Effect of cyclic freezing on sorption of silver nanoparticles by polished collagen fibers.pdf Введение Коллагеновые нити в качестве рассасывающегося шовного материала естественного происхождения активно используются в современной медицинской практике, в том числе в пластической хирургии, стоматологии, гинекологии [1-4]. По своей структуре этот материал (кетгут) представляет собой полученные из подслизистой основы крупного рогатого скота волокна из коллагена, которые помимо описанного выше применения могут быть использованы и для изготовления раневых покрытий, повязок, кожных трансплантатов [5]. Это обеспечивается не только возможностью фармакологической модификации обычного кетгута для создания эффективной фиксации лекарственных средств с последующим замедленным высвобождением нековалентно связанных фармпрепаратов в раневой области, но и существованием различных типов коллагеновых волокон, качественно отличающихся между собой благодаря разной степени обработки их поверхности [6, 7]. Известно, что в процессе получения модифицированного кетгута может выполняться дополнительный этап его полировки, позволяющий снизить так называемый «пилящий эффект» волокна путем уменьшения неровностей на его поверхности, обеспечивая тем самым менее травматическое прохождение нити через сшиваемые ткани. Подобная обработка способна также повышать сорбцию наночастиц при нанесении на полированную поверхность, что было продемонстрировано на примере соединений титана и приводило к возрастанию антибактериальной активности обработанных имплантов в отношении Staphylococcus epidermidis и Escherichia coli [8]. Кроме того, при нанесении даже незначительного количества (около 1%) наночастиц серебра (AgNPs) на полированную поверхность кремниевой пластины свойства последней могут значительно изменяться [9], что указывает на высокую эффективность использования подобных наночастиц при модификации различных материалов [10, 11]. Одним из дополнительных факторов, существенно влияющих на процесс сорбции и формирование AgNPs на поверхности разных материалов, является использование низких температур [12, 13]. Исходя из вышеизложенного, цель настоящей работы - изучение сорбционной активности различных по происхождению наночастиц серебра на шовном материале, состоящем из полированных коллагеновых волокон, при циклической заморозке. Ход выполнения эксперимента Для получения AgNPs был использован метод кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, включающий одновременное совместное воздействие на образующиеся наночастицы серебра ультрафиолетового излучения (длина волны 280 нм) и ультразвука (1.7 МГц) в присутствии лиганда (поливинилпирролидон) и при постоянном перемешивании в течение 60 мин [14]. С целью повышения эффективности обработки шовного материала наночастицами серебра из полученного концентрированного раствора AgNPs готовили гелевую композицию путем разбавления наночастиц до концентрации 5 мкг/мл с последующим термостатированием при 60 °С и внесением желатина до конечной концентрации 0.9% [15, 16]. Кроме того, для сравнения сорбционной активности наночастиц серебра также использовали в рекомендованной производителем концентрации коммерческий препарат «Аргогель», включающий хитозан и содержащий AgNPs, стабилизированные поливинилпирролидоном. Оценку сорбционной активности проводили на шовном материале на основе коллагеновых волокон («Кетгут» полированный) метрического размера 2.0, производства фирмы «Волоть». Отрезки шовного материала длиной до 1 см погружали в исследуемые гелевые композиции, содержащие AgNPs, и через 24 ч их извлекали, после чего выполняли 10-кратную циклическую температурную обработку с использованием низкотемпературного морозильника Haier DW-86L288 (производство Haier Medical and Laboratory products Co., Ltd., Китай), которая включала последовательное чередование температуры до -37.0 °С в течение 24 ч и воздействие температуры 0.0 °С на тот же период времени. Исследование активности сорбции/десорбции/агрегации наночастиц серебра проводили на основе анализа электронных микрофотографий. Электронную микроскопию выполняли на растровом электронном микроскопе JEOL-7500F («JEOL», Япония) с полевым эмиссионным катодом при ускоряющем напряжении 10 кВ, в режиме детектирования отраженных электронов (COMPO) с увеличением 30 000 («Центр коллективного пользования диагностики структур и свойств наноматериалов» ФГБОУ ВО Кубанский государственный университет, г. Краснодар [17]). Обработку полученных экспериментальных данных проводили с помощью методов вариационной статистики. Оценку достоверности найденных отличий между показателями AgNPs на разных волокнах и в различных размерных диапазонах проводили с помощью непараметрического U-критерия Манна - Уитни при парных сравнениях и H-критерия Краскела - Уоллиса для множественных выборок. Полученные в исследовании данные выражали в виде медианы и процентилей (P25 и Р75), достоверными полагали различия при р < 0.05. Результаты и их обсуждение При анализе микрофотографий, полученных в ходе исследования коллагеновых волокон, обработанных гелевой композицией с AgNPs, которые были синтезированы методом кавитационно-диффузионного восстановления, установлено, что наибольшее количество наночастиц находится в диапазоне от 1 до 5 нм (рис. 1, р = 0.0005). При этом количество AgNPs размером от 6 до 10 нм оказалось на 69.6% ниже, а медианы остальных размерных рядов характеризовались еще более выраженными отличиями, количественно уступая диапазону от 1 до 5 нм в различной степени: минимум на 86.5% (для размерного ряда свыше 40 нм) и максимум на 92.6% (для размерного ряда от 31 до 40 нм, рис. 1). Анализ электронных микрофотографий полированных коллагеновых волокон, обработанных препаратом Аргогель, позволил выявить в 1.74 раза большее количество образовавшихся наночастиц серебра (рис. 2, p < 0.05), хотя их распределение по размерным диапазонам существенно отличалось. При этом больше всего обнаружено AgNPs средних размеров, диаметром от 16 до 25 нм (p < 0.00047), в то время как количество наночастиц меньших размерных диапазонов было значительно ниже: на 62.1% в ряду от 1 до 5 нм, на 48.9% в ряду от 6 до 10 нм, на 57.4% в ряду от 11 до 15 нм (рис. 2). По мере увеличения размерного диапазона наночастиц свыше 25 нм наблюдается еще более низкое их содержание (на 69.6-83.2% меньше, p < 0.00047). Рис. 1. Пример электронной микрофотографии полированного кетгута после температурной обработки методом 10-кратной заморозки/разморозки с увеличением в 30 000 раз при использовании разработанной гелевой композиции (а); дисперсия AgNPs на электронных микрофотографиях в зависимости от размера наночастиц (б), * - p < 0.05, в сравнении с аналогичным размерным диапазоном при использовании препарата Аргогель (рис. 2, б) Рис. 2. Пример электронной микрофотографии полированного кетгута после температурной обработки методом 10-кратной заморозки/разморозки с увеличением в 30 000 раз при использовании Аргогеля (а); дисперсия AgNPs на электронных микрофотографиях в зависимости от размера наночастиц (б) Необходимо отметить, что количественные различия между сорбированными полированным кетгутом AgNPs при использовании разработанной гелевой композиции и препарата Аргогель были достоверными в размерных рядах от 1 до 30 нм. Так, в диапазоне от 1 до 5 нм количество наночастиц, полученных после обработки кетгута гелевой композицией, было на 152.3% выше (p = 0.0249), чем после инкубации коллагеновых волокон в Аргогеле (рис. 1, рис. 2); тогда как в диапазонах от 6 до 10 нм, от 11 до 15 нм, от 16 до 25 нм и от 26 до 30 нм, в свою очередь, было больше AgNPs уже после обработки полированного кетгута Аргогелем: на 75.2% (р = 0.0151), 414.5% (р < 0.004), 959.8% (р = 0.0039) и 291.2% (р < 0.01) соответственно. При анализе размерных рядов от 30 до 40 нм (p = 0.0649) и свыше 40 нм (р > 0.17) достоверных отличий в количестве сорбированных AgNPs в зависимости от примененной для обработки коллагеновых волокон гелевой композиции не установлено. Кроме того, необходимо отметить, что на отдельных электронных микрофотографиях полированных коллагеновых волокон была выявлена агломерация наночастиц (рис. 3), напоминающая описанное ранее явление линейной агрегации AgNPs, обнаруженное при изучении их сорбции на волокнах дексона [18]. Рис. 3. Электронная микрофотография полированного кетгута после температурной обработки методом 10-кратной заморозки/разморозки с увеличением в 30 000 раз при использовании разработанной гелевой композиции Подобное явление агломерации AgNPs наблюдалось при использовании для обработки полированного кетгута разработанной гелевой композиции на основе наночастиц, полученных методом кавитационно-диффузионного восстановления, что может быть обусловлено как образованием линейных нанокомпозитов за счет ускорения окислительно-восстановительной реакции с участием ионов серебра в системе «Ag+-AgNPs», индуцированной циклической заморозкой [19], так и образованием структур, аналогичных нанопленке серебра, которая также формируется за счет похожей химической реакции, но отличается составом и особыми свойствами (в том числе более высокой интенсивностью адсорбции веществ, шероховатостью поверхности, характеристиками циклической вольтамперометрии и другими параметрами), приобретаемыми поверхностью материала после проведенной модификации [13]. Заключение Исходя из полученных данных было доказано, что дополнительная механическая обработка поверхности волокна может способствовать сорбции на ее поверхности наиболее функционально активных наночастиц диаметром от 1 до 5 нм (см. рис. 1). Такое количество сравнительно малых наночастиц на поверхности волокон может быть следствием их образования в результате окислительно-восстановительной реакции между ионами серебра и катехиновыми фрагментами полимера, являющегося производным желатина [20]. При этом в одном из исследований было указано, что получаемые AgNPs размером до 20 нм проявляли значительный антимикробный эффект в отношении как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий. Также они активно захватывались матрицей гидрогеля с последующим замедленным высвобождением их из этой матрицы (8.7% в течение 14 дней), что снижало цитотоксичность наночастиц, демонстрируя более высокую биосовместимость AgNPs в сочетании с антибактериальной активностью in situ [20]. Кроме того, вероятно, что описанная окислительно-восстановительная реакция в нашем эксперименте была ускорена и за счет дополнительной циклической температурной обработки (до -37.0 °С) волокон кетгута с сорбированными AgNPs, послужившей, возможно, одной из причин формирования линейных наноструктур, представленных на рис. 3. Наблюдаемые явления сорбции и агломерации наночастиц на поверхности полированных коллагеновых волокон могут быть использованы для придания последним антисептических свойств, в том числе в отношении возбудителей бактериальных и вирусных инфекций [21]. Перспективной представляется также разработка раневых покрытий на основе полированных коллагеновых волокон, обработанных гелевой композицией, содержащей AgNPs, полученных методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, поскольку преобладание в данном случае наночастиц диаметром до 5 нм (56.2% от общего количества сорбированных AgNPs (см. рис. 1)) может способствовать не только разрушению даже зрелых биопленок, формируемых на поверхности инфицированных ран, особенно при замедленном высвобождении наночастиц из гелевой композиции на основе желатина [22], но и возникновению за счет этого еще и дополнительных условий для снижения цитотоксичности наночастиц серебра in situ [20].

Скачать электронную версию публикации