,9% соответственно, хорошо растворимые в воде, ДМСО, ДМФА.
Об образовании полимерных нанокомпози-тов с наночастицами нульвалентного серебра свидетельствует появление характерных полос
плазмонного резонансного поглощения с максимумом 420 нм в электронных спектрах водных растворов нанокомпозитов (рис. 1, а). На рентгеновских дифрактограммах нанокомпози-та (рис. 1, b) имеется гало аморфной фазы сополимера и соответствующие рефлексы кристаллической фазы металлического серебра при 2в; 38,2; 64,5 и 77,5 град.
По результатам электронной просвечивающей микроскопии наночастицы серебра достаточно равномерно распределены в матрице сополимера (рис. 2).
40 60
20, град b
Рис. 1. УФ-спектры (а) нанокомпозитов 1 и 2 и характерная рентгеновская дифрактограмма (b)
Fig. 1. UV spectra (a) for nanocomposites 1 and 2 and typical X-ray diffractogram (b)
Рис. 2. Электронные микрофотографии нанокомпозитов 1 и 2 и диаграммы распределения наночастиц серебра по размерам в матрице сополимера
Fig. 2. Electron micrographs of nanocomposites 1 and 2 and diagrams of silver nanoparticle size distribution in the copolymer matrix
а
В нанокомпозите 1 с содержанием серебра 5,6% формируются наночастицы размерами 2-28 нм. В нанокомпозите 2 с меньшим содержанием серебра (1,9%) распределение наночастиц по размерам более узкодисперсное - 2-12 нм, преимущественное количество наночастиц (84%) имеет размеры 4-8 нм.
При исследовании антимикробной активности установлено, что полученные наноком-позиты подавляют рост микроорганизмов Bacillus subtilis и Escherichia coli в концентрации 2000 мкг/мл. Более эффективно сработали нанокомпозиты в отношении Enterococcus durans, минимальные ингибирующие концентрации нанокомпозитов 1 и 2 составили 500 и 1000 мкг/мл соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, установлено, что сополимеры 1-винил-1,2,4-триазола с винилацетатом проявляют высокую стабилизирующую способность при формировании серебросодержащих нанокомпозитов. В процессе координации наночастиц серебра участвуют триазольные и ацетатные фрагменты сополимера. Синтезированные новые нанокомпозиты содержат наночастицы нульва-лентного серебра достаточно малых размеров в диапазоне 2-28 нм с преимущественным содержанием наночастиц 4-8 нм. Нанокомпозиты обладают хорошей растворимостью в воде, проявляют антимикробную активность по отношению к исследуемым микроорганизмам и являются перспективными для проведения дальнейших медико-биологических исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Благитко Е.М., Бурмистров В.А., Колесников А.П., Михайлов Ю.И., Родионов П.П. Серебро в медицине. Новосибирск: Наука. 2004. 256 с.
2. Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008. T. 77. N 3. C. 242-269.
3. Панарин Е.Ф. Биологически активные полимерные наносистемы // Инновации. 2008. Т. 116. N 6. C. 50-54.
4. Broz P. Polymer-Based Nanostructures: Medical Applications. Cambridge, RSC Publishing. 2010. 388 p.
5. Tankhiwale R., Bajpai S.K. Silver-nanoparticle-loaded chitosan lactate films with fair antibacterial properties // J. Appl. Polym. Sci. 2010. Vol. 115. N 3. P.1894-1900.
6. Prozorova G.F., Pozdnyakov A.S., Kuz-netsova N.P., Korzhova S.A., Emel'yanov A.I., Er-makova T.G., Fadeeva T.V., Sosedova L.M. Green synthesis of water-soluble nontoxic polymeric nanocomposites containing silver nanoparticles // Int. J. Nanomedicine. 2014. Vol. 9. P. 1883-1889.
7. Прозорова Г.Ф., Коржова С.А., Поздняков
А.С., Емельянов А.И., Ермакова Т.Г., Дубровина В.И. Иммуномодулирующие свойства сереб-росодержащего нанокомпозита на основе по-ливинилтриазола // Известия Академии наук. Серия химическая. 2015. N 6. С. 1437-1439.
8. Pozdnyakov A.S., Emel'yanov A.I., Kuz-netsova N.P., Ermakova T.G., Fadeeva T.V., Sosedova L.M., Prozorova G.F. Nontoxic hydro-philic polymeric nanocomposites containing silver nanoparticles with strong antimicrobial activity // Int. J. Nanomedicine. 2016. Vol. 11. P. 1295-1304.
9. Ермакова Т.Г., Татарова Л.А., Кузнецова Н.П. Винилирование 1,2,4-триазола // Журнал общей химии. 1997. Т. 67. N 5. С. 859-861.
10. Ермакова Т.Г., Кузнецова Н.П., Секре-тарев Е.А., Поздняков А.С., Прозорова Г.Ф. Функциональные сополимеры с триазольными и ацетатными фрагментами // Известия АН. Серия химическая. 2017. N 12. С. 2308-2313.
11. Решедько Г.К., Стецюк О.У. Особенности определения чувствительности микроорганизмов диско-диффузионным методом // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2001. Т. 3. N 4. С. 348-352.
REFERENCES
1. Blagitko E.M., Burmistrov V.A., Kolesnikov A.P., Mikhailov Yu.I., Rodionov P.P. Serebro v medisine [Silver in medicine]. Novosibirsk: Nauka Publ., 2004, 256 p.
2. Krutyakov Yu.A., Kudrinskii A.A., Ole-nin A.Yu., Lisichkin G.V. Synthesis and properties of silver nanoparticles: Advances and prospects. Uspekhi khimii [Russian Chemical Reviews]. 2008, vol. 77, no. 3, pp. 233-257. (In Russian)
3. Panarin E.F. Bioactive polymeric nanosys-tems. Innovatsii [Innovations]. 2008, vol. 116, no. 6, pp. 50-54. (In Russian)
4. Broz P. Polymer-Based Nanostructures: Medical Applications. Cambridge: RSC Publ., 2010, 388 p.
5. Tankhiwale R., Bajpai S.K. Silver-nanopar-ticle-loaded chitosan lactate films with fair anti-
bacterial properties. J. Appl. Polym. Sci. 2010, vol. 115, no. 3, pp. 1894-1900.
6. Prozorova G.F., Pozdnyakov A.S., Kuznetsova N.P., Korzhova S.A., Emel'yanov A.I., Ermakova T.G., Fadeeva T.V., Sosedova L.M. Green synthesis of water-soluble nontoxic polymeric nanocomposites containing silver nanoparticles. Int. J. Nanomedicine. 2014, vol. 9, pp. 1883-1889.
7. Prozorova G.F., Korzhova S.A., Pozdnyakov A.S., Emel'yanov A.I., Ermakova T.G., Du-brovina V.I. Immunomodulatory properties of silver-containing nanocomposite based on the basis of polyvinyltriazole. Izvestiya Akademii nauk. Seri-ya khimicheskaya. 2015, no. 6, pp. 1437-1439. (In Russian)
8. Pozdnyakov A.S., Emel'yanov A.I., Kuznetsova N.P., Ermakova T.G., Fadeeva T.V.,
Sosedova L.M., Prozorova G.F. Nontoxic hydro-philic polymeric nanocomposites containing silver nanoparticles with strong antimicrobial activity. Int. J. Nanomedicine. 2016, vol. 11, pp. 1295-1304.
9. Ermakova T.G., Tatarova L.A., Kuznetso-va N.P. Vinylation of 1,2,4-triazole. Zhurnal obshchei khimii. 1997, vol. 67, no. 5, pp. 805-807. (In Russian)
10. Ermakova T.G., Kuznetsova N.P., Sekreta-rev E.A., Pozdnyakov A.S., Prozorova G.F. Func-
Критерии авторства
Прозорова Г.Ф., Коржова С.А., Мазяр И.В., Беловежец Л.А., Кузнецова Н.П., Емельянов А.И., Поздняков А.С. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Прозорова Г.Ф., Коржова С.А., Мазяр И.В., Беловежец Л.А., Кузнецова Н.П., Емельянов А.И., Поздняков А.С. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Прозорова Галина Фирсовна S3 ,
д.х.н., ведущий научный сотрудник Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Коржова Светлана Анатольевна,
к.х.н., старший научный сотрудник Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Мазяр Ирина Викторовна,
ведущий технолог Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Беловежец Людмила Александровна,
к.б.н., научный сотрудник Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Кузнецова Надежда Петровна,
к.х.н., старший научный сотрудник Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
tional copolymers with triazole and acetate fragments. Izvestiya Akademii nauk. Seriya khimich-eskaya. 2017, vol. 66, no. 12, pp. 2308-2313. (In Russian)
11. Reshed'ko G.K., Stetsyuk O.U. Specifities of the Susceptibility Testing by Disk-Diffusion Method. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimik-robnaya khimioterapiya. 2001, vol. 3, no. 4, pp. 348-354. (In Russian)
Contribution
Galina F. Prozorova, Svetlana A. Korzhova, Irina V. Mazyar, Lyudmila A. Belovezhets, Nadezhda P. Kuznetsova, Artem I. Emel'yanov, Aleksandr S. Pozdnyakov carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Galina F. Prozorova, Svetlana A. Korzhova, Irina V. Mazyar, Lyudmila A. Belovezhets, Nadezhda P. Kuznetsova, Artem I. Emel'yanov, Aleksandr S. Pozdnyakov have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
AUTHORS' INDEX
Galina F. Prozorova El Ph.D. (Chemistry), Leading Researcher A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Svetlana A. Korzhova
Ph.D. (Chemistry), Senior Researcher A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Irina V. Mazyar
Lead Technologist A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Lyudmila A. Belovezhets
Ph.D. (Biology), Researcher A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Nadezhda P. Kuznetsova
Ph.D. (Chemistry), Senior Researcher A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Емельянов Артём Иванович,
к.х.н., научный сотрудник Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Поздняков Александр Сергеевич,
к.х.н., заведующий лабораторией Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН e-mail: [email protected]
Artem I. Emel'yanov
Ph.D. (Chemistry), Research Assistant A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
Aleksandr S. Pozdnyakov
Ph.D. (Chemistry), Head of Laboratory A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS e-mail: [email protected]
