СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR OBTAINING ANTIBACTERIAL MATERIAL

Изобретение относится к способу получения антибактериального материала для использования в качестве гигиенических и защитных материалов, в частности при производстве антибактериальных перевязочных материалов в полевых госпиталях.
Поли-L-молочная кислота является биоразлагаемым полимерным материалом с хорошей биосовместимостью, контролируемой скоростью разложения и необходимой механической прочностью, хорошо подходит в качестве материала основы для перевязочных материалов. Поли-L-молочная кислота не обладает антибактериальным действием. Для придания антибактериальных свойств изделиям из поли-L-молочной кислоты используют методы иммобилизации различных компонентов, обладающих антибактериальными свойствами, как на поверхности, так и внутрь изделия. [1]. Оксид цинка является антибактериальным материалом с хорошей биосовместимостью, подавляет рост бактерий, вирусов и грибков, а также способствует метаболизму кожи человека. [2].Наиболее практичным методом получения антибактериальных материалов на основе поли-L-молочной кислоты и наночастиц оксида цинка является метод электроспиннинга. Полотно, изготовленное с помощью этого метода, имеет большую площадь поверхности, высокую пористость, что приводит к увеличению скорости заживления ран и является привлекательным для применения в биомедицине, для каркасов в тканевой инженерии, систем доставки лекарств и перевязочных материалов. [3]
Известен способ получения антибактериального материала на основе волокон полимолочной кислоты и наночастиц оксида цинка (0,9-13,2 мас. %.), заключающийся в иммобилизации наночастиц оксида цинка на поверхность волокон полимолочной кислоты посредством замачивания нановолокон полимолочной кислоты в растворе дофамина в течение 1-10 минут с образованием на поверхности волокна полидофамина, с последующим замачиванием полученного материала в дисперсии наночастиц оксида цинка в течение 1-10 минут. Для регулирования содержания наночастиц оксида цинка процессы замачивания нановолокон в растворе дофамина и в дисперсии наночастиц оксида цинка могут многократно повторяться со стадиями отчистки между циклами замачивания. Полученные композитные материалы на основе полимолочной кислоты обладали хорошими антибактериальными свойствами и хорошей биосовместимостью. [4].
К недостаткам данного метода можно отнести трудоемкость процедуры изготовления, обусловленную многократно повторяющимися стадиями замачивания полимера в растворе дофамина и наночастиц оксида цинка для достижения необходимой концентрации на поверхности волокна. Кроме того, достаточно сложно отследить количество нанесенного оксида цинка на поверхность волокна.
2
Известен способ получения антибактериального материала методом последовательной пропитки полотна из полимолочной кислоты, полученного методом электроспиннинга, водным коллоидным раствором наночастиц оксида цинка, включающий последовательные многократные стадии пропитки и сушки при 20°C до достижения концентрации наночастиц оксида цинка на поверхности полотна 1 мг/см. Полученные материалы были протестированы как модельные повязки с бактерицидными свойствами по отношению к грамм-положительному штамму золотистого стафилококка и грамм-отрицательному штамму кишечной палочки. [5].
Основным недостатком данного метода является трудоемкость процедуры нанесения, заключающуюся в многократных стадиях пропитки и сушки.
Поверхностная обработка волокон полимолочной кислоты антибактериальным компонентом наиболее часто используется для получения материалов с антибактериальными свойствами. Однако обработанные материалы зачастую не обладают адекватной антибактериальной эффективностью, поскольку антимикробный материал имеет тенденцию отпадать или стираться при хранении. Данная проблема может быть решена непосредственным введением наночастиц оксида цинка внутрь волокна полимера, что так же позволит добиться длительного (пролонгированного) антибактериального эффекта за счет постепенного разложения полимолочной кислоты или высвобождения наночастиц оксида цинка.
Известен способ получения антибактериального материала методом электроспиннинга прядильного раствора, представляющий собой суспензию наночастиц оксида цинка и полимолочной кислоты в хлороформе, при содержании компонентов 77 мас. % полимолочной кислоты и 23 мас. % четырех типов коммерческих наночастиц оксида цинка с различной поверхностной обработкой, стержнеобразной формой, диаметром 10-3 нм и длиной 100 нм. Полученные материалы проявили антимикробную активность в отношении патогенного микроорганизма золотистого стафилококка. [6]
Основным недостатком данного метода является подбор растворителя и поверхностной обработки наночастиц с целью создания стабильной суспензии для электроспиннинга и получения волокон с необходимыми прочностными характеристиками и антибактериальными свойствами.
5
Из предложенного наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения антибактериального материала методом электроспиннига раствора полимолочной кислоты в трифторэтаноле, содержащего 1-5 мас. % наночастиц оксида цинка, синтезированных микроволновым растворным методом. Антибактериальную активность оценивали путем прямого контакта с 4 мл бактериальной среды 10КОЕ/мл золотистого стафилококка и кишечной палочки. [7]. Описанный способ принят за прототип изобретения.
К недостаткам данного способа относится использование дорогостоящего растворителя трифторэтанола для приготовления прядильного раствора. Трудоемкость и многостадийность процедуры синтеза наночастиц оксида цинка, с использованием автоклава и микроволновой реакционной системы, дополнительные стадии промывки и сушки наночастиц для получения нанопорошка.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа получения эффективного антибактериального материала методом электроспиннинга, обладающего высокой способностью подавлять рост патогенных микроорганизмов, за счет включения антибактериальных наночастиц оксида цинка, полученных импульсной лазерной абляцией, внутрь волокна поли-L-молочной кислоты. Метод импульсной лазерной абляции цинковой мишени в воздухе прост в аппаратурном оформлении, а полученные данным способом наночастицы оксида цинка обладают активной дефектной поверхностью, без дополнительных стабилизаторов, что способствует увеличению антибактериального действия. Наночастицы сразу получаются в виде сухого порошка, что исключает стадии сушки и прокалки активного (антибактериального) компонента. Чистота материала позволяет применять его в биомедицинских целях. Полученные таким способом наночастицы оксида цинка хорошо диспергируются в органических растворителях, что позволяет получить подходящие растворы для электроспиннинга с требуемыми свойствами.
Поставленная задача решается тем, что способ получения антибактериального материала, включает метод электроспиннинга раствора поли-L-молочной кислоты с наночастицами оксида цинка в органическом растворителе. Электроспиннинг осуществляют из раствора, включающего хлороформ, поли-L-молочную кислоту, наночастицы оксида цинка, полученные методом импульсной лазерной абляцией цинка в воздухе, на установке с цилиндрическим коллектором с частотой вращения 50 об/мин, при расстоянии от инжектора до сборочного коллектора 170 мм, скорости подачи раствора 6 мл/час, напряжении на инжекторе 27 КВольт, при температуре 25°С и относительной влажности 44 %, с последующей температурной обработкой материала на сборочном коллекторе при 100°С в течение 12 часов, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
поли-L-молочная кислота 5,7-4,8
наночастицы оксида цинка 0,3-1,2
хлороформ остальное
На фиг. 1. приведено изображение морфологии наночастиц оксида цинка и гистограммы распределения по размеру, результаты рентгенофазового анализа, подтверждающие наличие кристаллической фазы оксида цинка.
На фиг. 2. приведен пример образца и СЭМ изображения волокон поли-L-молочной кислоты с различной загрузкой наночастиц оксида цинка.
На фиг. 3. приведены значения антибактериальной активности образцов с различным содержанием наночастиц оксида цинка внутри полимера по отношению к золотистому стафилококку (а) и кишечной палочки (б).
В таблице 1 приведена антимикробная активность по ГОСТ Р ИСО 20743-2012 для образцов нагруженных ZnO внутри волокна по отношению S.aureus для фиг. 3а.
В таблице 2 приведена антимикробная активность по ГОСТ Р ИСО 20743-2012 для образцов нагруженных ZnO внутри волокна по отношению к E.coil для фиг. 3б.
На фиг. 4. приведены СЭМ изображения волокон поли-L-молочной кислоты с различной загрузкой наночастиц оксида цинка после 21 дня в водном растворе фосфатного буфера.
Пример конкретного использования изобретения приведен ниже.
Пример 1.
2
В герметичный стеклянный ректор помещали 93 грамма хлороформа квалификации О.С.Ч (Экрос-1, Россия) затем добавляли 1,2 грамма наночастиц оксида цинка, полученных импульсной абляцией цинка в воздухе. Реактор закрывали и помещали в ультразвуковую ванну на 10 часов при комнатной температуре. Затем в реактор добавляли 4,8 грамма поли-L-молочной кислоты марки PL-10 (Corbion). Ректор закрывали и помещали в ультразвуковую ванну на 20 часов при комнатной температуре. Полученный раствор подвергали электроспиннигу при напряжении на инжекторе 27 КВольт, скорости подачи прядильного раствора 6 мл/час, температуре в камере 25 град относительной влажности 44 %, расстояние от инжектора до сборочного коллектора 170 мм, с частотой вращения коллектора 50 об/мин. Для получения материалов каждого типа было использовано по 40 мл прядильного раствора. После формирования материалов сборочный коллектор подвергался термической обработки при температуре 100 град в течение 12 часов. Затем сборочный коллектор извлекали, охлаждали до комнатной температуры. Таким образом, получен антибактериальный материал, представляющий собой полотно из хаотично переплетенных волокон поли-L-молочной кислоты, содержащих наночастицы оксида цинка включенных внутрь волокна полимера в концентрации 0,25 мг/см или 20 % мас. С использованием теста на антибактериальную активность по отношению к S.aureus и E.coil было обнаружено, что значение антибактериальной активности составило 2,55 и 0,98 соответственно.
Источники информации:
1. Liu, M.; Duan, X.-P.; Li, Y.-M.; Yang, D.-P.; Long, Y.-Z. Electrospun Nanofibers for Wound Healing // Materials Science and Engineering: C, 2017, 76 (34), 1413-1423.
2. Siddiqi K. S., ur Rahman A., Tajuddin, A. Husen Properties of Zinc Oxide Nanoparticles and Their Activity Against Microbes // Nanoscale Res Lett. 2018, 141, 1-13
3. Fang, J.; Wang, X.; Li, T. Functional Applications of Electrospun Nanofibers. In Nanofibers - Production, Properties and Functional Applications; InTech, 2011; Vol. 76, pp 1413-1423.
4. Liao L., Wei J., Zhan L. Zhang F., Zhang X. Antibacterial polylactic acid nanofiber, preparation method there of and application of nanofiber // Patent CN #110644239; 20.01.03
5. Gavrilenko E.A., Goncharova D.A., Lapin I.N., Nemoykina A.L., Svetlichnyi V.A., Aljulaih A.A., Mintcheva N., Kulinich S.A., Comparative Study of Physicochemical and Antibacterial Properties of ZnO Nanoparticles Prepared by Laser Ablation of Zn Target in Water and Air // Materials 2019, 12, 186.
6. Virovska, D.; Paneva, D.; Manolova, N.; Rashkov, I.; Karashanova, D. Electrospinning/Electrospraying vs. Electrospinning: A Comparative Study on the Design of Poly(l-Lactide)/Zinc Oxide Non-Woven Textile. Applied Surface Science. 2014, 311 (34), 842-850.
7. Rodríguez-Tobías, H.; Morales, G.; Ledezma, A.; Romero, J.; Grande, D. Novel Antibacterial Electrospun Mats Based on Poly(d,l-Lactide) Nanofibers and Zinc Oxide Nanoparticles. J. Mater. Sci. 2014, 49 (24), 8373-8385.
Таблица 1. Антимикробная активность по ГОСТ Р ИСО 20743-2012 для образцов нагруженных ZnO внутри волокна по отношению S.aureus для фиг. 3а.
Образец
t<sub>инк</sub>, ч
Ответ
F/G
A=F-G
Статистика
lg
Контроль
0
С<sub>0</sub>
(1,3±0,3)×10<sup>4</sup>
4,11
2,76
24
С<sub>t</sub>
(7,6±0,4)×10<sup>6</sup>
6,87
ПМК/ZnO5%
0
T<sub>0</sub>
(1,3±0,5)×10<sup>4</sup>
4,10
1,91
0,85
24
T<sub>t</sub>
(1,0±0,3)×10<sup>6</sup>
6,01
ПМК/ZnO10%
0
T<sub>0</sub>
(1,4±0,4)×10<sup>4</sup>
4,16
1,13
1,63
24
T<sub>t</sub>
(1,9±0,7)×10<sup>5</sup>
5,29
ПМК/ZnO20%
0
T<sub>0</sub>
(2,3±0,2)×10<sup>4</sup>
4,36
0,22
2,55
24
T<sub>t</sub>
(3,8±0,3)×10<sup>4</sup>
4,58
Таблица 2. Антимикробная активность по ГОСТ Р ИСО 20743-2012 для образцов нагруженных ZnO внутри волокна по отношению к E.coil для фиг. 3б.
Образец
t<sub>инк</sub>, ч
Ответ
F/G
A=F-G
Статистика
lg
Контроль
0
С<sub>0</sub>
(1,9±0,1)×10<sup>3</sup>
3,23
3,93
24
С<sub>t</sub>
(1,6±0,2)×10<sup>7</sup>
7,21
ПМК/ZnO5%
0
T<sub>0</sub>
(2,8±0,4)×10<sup>3</sup>
3,44
3,52
0,41
24
T<sub>t</sub>
(9,2±0,2)×10<sup>6</sup>
6,96
ПМК/ZnO10%
0
T<sub>0</sub>
(2,1±0,1)×10<sup>3</sup>
3,31
3,35
0,58
24
T<sub>t</sub>
(4,6±0,6)×10<sup>6</sup>
6,66
ПМК/ZnO20%
0
T<sub>0</sub>
(3,2±0,1)×10<sup>3</sup>
3,47
2,96
0,98
24
T<sub>t</sub>
(2,7±0,1)×10<sup>6</sup>
6,43