Formation of homogeneous nanostructures containing silver on the surface of a glycolic acid polymer during cyclic freezi.pdf Введение Разработка технологий, позволяющих получать наноматериалы, содержащие серебро, с контролируемыми размерами и текстурой, представляет существенный интерес для разных областей науки и техники. Это обусловлено рядом особых свойств наночастиц серебра (AgNPs), способных, например, повышать резистентность различных материалов при неблагоприятном воздействии среды [1], проявлять микробицидное действие без оказания видимого отрицательного влияния на организм человека [2-4], создавать гибридные наноструктуры с уникальными электропроводящими, оптическими и каталитическими свойствами [5, 6], а также обладающих многими другими полезными эффектами, используемыми в производстве различных высокотехнологичных устройств [7-12]. Известно, что микробицидный эффект обусловлен, главным образом, ионами серебра, которые имеют широкий антибактериальный спектр. При этом появление штаммов бактерий с лекарственной устойчивостью, которая происходит со множеством антибиотиков, гораздо менее вероятно. Однако ионы серебра (Ag+), связываясь в организме с галогенид-ионами, прежде всего хлоридами (Cl-), выпадают в нерастворимые кристаллы, а следовательно, их бактерицидная активность в экссудате резко снижается. Поэтому, чтобы преодолеть эти препятствия, в качестве антимикробных компонентов синтезируют и применяют in vivo AgNPs, которые, взаимодействуя с матриксом, выделяют ионы серебра с поверхности сформированных наноструктур в течение длительного времени. В зависимости от удельной поверхности наноматериалов ионы серебра высвобождаются с разной скоростью, а небольшие AgNPs, диаметром 10 нм и менее, помимо бактерицидной активности, могут проявлять и антивирусный эффект. Благодаря этим характеристикам наночастицы являются полезными составляющими разного рода противоинфекционных средств, создание, синтез и применение которых представляют собой актуальную задачу для ряда областей науки [2, 3, 13, 14]. Ранее было показано, что перепад температур способствует усилению процессов коалесценции наночастиц серебра с формированием крупных агломератов и частиц металлического серебра [15-17]. То есть при усилении агрегации наночастиц происходит уменьшение их удельной площади, что негативно сказывается на их физико-химических свойствах и способствует снижению их антибактериальной активности. В то же время изменение температур и чередование циклов заморозки и разморозки может вызывать образование однородных наноструктур, состоящих в том числе из наночастиц серебра [18]. Формирование подобных гомологичных наноструктур на поверхности полимера может представлять интерес для получения специализированных нанокомпозитов с новыми функциональными особенностями (например, с выраженной гидрофобностью, механической прочностью, или термостойкостью [19]). Так, применение модифицированных алкантиолами наночастиц серебра позволяет значительно повысить селективность и активность используемых сорбентов с заданной наноструктурой [20], а формирование тонких гибридных пленок, полученных посредством термической обработки наночастиц в водном растворе путем восстановления нитрата серебра с помощью N,N-диметилформамида, значительно усиливает их электропроводность [21]. В целом, внедрение AgNPs в состав различного рода наноматериалов может существенно расширять область их использования. В связи с вышеизложенным цель настоящей работы - исследование особенностей формирования наноструктур, содержащих серебро, на поверхности полимера гликолевой кислоты и нити с покрытием из фторполимеров при обработке их гелем с наночастицами серебра и последующей циклической заморозке. Ход выполнения эксперимента В процессе выполнения эксперимента были использованы свежеприготовленные наночастицы серебра, полученные методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления. Метод предусматривает восстановление ионов серебра в присутствии поливинилпирролидона в условиях непрерывного перемешивания, а также комплексного совместного воздействия ультрафиолетового излучения (длина волны 280-400 нм) и ультразвуковых волн (частота излучения 1.7 МГц) в течение 60 мин. Затем полученный водный раствор наночастиц серебра разбавляли дистиллированной водой до концентрации наночастиц 5 мкг/мл, после чего при подогреве до 60 °С вносили желатин, конечная концентрация которого составила 0.9% [22]. Для оценки процессов коалесценции и линейной агрегации наночастиц были использованы волокна гомополимера гликолевой кислоты, представленные шовным материалом «Дексон» и, для сравнения, полиэфирные нити с покрытием из фторполимеров, представленные шовным волокном «Фторекс». Образцы указанных нитей длиной до 1 см погружали в среду, содержащую AgNPs на срок 24 ч для обеспечения сорбции наночастиц на поверхности волокон, после чего волокна извлекали и подвергали 10-кратному циклу температурной обработки в холодильной камере (Haier DW-86L288, Китай), заключающемуся в последовательной заморозке/разморозке (freezing/thawing) с чередованием понижения температуры до -37 °С и последующего повышения до 0 °С. Продолжительность экспозиции шовных нитей в каждой из температурных точек составляла 12 ч. Оценка полученных результатов выполнялась с использованием технических устройств и оборудования научно-образовательного Центра коллективного пользования диагностики структур и свойств наноматериалов ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет« (г. Краснодар). Оценку процессов агрегации и коалесценции наночастиц на поверхности исследуемых волокон производили методом электронной микроскопии в режиме COMPO с увеличением 5 000 и 30 000. Результаты эксперимента При оценке электронных фотографий было установлено существенное преобладание (в 2- 2.5 раза) на поверхности волокон шовного материала, состоящего из гомополимера гликолевой кислоты, наночастиц серебра размером свыше 40 нм (рис. 1). Необходимо отметить, что после температурной обработки размер наночастиц серебра немного колеблется в пределах от 40 до 50 нм (рис. 2), в то время как другие выявленные размерные диапазоны были представлены примерно тем же количеством AgNPs, что и до проведения циклической заморозки. В целом, за счет выполнения описанной выше температурной обработки удалось избежать прогрессивного слияния наночастиц с формированием существенно более крупных агломератов, которые нередко наблюдаются в подобных экспериментах без обеспечения воздействия отрицательных температур [4]. При этом вместо ожидаемого появления крупных агломератов наночастиц серебра, в составе которых невозможно выделить отдельные наночастицы, отмечалось образование ряда агрегатов, состоящих из отдельных наночастиц преимущественно линейной формы, суммарной длиной Рис. 1. Распределение наночастиц серебра по размерам, полученное при анализе электронных микрофотографий волокна дексон, после температурной обработки методом 10-кратной заморозки/разморозки до 500 нм (рис. 2), что согласуется с литературными данными, свидетельствующими о возможности «сшивания» (методом «cross-linking») крупных молекул и наночастиц серебра с формированием сложных иерархических структур, например, нанокомпозитного гидрогеля, включающего в свой состав графен, биосовместимый поливиниловый спирт, самоклеящийся полидопамин и AgNPs [18]. Подобный гидрогель, содержащий наноструктуры с серебром, проявляет высокую антибактериальную активность в отношении типичных патогенных микроорганизмов, в том числе грамотрицательных (Escherichia coli) и грамположительных (Staphylococcus aureus). Следует подчеркнуть, что аналогичные антибактериальные, теплопроводные и прочные нанокомпозитные гидрогели, пригодные для повторного применения, чрезвычайно перспективны для использования в биомедицинских изделиях [18]. Необходимо отметить, что образование подобных наноструктур связано не только со способом температурной обработки материала, но и с физико-химическими свойствами самого исследуемого волокна, в том числе наличием в составе дексона карбонильных групп и кислорода сложноэфирной группы, способных взаимодействовать с AgNPs. Рис. 2. Электронные микрофотографии волокна дексон после температурной обработки методом 10-кратной заморозки/разморозки при увеличении в 30 000 раз (а) и 5 000 раз (б) Для сравнения и последующей оценки эффективности температурной обработки волокон методом циклической заморозки нами были исследованы волокна шовного материала фторекс, состоящего из полиэфирных нитей с покрытием из фторполимеров и содержащего другие функциональные группы: трифторметильную, дифторметиленовую и фторметиновую. В предыдущих исследованиях было продемонстрировано, что спустя одни сутки экспозиции данного волокна в гелевой композиции без воздействия отрицательных температур на его поверхности появлялись крупные агломераты наночастиц [4]. Тогда как после проведения 10 циклов заморозки/разморозки было отмечено преобладание сравнительно малых по размеру наночастиц диаметром от 1 до 5 нм (рис. 3), которые в несколько раз превосходили относительное количество AgNPs других размерных диапазонов: 10-25 нм (в 2.1 раза), 25-40 нм (в 4.3 раза), > 40 нм (в 2.8 раза). Рис. 3. Электронная микрофотография волокна фторекс после 10-кратной температурной обработки методом заморозки/разморозки в режиме COMPO с увеличением 30 000 раз (а) и распределение наночастиц серебра по размерам, полученное при анализе изображения (б) Свойства полученных агломератов зависят не только от вида и методики синтеза исходных наночастиц серебра. Они также определяются уникальными характеристиками полимера, на поверхности которого происходит формирование наноструктуры [23]. Это позволяет говорить об избирательной активности процессов коалесценции и линейной агрегации наночастиц серебра на поверхности полимеров различной химической природы в условиях циклического изменения температур. Возможно, указанный эффект связан с модификацией поверхностных свойств наночастиц, что препятствует их слиянию и образованию более крупных агломератов [17]. Необходимо указать, что на поверхности данного волокна также присутствовало большое количество наночастиц диаметром свыше 40 нм (например, в 1.5 раза больше, чем относительное количество AgNPs диаметром 25-40 нм, рис. 3). Однако при этом не происходило образования агломератов линейной формы, подобных тем, которые выявлялись при электронной микроскопии волокон гомополимера гликолевой кислоты в ходе данного исследования и были описаны ранее на поверхности дексона (см. рис. 2). Заключение Описанные явления линейной агрегации наночастиц серебра на волокнах дексона могут быть рассмотрены с точки зрения начала формирования нанопроволок серебра - полимерного нанокомпозита, применение которого эффективно в сфере электронных устройств, теплопроводящих материалов, антимикробных средств и сенсоров [24]. При этом в гидротермальных условиях (в процессе заморозки/разморозки) в смежных AgNPs может происходить их линейная агрегация путем восстановления ионов Ag+ и межмолекулярного сшивания лиганда (например, поливинилпирролидона). Это обусловлено тем, что в водной среде (геле) из AgNPs выделяются ионы Ag+ за счет ускорения процесса окисления наночастиц, стимулируемого циклами замораживания и оттаивания, так называемое динамическое преобразование между AgNPs и Ag+, когда на фоне восстановительной регенерации происходит слияние отдельных частиц и коалесценция AgNPs. В одном из исследований с помощью стабильного изотопа 107Ag проведено отслеживание окислительно-восстанови¬тельной реакции с участием AgNPs и было установлено, что при циклической заморозке (чередовании замораживания и оттаивания) данный процесс ускорялся по сравнению с реакцией этих же наночастиц, инкубировавшихся при плюсовой температуре (4 °С, 25 °С). Причем было обнаружено, что именно во время циклической заморозки ионы Ca2+ ускоряли окислительно-восстано¬вительную реакцию и структурные превращения, вызывая коалесценцию наночастиц, а хлорид анионы (Cl-) стимулировали восстановление ионов серебра, способствуя дополнительному образованию новых структур с AgNPs. При этом наличие органического лиганда обеспечивало стабильное протекание процесса в жидкой среде в ходе замораживания и размораживания. В целом, была продемонстрирована достаточно высокая интенсивность изменения наноструктурных компонентов за счет ускорения окислительно-восстановительной реакции с участием ионов серебра, обусловленной в том числе циклическим замерзанием. Это может в итоге также существенно влиять на подвижность, биодоступность и токсичность AgNPs [17]. Кроме того, представляет интерес синтез иерархических материалов при иммобилизации однородных компонентов на подложке с проводимым контролем морфологии наночастиц [23] с использованием циклического воздействия смены температур для стимуляции реакции восстановления. Как было установлено ранее, образовавшиеся иерархические структуры зависят не только от природы подложки, но и от активности нанесенных компонентов, поэтому применение циклической заморозки может существенно стимулировать процесс синтеза новых наночастиц. В связи с этим образование линейных структур при использовании замораживания и оттаивания в нашей работе только на поверхности полимера гликолевой кислоты (см. рис. 2), в отличие от нити с покрытием из фторполимеров (см. рис. 3), можно объяснить специфическим взаимодействием наночастиц серебра, полученных методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, с поверхностью волокна дексон. Это позволяет рассматривать данный материал как потенциальный резервуар с пролонгированной микробицидной активностью при выполнении медицинских манипуляций на инфекционно-контаминированных биообъектах. Полученные в исследовании результаты могут применяться для разработки раневых покрытий с использованием альгинатных гелей [25], так как образующиеся при циклической заморозке линейные наноструктуры с серебром (по типу наносетей) способны играть решающую роль в достижении их целевой пролонгированной антимикробной активности. Причем реализовать это на волокнах дексона возможно за счет двухступенчатого формирования полученных агломератов наночастиц серебра (в системе агломерат - наночастица - ион [26]). Таким образом, в отличие от нитей фторекса, применение циклической заморозки позволило активировать линейную агрегацию AgNPs на волокнах дексона, что дает возможность рассматривать данный процесс как селективное ускорение регенерации ионов серебра на поверхности полимера гликолевой кислоты из наночастиц, полученных путем кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о большом микробицидном потенциале полученных линейных структур с AgNPs в условиях пролонгированного применения их в жидких средах (гелях).

Скачать электронную версию публикации