Наночастицы металлов в растворах - биохимический синтез, свойства и применение, страница 7

Рис.27. Фото образцов ткани (хлопок) с нанесенными наночастицами серебра.

Рис.28. Фото образцов силикагеля с нанесенными наночастицами серебра. Плотность покрытия увеличивается слева направо.

Помимо антимикробных свойств, наночастицы серебра могут проявлять также каталитическую активность. Данные по каталитической активности наночастиц серебра, меди и других металлов приведены в разделе 8.

7. Биологические эффекты наночастиц

Известно, что наночастицы металлов, прежде всего серебра, являются популярным объектом перспективных прикладных разработок в различных областях химии, техники и медицины и в то же время, уже находят применение в практике – в производстве различных товаров (косметики, одежды, бытовой техники, игрушек и др.). Поэтому в исследованиях биологического действия наночастиц металлов на организмы растений, животных и человека весьма актуальным становится определение степени токсичности наночастиц как в виде растворов, так и в составе различных материалов. Помимо данных, необходимых для определения стандартов, обеспечивающих безопасность использования наночастиц и модифицированных ими материалов, определение токсичности может дать полезные сведения как о механизмах действия наночастиц на живые организмы, лежащих в основе их лечебных и патологических эффектов, так и для разработки различных вариантов их применения в биологии, биотехнологии и медицине.

В исследованиях, проводившихся нами в этом направлении с наночастицами серебра, получены данные, отражающие их антимикробные свойства и токсические эффекты по отношению к другим биологическим объектам разных уровней организации.

7.1. Антимикробные свойства наночастиц серебра

Испытания антимикробной активности наночастиц серебра проводились в ряде компетентных учреждений – в Институте им. Гамалеи РАМН, в Институте им.А.Н. Сысина РАМН, в Институте вирусологии им. Д.И.Ивановского РАМН, в НИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов Государственного научного центра (ГНЦ), в Московском городском центре дезинфекции (МГЦД). Для экспериментов использовались как растворы наночастиц, так и модифицированные наночастицами материалы.

Мицеллярные растворы наночастиц вводили в качестве малых добавок к лакокрасочным материалам (ЛКМ) разного состава на основе органических растворителей. Полученные модифицированные краски наносили на образцы дерева или других материалов; после высыхания на их поверхность наносили взвеси бактерий и через разные промежутки времени делали смывы, в которых определяли число жизнеспособных бактерий. Было показано, что ЛКМ с наночастицами серебра обладают выраженным бактерицидным действием по отношению к ряду патогенных бактерий, распространенных в бытовых условиях, тогда как контрольные краски без наночастиц такого эффекта не обнаруживают. Пример результатов испытаний в Институте им. Гамалеи приведен в таблице 2. Аналогичный результат был получен в натурных испытаниях, проводившихся в камерах СИЗО «Матросская Тишина». Было показано также, что введение наночастиц в краску возможно путем нанесения их на порошковые материалы, входящие в состав ЛКМ, например, на оксид алюминия.

Таблица 2. Динамика бактерицидного действия наночастиц серебра, внесенных в краску, на штаммы бактерий: E.coli ATCC 25922, Salmonella typhimurium TMLR 66, Salmonella typhi Ty 2, Shigella flexneri 516, Staphilococcus aureus Wood-46, Enterococcus faecalis CG 110, Listeria monocyntogenes EGD, Pseudomonas aeruginosa 508. *)

Водные растворы наночастиц испытывали как в виде добавок к ЛКМ на водной основе, так и путем введения в водные растворы, содержащие взвеси штаммов болезнетворных бактерий в разных концентрациях. В последнем случае эффект наночастиц оценивался путем отбора проб через разные промежутки времени и сравнения числа КОЕ с таковым для контрольных растворов с бактериями без наночастиц. Во всех случаях было обнаружено, что растворы наночастиц обладают значительной антибактериальной или антивирусной активностью.

В качестве примера на рис.29 приведены данные, полученные в НИИ генетики ГНЦ на бактериях E.coli в водной среде. Видно, что при значительной начальной концентрации бактерий (3* 10⁸ кл/мл), при небольшом времени экспозиции обеспечивается высокий уровень инактивации (90-100%) в широком диапазоне разведений исходного водного раствора наночастиц (до 75 раз).

Р ис.29. Бактерицидное действие водной дисперсии наночастиц серебра. Зависимость уровня инактивации бактерий E.coli от концентрации наночастиц серебра в водной среде. Данные НИИ генетики ГНЦ.

В подобных же экспериментах в Институте им. Сысина действие наночастиц на бактерии E.coli сравнивалось с действием ионов Ag⁺ (вводившихся в виде нитрата серебра) в соответствующих концентрациях. Было показано, что динамика инактивации бактерий более интенсивна под действием наночастиц, чем ионов серебра; такой же результат был получен в опытах на колифагах MS-2 (вирусах бактерий). Высокий уровень бактерицидной активности наночастиц при введении в водную среду был продемонстрирован также в МГЦД на E.coli и S. Aureus. Для двух последних видов была определена нижняя граница концентрации наночастиц в водной среде (3-5 мкг/мл), при которой достигается 100% гибель бактерий. Упомянутые выше и другие данные испытаний водных растворов наночастиц Ag позволяют заключить, что такие растворы обладают сильно выраженным антимикробным действием и могут рассматриваться как основа для создания дезинфицирующих средств нового типа, более эффективных и более безопасных для человека, чем широко используемые дезинфектанты на основе хлора и его производных или четвертичных аммониевых соединений.

Твердые материалы и полимерные пленки с наночастицами серебра. Испытания на антибактериальную активность проводились на тканях, активированном угле, металлических пластинах, полиамидных мембранах и полимерных пленках на основе производного хитина, содержащих наночастицы Ag .

Ткани (шерсть, хлопок, лен и др.) вносили в водную среду с бактериями E.coli или помещали в чашки Петри на поверхность питательной среды с этими же бактериями. Антимикробное действие ткани оценивали по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами той же ткани без наночастиц. Было показано, что в обоих случаях ткани с наночастицами Ag оказывают сильное угнетающее действие на рост бактерий (данные НИИ генетики ГНЦ). Были определены также условия стирки таких тканей, при которых практически полностью сохраняется первоначальная плотность покрытия наночастицами. Дальнейшая работа в этом направлении может позволить получать ткани и изделия из них для применения в медицине (например, для пошива халатов или специальной одежды с биоцидными свойствами) или для широкого потребления при изготовлении товаров, для которых могут быть востребованы биоцидные свойства.

Активированный уголь с нанесенными наночастицами серебра испытывали в Институте им. Сысина на колонках, через которые в течение недели непрерывно пропускали водопроводную воду с внесенными в нее бактериями E.coli или колифагами (MS-2) до концентраций, заметно превышающих предельно допустимые нормы. На выходе отбирали пробы воды, высевали на питательную среду и определяли величины КОЕ. Параллельно такую же работу проводили с углем без наночастиц. Было найдено, что для угля с наночастицами имеет место значительное снижение числа жизнеспособных микроорганизмов по сравнению с контролем, причем снижение было стабильным в течение всего времени эксперимента. Это означает, что наночастицы не вымываются с такого угля током воды, в отличие от углей, пропитанных солями серебра, для которых было обнаружено быстрое вымывание ионов серебра.

Металлические пластины с нанесенными наночастицами Ag испытывали в Институте им. Гамалеи на антимикробную активность против штамма Legionella pneumophila Philadelphia. Это бактерия, вызывающая легионеллез - серьезное заболевание, часто возникающее в результате вдыхания кондиционированного воздуха. Пластины были изготовлены из нержавеющей стали, поскольку из этого материала изготавливают емкости для чистой воды, которые используют в кондиционерах, и в которых преимущественно и накапливается большая концентрация этих бактерий. Было установлено, что на поверхности пластин с наночастицами уже через час инкубации наступает полная гибель бактерий, тогда как в контроле их исходная концентрация (10⁷ кл/мл) не уменьшается и через сутки. Таким образом, можно полагать, что обработка таких емкостей в кондиционерах позволит существенно уменьшить риск заболеваний легионеллезом.

Полиамидные мембраны с наночастицами Ag были получены нами путем нанесения из водного раствора. Работа проводилась с образцами мембран, предоставленных предприятием «Технофильтр» (г. Владимир) и используемых в фильтрующих устройствах для очистки воды. Антимикробная активность мембран оценивалась в ОАО НИИ «Медполимер» по числу колоний и типов микроорганизмов, выросших на мембране через разное время после фильтрации водопроводной воды. Пример результатов испытаний мембран, модифицированных наночастицами Ag, приведен в таблице 3. Для сравнения показаны данные, полученные в тех же условиях на стандартных полимерных мембранах фирмы «Миллипор».

Таблица 3. Результаты микробиологических испытаний полиамидных мембран (ММПА⁺ - 0,2), покрытых наночастицами серебра. Данные ОАО «НИИ медполимер» (г. Москва)

Как видно из таблицы, на мембранах, модифицированных наночастицами серебра, при разных плотностях покрытия наночастицами в течение первых шести суток после фильтрации наблюдается отсутствие роста колоний. Такой результат свидетельствует о существенно более высокой антимикробной активности полученных нами полимерных мембран по сравнению с мембранами фирмы «Миллипор». Предполагается продолжить работы в этом направлении с целью создания новых фильтрующих устройств для получения обеззараженной воды.

Полимерные пленки с наночастицами Ag были получены путем введения малых добавок водного раствора наночастиц в водный раствор биодеградируемого полимера (производного хитина). Испытания таких пленок на антимикробную активность проводились в НИИ им. Гамалеи на бактериях Staphillococcus aureus и Salmonella typhimurium. Результат показан в таблице 4.

Таблица 4. Динамика взаимодействия штаммов сальмонеллы и стафилококка, взятых в различных концентрациях, с пленками, содержащими наночастицы серебра или без них.

Видно, что пленки, содержащие малые добавки наночастиц серебра, обладают значительной антимикробной активностью в отношении исследуемых бактерий, при больших концентрациях бактериальных клеток во взвеси, контактирующей с пленкой (10⁴ и 10⁶ КОЕ/мл), причем эта активность существенно выше, чем отмеченная для контрольных пленок из того же полимера без наночастиц. Это позволяет предположить, что созданный нами полимерный материал может найти применение в медицине (например, при лечении повреждений кожи).

1. 7.2 Токсические эффекты наночастиц серебра

Изучение влияния наночастиц металлов на функции живых систем разных уровней организации, в том числе токсических эффектов, представляет сегодня новое научное направление, в котором имеются как достижения, так и проблемы, связанные прежде всего с особенностями наночастиц как объекта исследования и вытекающими из них трудностями методического характера. Одним из важнейших условий успешного решения поставленных здесь задач является наличие металлических наночастиц с воспроизводимыми характеристиками, стабильных в водном растворе, содержащем минимальные концентрации других биологически активных компонентов, что позволяет проводить эксперименты с корректно поставленными контрольными опытами и минимально возможными побочными эффектами. Метод биохимического синтеза имеет в этом отношении хорошие перспективы, поскольку он обеспечивает возможность получения стабильных водных растворов наночастиц заданного среднего размера с узким распределением и с известной, достаточно малой концентрацией стабилизатора (АОТ), биологический эффект которого можно независимо определять в контрольных опытах.