Антисептический антибактериальный ионообменный материал «ИОНИТ»
ANTISEPTIC ANTIBACTERIAL ION-EXCHANGE MATERIAL «IONIT»

Изобретение относится к получению ионообменных структурированных волокнистых материалов и может быть использовано для очистки воды и воздуха от бактерий и вирусов, в частности в качестве фильтрующего материала в средствах индивидуальной защиты (респираторы, медицинские маски, защитные костюмы). Актуальность данной работы заключается в необходимости создания защитных материалов нового поколения, обладающих дезинфицирующим действием и свойствами самообеззараживания, которые предотвращают передачу возбудителей с контаминированной поверхности материала на другие предметы и обеспечивают эффективную защиту организма человека от инфицирования опасными и особо опасными патогенами различной этиологии.
Из уровня техники известны различные антибактериальные ионообменные материалы, используемые в фильтрах для воды и воздуха.
В частности, в патенте США №2178614 описывается фильтр из волокнистого материала, который может быть обработан антибактериальными веществами (хлорид ртути). Такой материал может представлять собой стекловолокно, натуральные волокна и другие волокна. Такое волокно не работает в воде и имеет поверхность, подвергнутую антибактериальной обработке, которая неустойчива к мытью. Кроме того, хлорид ртути является токсичным веществом.
Также из патента США №2003098276 известен фильтр для жидкостей для удаления частиц и бактерий. Фильтр содержит волокнистый материал, такой как металлические волокна, которые, когда приходят в контакт с жидкостью, содержащей бактериальный продукт, проявляют бактерицидное действие. Этот фильтр создан для фильтрации жидкостей и не применяется для воздуха и, следовательно, не удаляет бактерии, удерживая их. Он только снижает количество бактерий.
Из патента РФ №2350376 известен фильтр для воздуха и жидкостей, выполненный из материала нетканого типа и/или инжектированных фильтрующих структур или листов, т.е. полученных обработкой синтетических искусственных волокон. Волокна сначала обрабатывают антибактериальными соединениями и нарезают в виде мононитей. Используют природные, искусственные, синтетические, металлические волокна или их смеси. В частности, раскрыта обработка каждого типа волокна или его смеси антибактериальными добавками в количестве от 0,02 до 65%. Получение и обработку антибактериальными средствами осуществляют одним или несколькими соединениями - производными серебра, феноксигалогенсодержащими производными с переносчиками цепи, с добавлением производных перметрина, производными изотиазолинона, тетраалкиламмонийкремнием, цинкорганическими соединениями, фосфатами циркония, натрием - в жидкой или твердой форме, с добавлением других подобных продуктов для достижения бактерицидного действия против Ligionella.
Наиболее близким аналогом изобретения является известный из патента РФ № 2531829 волокнистый ионообменный фильтрующий материал, полученный щелочным гидролизом полиакрилонитрила в присутствии аминосодержащих соединений, отличающийся тем, что имеет изоэлектрическую точку поверхности вне диапазона рН 6-9. В патенте РФ № 2531829 также раскрыт способ получения волокнистого ионообменного фильтрующего материала, включающий получение материала модификацией полиакрилонитрила или его сополимеров в щелочной среде в присутствии модификатора, содержащего в своей молекулярной структуре алифатические углеводородные фрагменты и не менее двух аминогрупп, отличающийся тем, что содержит модификатор в реакционной смеси по отношению к исходному материалу в количестве не менее 100 моль/кг. Недостатком известного материала является относительно низкая противовирусная эффективность и ограниченность сферы применения известного материала (только для фильтрования воды).
Задачей изобретения является разработка нового антисептического антибактериального ионообменного материала, обладающего высокими противовирусными свойствами, а также расширение функциональных возможностей и сферы применения указанного материала.
Технический результат изобретения заключается в получении материала, обладающего высокими противовирусными свойствами, не требующего регулярной пропитки и обработки дезинфицирующими составами и безопасного после утилизации.
Для достижения технического результата предложен антисептический ионообменный материал, содержащий полиакрилонитрильное ионообменное волокно, модифицированное путем пропитки антисептическим водным раствором полимеров, содержащим:
- полигексаметиленгуанидин фосфат или полигексаметиленгуанидин гидрохлорид в количестве от 0,1 до 30 мас.%,
- моноэтаноламин, алкилдиметиламоний хлорид или алкилтриметиламмоний хлорид в количестве от 0,1 до 10 мас.%, и
- бензалкония хлорид (алкилбензилдиметиламмония хлорид) в количестве от 0,1 до 30 мас.%.
Антисептический антибактериальный ионообменный материал может быть представлен в форме нетканого иглопробивного полотна, нетканого термоскрепленного полотна, трикотажного полотна, штапельного волокна, а также в форме нити или пряжи.
Изобретение также относится к способу получения указанного антисептического ионообменного материала, заключающемуся в равномерном нанесении пропиточного раствора реагентов в виде водного раствора, содержащего:
- полигексаметиленгуанидин фосфат или полигексаметиленгуанидин гидрохлорид в диапазоне концентраций от 0,1 до 30 мас.%,
- моноэтаноламин, алкилдиметиламоний хлорид или алкилтриметиламмоний хлорид в диапазоне концентраций от 0,1 до 10 мас.%,
- бензалконий хлорид в диапазоне концентраций от 0,1 до 30 мас.%
на волокна полиакрилонитрильного ионообменного материала в виде волокнистого ионита, и последующей термической обработке в воздушной среде при температурах от 30°С до 95°С в течение 10-120 мин.
Заявленный ионообменный материал (далее – антисептический антибактериальный ионообменный материал «ИОНИТ») является химически модифицированным, пространственно сшитым полиакрилонитрильным волокном, на поверхность которого иммобилизированы разнотипные функциональные группы, которые образуют  ковалентные связи  и в сочетании друг с другом обладают высокой активностью по отношению к широкой гамме бактерий и вирусов. Материал низкотоксичен и безопасен при контакте с кожей человека, не вызывает раздражения и аллергических реакций. Вирусы и бактерии, попадая на гидрофильный материал, деактивируются множеством типов активных групп, содержащихся на поверхности материала. Разнонаправленность воздушных потоков, проходящих сквозь материал, обеспечивает гарантированное улавливание вирусов и бактерий, не затрудняя дыхания при использовании в средствах индивидуальной защиты (СИЗ). Благодаря высоким смачивающим действиям материала не происходит уноса активных вирусов и бактерий с поверхности волокон в отличии от других фильтрующих материалов, накапливающих живой возбудитель заболевания, и становящихся со временем источником заражения. Использование материала антисептический антибактериальный ионообменный материал «ИОНИТ» в системах фильтрации и СИЗ, эффективно решает проблему устойчивости патогенных микроорганизмов к воздействию антибиотиков, поскольку деактивация микроорганизмов при контакте с материалом и эффективность в отношении бактерий с множественной лекарственной устойчивостью ограничивает распространение опасных заболеваний.
Для разъяснения сущности изобретения приведены следующие примеры получения заявленного антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ».
Пример 1
2
На ионообменный волокнистый материал с обменной емкостью по карбоксильным группам 2 м-экв/г и по аминогруппам 2 м-экв/г в форме нетканого термоскрепленного полотна поверхностной плотностью 200 г/м равномерно наносят раствор, содержащий 10 мас.% полигексаметиленгуанидина гидрохлорида, 1 мас.% моноэтаноламина и 12 мас.% бензалконий хлорида.  Пропитанный материал подвергают равномерной термической обработке в воздушной среде при температуре 60°С в течение 40 минут.
Полученный материал содержит: полигексаметиленгуанидина гидрохлорида 8 мас.%, моноэтаноламина 0,8 мас.% и бензалконий хлорида 9,6 мас.%. к массе сухого ионообменного волокна, обменная емкость по карбоксильным группам 2 м-экв/г, по аминогруппам 2 м-экв/г, относительная влажность 15%.
Остальные примеры получения антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» приведены в таблице
Таблица 1 примеры получения антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ»
Номер примера
Ионообменный материал
Концентрация раствора, мас.%
Температура обработки, °С
Продолжительность обработки, мин
Содержание в Антисептическом ионообменном материале, мас.% на грамм сухого ионита
Емкость по ионообменным группам, м-экв/г
Относительная влажность, %
ПГМГ
МЭА
БХ
ПГМГ
МЭА
БХ
Карбоксильные группы
Амино-группы
1
Волокнистый ионообменный материал
10
1
12
60
40
8
0,8
9,6
2,0
2,0
15
2
Волокнистый ионообменный материал
30
1
12
60
40
24
0,8
12
2,0
2,0
20
3
Волокнистый ионообменный материал
1
0,5
6
60
40
0,8
0,4
4,8
2,0
2,0
10
4
Волокнистый ионообменный материал
10
1
12
40
90
8
0,8
9,6
0,5
3,0
12
5
Волокнистый ионообменный материал
10
1
12
40
90
8
0,8
9,6
4,5
1,0
12
6
Волокнистый ионообменный материал
0,1
10
30
30
10
0,1
8
24
2,0
2,0
70
7
Волокнистый ионообменный материал
20
0,1
0,1
95
120
16
0,1
0,1
4,0
0,5
3
ПГМГ – полигексаметиленгуанидин гидрохлорид или полигексаметиленгуанидин фосфат;
МЭА – моноэтаноламин либо алкилдиметиламоний хлорид или алкилтриметиламмоний хлорид;
БХ - бензалконий хлорид (алкилбензилдиметиламмония хлорид).
Полученные указанным выше способом материал был исследован для определения его противовирусных свойств и его безопасности при утилизации (предотвращение передачи возбудителей при контаминации материала в случае его контакта с различными видами поверхностей).
Противовирусная активность
1. Для подтверждения противовирусной активности заявленного антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» были проведены исследования с использованием в качестве тестовых сред вируса SARS-Cov-2, являющегося причиной возникновения опасного заболевания человека инфекцией COVID-19, и вируса оспы кроликов (модель возбудителей особо опасных заболеваний, вызываемых некоторыми представителями группы ортопоксвирусов).
Проведена оценка вирулицидных свойств антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» при использовании вирусов SARS-Cov-2 и оспы кроликов в водной среде с высоким уровнем контаминации возбудителем.
Эксперименты осуществляли по общепринятым методикам (см. Руководство Р 4.2.2643-10).
Первоначально готовили монослой суточного возраста культуры клеток Vero во флаконах. Для этого из флаконов с монослоем клеток, отобранных для опыта, после термостатирования сливали ростовую среду и маркировали их.
Определение вирулицидной активности проводили модифицированным суспензионным методом (п. 5.7.3.1 Руководства 4.2.2643-10, где вместо жидкого дезинфицирующего средства (ДС) использованы тест-объекты заявленного материала ИОНИТ, погружаемые в вируссодержащую жидкость; при этом используемое количество антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» по сравнению с принятым количеством жидкого дезинфектанта, было уменьшено ~ в 20 раз).
К вирусной суспензии, полученной разведением культуры вируса до 1,9·105 БОЕ/мл, добавляли антисептический антибактериальный ионообменный материал «ИОНИТ» из расчёта 0,5 г материала на 10 мл вируссодержащей суспензии, тщательно перемешивали с использованием фарфоровых бус и отбирали пробы через 15, 30 и 60 мин. В качестве контроля использовали исходную вируссодержащую суспензию при том же времени экспозиции.
Для определения в пробах биологической активности коронавируса в каждый флакон с монослоем вносили по 0,5 мл соответствующего разведения сорбирующей жидкости и, покачивая флакон, равномерно распределяли инокулят по всему монослою. Флаконы укладывали горизонтально, при этом поверхность с инфицированным клеточным монослоем находилась внизу. Флаконы инкубировали в термостате при температуре (37,0±0,5)°С в течение 60 мин. После инкубирования инокулят удаляли пипеткой и в каждый флакон вносили по 10 мл первичного агарового покрытия, доведенного до температуры (42,0±0,5)°С. Далее флаконы укладывали горизонтально, при этом поверхность с инфицированным монослоем находилась внизу. После затвердевания покрытия (10-15 мин) флаконы переворачивали монослоем вверх и помещали в термостат с температурой (37,0±0,5)°С на 48 часов. По истечении срока инкубации с целью окрашивания монослоя культуры клеток во флаконы вносили вторичное агаровое покрытие, содержащее нейтральный красный, в объеме 10 мл и продолжали инкубировать при температуре (37,0±0,5)°С в течение 24 часов. После чего подсчитывали количество негативных колоний.
7
Аналогичные испытания проводили с использованием культуры вируса оспы кроликов (штамм Утрехт), при этом биологическая активность вирусной суспензии составила 4,1·10 ООЕ/мл. Для подсчета специфических образований (оспинообразующих единиц) использовали осветитель ОИ-24.
Результаты определения вирулицидных свойств Антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» в отношении вирусов SARS-Cov-2 и оспы кроликов в водной среде с высоким уровнем контаминации возбудителем представлены в табл.2.
Таблица 2 – Определение вирулицидных свойств антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» в отношении вирусов SARS-Cov-2 и оспы кроликов в водной среде – вируссодержащей суспензии (ВС).
№ п/п
Возбуди-тель
Тип опыта
Биологическая активность пробы, n=3, Х<sub>ср.</sub>,БОЕ (ООЕ)∙мл<sup>-1</sup>
Исходная
Время экспозиции, мин
0
15
30
60
1
Вирус SARS-CoV-2
«ИОНИТ» в ВС
1,9·10<sup>5</sup>
0
0
0
0
2
Контроль (исх. суспензия)
-
-
-
1,2·10<sup>5</sup>
3
Вирус оспы кроликов
«ИОНИТ» в ВС
4,1·10<sup>7</sup>
0
0
0
0
4
Контроль<sub></sub>(исх. суспензия)
-
-
-
4,1·10<sup>7</sup>
Примечания. 1. Результат испытаний «0» – образование и рост бляшек (оспин) на вируспродуцентах отсутствует – вирус не обнаружен.2. Время экспозиции «0» – проба взята сразу после погружения материала в ВС и кратковременного (~ 10 сек) перемешивания                                       системы с использованием фарфоровых бус.
Показано, что даже достаточно кратковременный контакт материала антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ»  с возбудителями вирусной природы приводит к их полной инактивации в составе вируссодержащих жидкостей с высоким содержанием возбудителей. При этом необходимо отметить, что в опытах использованы значительно меньшие, в сравнении с регламентируемыми пунктом 5.7.3.1 Руководства Р 4.2.2643-10, количества дезсредства – заявленного материала (~ в 20 раз).
Следовательно, проведенная оценка вирулицидных свойств заявленного антисептического ионообменного материала в водной среде с высоким уровнем контаминации возбудителем показала высокую эффективность данного материала для инактивации возбудителей вирусной природы.
2. Также были проведены испытания для оценки возможностей заявленного материала по предотвращению передачи возбудителей (на примере вирусов SARS-Cov-2 или оспы кроликов) при контаминации материала и последующем его контакте с различными видами поверхностей (путем предварительного нанесения на материал вируссодержащей жидкости, выдерживания определенного времени экспозиции (1 и 15 мин) и касания металлических, стеклянных, пластиковых, рыхлых тканевых и кожаных поверхностей с последующим взятием смывов и определением наличия или отсутствия на них живого возбудителя).
Испытания проводили в рабочем помещении при температуре воздуха 24±1°С и относительной влажности 42±3 %.
Первоначально готовили монослой суточного возраста культуры клеток Vero во флаконах. Для этого из флаконов с монослоем клеток, отобранных для опыта, после термостатирования сливали ростовую среду и маркировали их.
Определение протективных свойств заявленного материала в отношении вирусов SARS-Cov-2 и оспы кроликов проводили с использованием метода определения вирулицидной активности антимикробных тканей (по п. 5.7.6 Руководства Р 4.2.2643-10 МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ ДЕЗИНФЕКЦИОННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ).
Вирусную суспензию SARS-CoV-2 с биологической активностью 9,2·106 БОЕ/мл наносили на тест-объекты (размером 2х2 см) из материала ИОНИТ, микрокапельно, по 0,05 мл. Через 1 и 15 мин тест-объектами касались («промокали» надавливая и растирая шпателем) заданных поверхностей (также представленных в виде квадратов размерами 2х2 см). После этого отпечаток с поверхности удаляли двумя тампонами (влажным, а затем сухим) и помещали в широкогорлые пробирки с фарфоровыми бусинами и 5 мл раствора Хенкса и отмывали в шуттель-аппарате в течение10 минут (мягкую ткань с отпечатком культуры вируса SARS-CoV-2 замачивали непосредственно в 5 мл раствора Хенкса). Смывной жидкостью заражали культуру клеток Vero.
В качестве контроля, не обладающего противовирусным действием, аналогично использовали хлопчатобумажную ткань при том же времени экспозиции.
8
Аналогичные испытания проводили с использованием культуры вируса оспы кроликов (штамм Утрехт) с биологической активностью 3,8∙10 ООЕ/мл. Для подсчета специфических образований (оспинообразующих единиц) использовали осветитель ОИ-24.
Результаты определения защитных свойств материала ИОНИТ, обеспечивающих возможность предотвращения контактной передачи возбудителей (на примере вирусов SARS-Cov-2 или оспы кроликов) в случае контаминации материала и последующем его контакте с различными видами поверхностей представлены в табл.3.
Таблица 3 – Изучение вирулицидных свойств Антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ», обеспечивающих предотвращение контактной передачи возбудителей при контаминации поверхности материала вируссодержащей суспензией (ВС) и последующем контакте с различными поверхностями (на примере вирусов SARS-Cov-2 и оспы кроликов)
№ п/п
Ви-рус
Тип опыта
Времяэкспо-зиции, мин
Биологическая активность «смывной» жидкости с заданной поверхности (после передачи патогена с одного материала на другой), n=3, Х<sub>ср.</sub>, БОЕ (ООЕ) мл<sup>-1</sup>
металл
стекло
пластик
кожа
ткань х/б
1
SARS-Cov-2
«ИОНИТ» + поверхность
1
0
0
0
0
0
15
0
0
0
0
0
2
Контроль (х/б ткань + поверхность)
1
3
10
5
7
11
15
0
8
1
8
8
3
Вирус оспы кроликов (ОК)
«ИОНИТ» + поверхность
1
0
0
0
0
0
15
0
0
0
0
0
4
Контроль (х/б ткань + поверхность)
1
1,3·10<sup>2</sup>
4,8·10<sup>2</sup>
3,5·10<sup>2</sup>
2,6·10<sup>2</sup>
3,3·10<sup>2</sup>
15
1,0·10<sup>2</sup>
2,1·10<sup>2</sup>
3,6·10<sup>2</sup>
2,2·10<sup>2</sup>
3,0·10<sup>2</sup>
Примечания.1. Результат испытаний «0» – образование и рост бляшек (оспин) на вируспродуцентах отсутствует – вирус не обнаружен.2. При нанесении 0,05 мл ВС на тест-объекты с дальнейшим их                                       помещением в 5,0 мл разводящей жидкости происходит                                        естественное разбавление концентрации возбудителей не менее,                                        чем в 100 раз (с 10<sup>6</sup> до 10<sup>4</sup> и с 10<sup>8</sup> до 10<sup>6</sup>, соответственно для                                        вирусов SARS-CoV-2 и ОК).3. Для заражения поверхности материала («Тип опыта») применены ВС с биол. активностью 7,9·10<sup>6</sup> БОЕ мл<sup>-1</sup> и 3,8·10<sup>8</sup> ООЕ мл<sup>-1</sup> (для вирусов SARS-CoV-2 и ОК, соответственно).4. Использованные в опытах металл и пластик – железо и полиэтилен.
Как видно из представленных в таблице экспериментальных данных, даже кратковременный контакт заявленного антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» с возбудителями вирусной природы, при контаминации возбудителями данного материала и последующем его контакте с различными поверхностями (с использованием вирусов SARS-CoV-2 и оспы кроликов), приводит к их полному обеззараживанию, что обеспечивает предотвращение контактной передачи возбудителей. Это свидетельствует о высокой вирулицидной активности заявленного антисептического анибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» в отношении возбудителей вирусной природы, т.к. использованный в работе вирус оспы кроликов является одним из наиболее устойчивых возбудителей как при хранении, так и при экстремальных воздействиях внешней среды. При этом показано, что через контрольную контаминированную хлопчатобумажную ткань возможна передача вирусов на различные поверхности и заражение ими живых чувствительных тканей.
Антимикробные свойства антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» показаны в табл. 4.
E.coli, S.aureus
Определение антимикробной активности свойств упомянутого материала в отношении бактерий .
№ п
Наименование показателя
Тест-микроорганизм
Зона задержки роста
Величина допустимого уровня
НД на метод испытаний
1
Антибактериальная активность
<i>S.aureus</i>
<i>7 мм</i>
Не менее 4 мм
Р. 4.2.2643-10 Раздел  п.5.4.
2
Антибактериальная активность
<i>E.coli</i>
<i>8 мм</i>
Не менее 4 мм
Р. 4.2.2643-10 Раздел  п.5.4.
Примечания:
бактерии S.aureus
1. Результат задержки роста в отношении  составил  7 мм, что говорит о высокой антибактериальной активности.
бактерии
E.coli
2. Результат задержки роста в отношении  составил  8мм, что в два раза выше значений рекомендованных для проверки эффективности действия, говорит о высокой антибактериальной активности.
Таким образом, была проведена оценка возможностей заявленного антисептического антибактериального ионообменного материала «ИОНИТ» по предотвращению передачи возбудителей бактериальной и вирусной природы при контаминации материала и последующем его контакте с различными видами поверхностей. Показана высокая эффективность материала по предотвращению возможной передачи данных патогенов к другим объектам контактным путем.
Представленные данные подтверждают высокую антибактериальную и противовирусную активность заявленного антисептического антибактериального ионообменного материала, а также его безопасность после утилизации.