Specific features of silver nanoparticles on the surface of poly (lactide-co-glycolide) fibers under cyclic freezing in .pdf Введение Известно, что волокна на основе сополимеров гликолида и лактида послужили основой для создания различных видов рассасывающихся шовных материалов (викрил, сабфил, ПГА, mepfil), использующихся в настоящее время в офтальмологии и микрохирургии. Такой подход объясняется их биосовместимостью за счет образования при деструкции естественного для организма метаболита молочной кислоты, а также высокой прочностью и способностью сохранять целостность при воздействии «на разрыв» в течение времени, достаточного для заживления раны [1]. Кроме того, за счет изменения молекулярной массы и морфологии сополимера можно гибко изменять сроки деструкции и механические свойства волокна [2], например, полимерные покрытия, состоящие из сополимера гликолида и лактида, могут быть использованы в абдоминальной хирургии для закрытия пептических язв [3], или же для восстановления костно-хрящевых дефектов [4]. Недавно была изучена возможность применения сополимеров гликолида и лактида для профилактики несостоятельности кишечных анастомозов [5]. Данные волокна могут быть эффективны и для предупреждения инфекционных осложнений в области хирургического вмешательства путем придания шовным материалам на основе сополимера гликолида и лактида антибактериальных свойств [6]. В целом, проблема гнойно-септических осложнений в области хирургического вмешательства (или surgical site infections) на сегодняшний день не теряет своей актуальности, и продолжается активный поиск новых способов профилактики и лечения подобных послеоперационных осложнений [7-11], в том числе путем придания антибактериальных свойств шовному материалу за счет наночастиц серебра (AgNPs) [11, 12]. В то же время динамика сорбции наночастиц на поверхности полимерных волокон может отличаться в зависимости от способа получения наночастиц и внешних воздействий в процессе их сорбции [13-15], что может существенно влиять на физико-химические свойства и противомикробную активность AgNPs. Так, существуют разработки, свидетельствующие о целесообразности использования наноформаций из продуктов полимеризации гликолида и лактида в качестве носителя биологически активных веществ с последующим их медленным высвобождением [16], что позволяет предположить активную сорбцию наночастиц серебра на поверхности полимерных материалов данной химической природы. Проведенные недавно исследования продемонстрировали возможность модификации функциональных свойств и изменения количества различных наноструктур при перемежающемся воздействии разных по длительности циклов замораживания и оттаивания [17-20]. При этом было отмечено влияние температурного фактора (от -25 до -70 °С) не только на диаметр наночастиц, но и на более высокую плотность их загрузки в пористые образования субмикронного и микронного размера, что позволяло получать многокомпонентные нанокомпозитные материалы с заданными свойствами. Также после циклической заморозки возрастала агрегационная неоднородность наночастиц по сравнению с их аналогичным показателем при адсорбции и осаждении без минусового температурного воздействия. Кроме того, при изучении AgNPs было показано, что в гидротермальных условиях может происходить межмолекулярное взаимодействие AgNPs за счет реакции восстановления ионов Ag+, сопровождаемое коалесценцией. Последнее являлось следствием выделения Ag+ из AgNPs в геле за счет ускорения процесса окисления наночастиц стимулируемого циклами замораживания и оттаивания, когда на фоне подобной восстановительной регенерации происходила модификация определенных химических групп наночастиц, но с разной интенсивностью в зависимости от диаметра AgNPs. Использование стабильного изотопа серебра (107Ag) позволило отследить окислительно-восстановительную реакцию с участием AgNPs, характеризующуюся ускорением данного процесса при чередовании замораживания и оттаивания по сравнению со скоростью той же реакции после инкубации наночастиц при различной плюсовой температуре от 4 до 25 °С. Таким образом, представляется актуальной оценка сорбционной активности наночастиц серебра на поверхности сополимеров гликолида и лактида в условиях дополнительной десятикратной циклической температурной обработки в диапазоне от 0.0 до -37.0 °С. Ход выполнения эксперимента AgNPs, изученные в эксперименте, были получены методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, что предусматривает комплексное совместное воздействие на формирующиеся нанокластеры ультразвука (1.7 МГц) и ультрафиолетового излучения (280 нм [21]) в течение 60 мин при непрерывном перемешивании в присутствии лиганда (поливинилпирролидона). Наибольший эффект от такой обработки достигается за счет использования гелевых композиций, в составе которых AgNPs обладают более выраженными биологическими свойствами [22]. В связи с этим свежеприготовленный раствор наночастиц серебра разбавляли до концентрации наночастиц 5 мкг/мл, после чего в условиях термостатирования (60 °С) вносили желатин до концентрации 0.9%, что позволяло получить гелевую композицию. В качестве препарата сравнения использовали коммерческий гель с наночастицами серебра («Аргогель»), включающий хитозан и стабилизированные поливинилпирролидоном AgNPs, которые изучали в концентрации, рекомендованной производителем. Для оценки активности сорбционных процессов был использован шовный материал «Сабфил», метрического размера 2.0, состоящий из волокон сополимеров гликолида и лактида. Отрезки полимерных волокон длиной до 1 см погружали в исследуемые композиции, содержащие наночастицы серебра. Спустя 24 ч отрезки извлекали и выполняли 10-кратную циклическую температурную обработку, включающую чередование 0.0 °С в течение 24 ч и последующую заморозку до -37.0 °С на тот же период времени. Оценку активности сорбции/десорбции/агрегации AgNPs проводили на основе анализа электронных микрофотографий, выполненных 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). Оценивалось количество AgNPs в размерных диапазонах 1-15 нм, 16-40 нм и свыше 40 нм. Для оценки влияния температурной обработки на сорбцию наночастиц на поверхности сополимера результаты эксперимента сравнивали с полученными ранее данными о сорбции наночастиц серебра на поверхности шовного материала сабфил без проведения циклической заморозки [21]. 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. Достоверными полагали различия при р < 0.05. Результаты эксперимента Согласно данным исследования, было установлено, что количество наночастиц, полученных методом кавитационно-диффузионного восстановления, после выполнения циклической заморозки/разморозки достоверно (p < 0.05) изменилось для двух размерных диапазонов. Так, по сравнению с результатами ранее проведенных экспериментов количество наночастиц малого размера (от 1 до 15 нм) возросло в 1.7 раза (рис. 1), а число наночастиц среднего размера, диаметром 16-40 нм, в свою очередь уменьшилось на 41.6%, в то время как количество крупных наночастиц серебра диаметром свыше 40 нм достоверно не изменилось по сравнению с их значением до 10 кратной заморозки (p = 0.275, рис. 1). Таким образом, согласно представленным результатам, можно сделать вывод о том, что дополнительная температурная обработка позволяет существенно повысить на поверхности полимерных волокон гликолевой и молочной кислот количество наночастиц прежде всего малого размера (от 1 до 15 нм, рис. 1), т.е. потенциально наиболее функционально активных AgNPs в отношении микроорганизмов. Описанная динамика количества AgNPs может свидетельствовать в том числе и о дополнительной сорбции наночастиц, полученных методом кавитационно-диффузионного восстановления, на поверхности сополимеров при использовании разработанной методики циклического замораживания. Рис. 1. Распределение наночастиц серебра, полученных методом кавитационно-диффузионного восстановления, на поверхности шовного материала сабфил без воздействия температуры ниже 0.0 ºС (а) и после выполнения 10-кратной циклической заморозки/разморозки (б). Примечание: * - p < 0.05, в сравнении с аналогичным размерным диапазоном до выполнения циклической заморозки При сравнительном анализе микрофотографий, выполненном для оценки сорбционной активности наночастиц серебра в составе препарата аргогель, были обнаружены достоверные изменения их количества после циклического температурного воздействия во всех трех рассматриваемых в проведенном эксперименте диапазонах (рис. 2). При этом направленность колебаний абсолютного числа таких AgNPs во всех размерных интервалах полностью отличалась в сравнении с выше описанной динамикой у гелевой композиции. Например, содержание наночастиц диаметром от 1 до 15 нм после выполненной температурной обработки снизилось на 87.1% (p < 0.05). В то же время количество AgNPs размером от 16 до 40 нм, напротив, возросло в 5.4 раза (p < 0.05, рис. 3), а содержание наночастиц серебра диаметром свыше 40 нм вообще увеличилось более чем в 70 раз по сравнению с аналогичными показателями у данных волокон с сорбированными AgNPs до выполнения температурной обработки (p < 0.05). Нельзя исключить, что подобные изменения могут свидетельствовать о высокой активности процесса агрегации наночастиц, а также возможной выраженной десорбции AgNPs малого диаметра с поверхности полимерного волокна, состоящего из сополимеров гликолида и лактида, при воздействии минусовой температуры. Рис. 2. Распределение наночастиц серебра, входящих в состав аргогеля на поверхности шовного материала сабфил без воздействия температуры ниже 0.0 ºС (а) и после выполнения 10-кратной циклической заморозки/разморозки (б). Примечание: # - p < 0.05, в сравнении с аналогичным размерным диапазоном до выполнения циклической заморозки Рис. 3. Электронная микрофотография поверхности шовного материала сабфил с наночастицами серебра препарата аргогель после 10-кратной циклической заморозки, увеличение 30 000 При сравнении на поверхности сабфила после циклической заморозки содержания наночастиц серебра, образующихся в присутствии желатина (гелевая композиция) или хитозана (аргогель) была отмечена достоверная разница во всех исследуемых размерных диапазонах, что объясняется и указанной выше разнонаправленной динамикой их количества в каждом из изученных гелей. Так, при исследовании показателей гелевой композиции было отмечено, что на фоне значительного увеличения количества наночастиц малого размера и сохраняющегося без существенной динамики числа AgNPs диаметром свыше 40 нм (рис. 4) наблюдается выраженное снижение показателя AgNPs диаметром от 16 до 40 нм, тогда как при изучении аргогеля в аналогичных условиях показано существенное увеличение количества именно крупных нанокластеров (> 40 нм). При этом содержание последних в аргогеле после выполнения циклической заморозки было в 37.2 раза выше, чем в составе гелевой композиции (p < 0.05), хотя до ее проведения наблюдалась обратная картина и более высокое количество AgNPs данного диаметра (в 3.1 раза) отмечалось в составе гелевой композиции (p < 0.05). Рис. 4. Электронные микрофотографии поверхности шовного материала сабфил с наночастицами серебра, полученными методом кавитационно-диффузионного восстановления, без воздействия температуры ниже 0.0 °С (а) и после 10-кратной циклической заморозки (б) В свою очередь, необходимо отметить, что показатель AgNPs диаметром от 1 до 15 нм до проведения циклической заморозки и после ее применения в гелевой композиции с желатином превосходил аналогичные показатели аргогеля в 1.9 и 25.7 раза соответственно (p < 0.05), что указывает на целесообразность преимущественного использования желатина по сравнению с хитозаном при целевом получении наночастиц малого размерного диапазона (1-15 нм) на сополимерах гликолида и лактида. Достоверные отличия в содержании наночастиц серебра диаметром от 16 до 40 нм были менее существенны, чем в ранее описанных диапазонах, и не превышали 3.9 раза после 10-кратной циклической заморозки с преобладанием абсолютного их количества в аргогеле с хитозаном. Заключение Наблюдаемые в эксперименте изменения количества AgNPs могут быть обусловлены рядом факторов. Во-первых, увеличение фракции наночастиц малого размера (1-15 нм, рис. 1 и 4, б), возможно, связано с модификацией пористости сополимера гликолида и лактида при его циклической заморозке и разморозке, что косвенно подтверждается результатами одного из исследований [23], наглядно продемонстрировавшего появление более высокого содержания наночастиц для потенциального лечения акне после повышения пористости структур, состоящих из лактида и гликолида, под влиянием сублимационной сушки и центрифугирования. При этом изменялись и другие параметры наноструктур, в том числе их размер, дзета-потенциал, кинетика высвобождения in vitro, тогда как профили токсичности оставались примерно на прежнем уровне. Во-вторых, в случае аргогеля колебание количества AgNPs разного диапазона может определяться спецификой взаимодействия изучаемых полимерных волокон с хитозаном [24], который хотя и замедляет начальную пиковую (или взрывную) скорость высвобождения гидрофильных компонентов в наночастицах, тем не менее пролонгирует их кумулятивный эффект, что может повышать при длительном, например 10-кратном, воздействии интенсивность гидротермального восстановления ионов Ag+. Это усиливает межмолекулярные взаимодействия AgNPs с функционально активными химическими группами как лиганда (поливинилпирролидона), так и непосредственно сорбирующего полимера. Указанные явления ожидаемо происходят при неоднократном воздействии температуры -37.0 °С на волокнах с сорбированными наночастицами, а описанный процесс характеризуется динамическим преобразованием в системе «AgNPs-Ag+ - волокно», в ходе которого на фоне восстановительной регенерации происходит превращение наночастиц меньшего диаметра в более крупные наноструктуры, что и наблюдалось в нашем исследовании (см. рис. 2). Кроме того, несомненно изменение стабильности при колебаниях pH у наночастиц, состоящих из хитозана, при взаимодействии их с сополимером гликоида и лактида [25]. При этом положительно заряженный хитозан (катионный полисахарид) способен модифицировать резистентность лактид-гликолидных компонентов. С этой точки зрения можно предположить, что взаимодействие хитозана, входящего в состав препарата аргогель, с полимерным волокном повлияло на устойчивость имевшихся в препарате наночастиц серебра, повышая их чувствительность к изменению pH в области нейтральных и основных значений, прежде всего за счет падения дзета-потенциала наночастиц, как следствие нейтрализации положительно заряженных аминогрупп остатков N-ацетил-D-глюкозамина, и, косвенно, стимулируя их агрегацию на поверхности шовного материала в процессе заморозки и разморозки. Другим механизмом, приводящим к укрупнению AgNPs при 10-кратной заморозке сабфила, обработанного аргогелем, может служить сворачивание нейтрализованных макромолекул хитозана с последующим капсулированием наночастиц серебра при нейтральных значениях рН [26], что не противоречит данным электронной микроскопии (см. рис. 2 и 3). Вместе с тем наблюдаемые модификации наночастиц серебра на волокнах из сополимеров гликолида и лактида при циклической заморозке/разморозке могут значительно повышать эффективность использования AgNPs в практических целях, обеспечивая как равномерный эффект, так и более длительное время микробицидного воздействия in situ без увеличения их цитотоксичности для интактных клеточных структур [16, 27]. Таким образом, на основании выполненного исследования можно сделать вывод о том, что как до проведения, так и после выполнения циклической 10-кратной замороки использование желатина в составе гелевой композиции обеспечивает сорбцию на волокнах из сополимеров гликолида и лактида преимущественно меньших по диаметру (от 1 до 15 нм) наночастиц серебра, полученных методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления, создавая потенциально условия для повышения микробицидного эффекта у обработанных данным способом волокон. При этом разработанная температурная обработка значительно увеличивает на этих полимерах и общее количество AgNPs, прежде всего за счет наночастиц малого диаметра. Использование циклической 10-кратной заморозки для модификации наночастиц серебра на волокнах сабфила в присутствии хитозана приводит к достоверному увеличению их размеров с выраженным превалированием наночастиц диаметром более 40 нм, что может пролонгировать их воздействие на ткани, хотя и с уменьшением антибактериальной активности.

Скачать электронную версию публикации