КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-19-00120

НазваниеРазработка новых бактерицидных поверхностей на основе изучения основных механизмов подавления возбудителей бактериальной и грибковой инфекции

РуководительШтанский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2020 г. - 2022 г.  , продлен на 2023 - 2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаИнженерия поверхности, тонкие пленки и покрытия, функционализация поверхности, биоматериалы, бактерицидные поверхности, теоретическое моделирование

Код ГРНТИ34.57.21

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Увеличение продолжительности и качества жизни населения во многом зависит от решения важной научной проблемы: подавление бактериальной и грибковой инфекции вследствие различных видов хирургического вмешательства после травм, переломов, потерей конечностей, болезней (остеопороз, несовершенный остеогенез, рахит, остеосаркома и др.), укусов зверей и насекомых. Не менее актуальной научной проблемой является очистка питьевой воды от патогенных микроорганизмов и бактериальных токсинов в местах экологических загрязнений и техногенных катастроф. Несмотря на значительный прогресс в области разработки и создания антибактериальных поверхностей, в настоящее время нет четкого понимания того, что является основной причиной гибели определенного типа бактерий, которые различаются по форме, размеру, толщине клеточной стенки, составу наружной мембраны и многим другим характеристикам. В рамках настоящего проекта будут разработаны различные научные подходы к созданию биосовместимых поверхностей с высокой бактерицидной активностью в отношении патогенных микроорганизмов. Антибактериальная активность разрабатываемых материалов будут основана на следующих основных механизмах подавления бактериальной и грибковой инфекции и их комбинации: (1) контролируемом выходе бактерицидных ионов, (2) образовании реактивных форм кислорода (свободных радикалов), (3) создании микрогальванических пар, (4) механической деактивации бактерий при их непосредственном физическом контакте с поверхностью, (5) поверхностной иммобилизации антибиотиков и нитрозо- соединений, выделяющих нитроксильные радикалы. Реализация проекта подразумевает постановку и решение ряда новых научных задач. Изучение возможностей деактивации бактерий при их непосредственном контакте с наноструктурированной поверхностью. В рамках проекта впервые будут получены тонкие пленки, состоящие из сферических наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) размером менее 500 нм, образованных многочисленными нанопластинами и наноиглами, толщина которых составляет 1-2 нм. Предполагается, что мембрана бактерии может быть повреждена при их контакте с острым краем нанопластин и наноигл. Гибель бактерий при их контакте с острыми краями наноструктур ранее наблюдали на примере углеродных нанотрубок, черного кремния и наностержней оксида цинка, однако объяснение этому явлению отсутствует. Впервые будет изучена возможность достижения синергетического бактерицидного эффекта за счет механического повреждения мембраны бактерий и последующего действия бактерицидных ионов или лекарственных препаратов. Для этого впервые будут разработаны и получены антибактериальные покрытия на основе h-BN, насыщенные антибиотиком или допированные антибактериальным компонентом, способным выделять бактерицидные ионы или генерировать свободные радикалы.. Впервые будут получены сферические гибридные наночастицы на основе h-BN, декорированные бактерицидными частицами и нагруженные антибиотиками. Предполагается, что локальный выход низкой дозы антибиотиков, по сравнению с лекарственной терапией, обеспечит сильный, но кратковременный, бактерицидный эффект, тогда как контролируемый выход бактерицидных ионов обеспечит пролонгированную бактериальную защиту. На примере ряда новых фото-каталитических систем будет изучено перераспределение заряда между поверхностью наночастиц оксидов металлов (MeO) и окружающей полупроводниковой матрицей в процессе облучения светом. В качестве матрицы будут использоваться покрытия на основе Ti(C,N,O), в том числе легированные функциональными добавками (Ca, P). Впервые данные материалы будут подвергнуты рентгеновскому облучению. Будет изучен процесс генерации и рекомбинации свободных радикалов в ряде фото-каталитических систем при различных видах облучения (рентген, УФ, видимый свет) или его отсутствии (темнота). Будет выполнено сравнение процессов генерации и рекомбинации свободных радикалов при обработке видимым светом, ультрафиолетовым и рентгеновским облучением. На примере ряда модельных систем, состоящих из оксидов переходных металлов и наночастиц благородных металлов, будет изучено разделение заряда и формирование устойчивых микрогальванических пар, способных повреждать мембраны бактерий при их контакте с поверхностью. Впервые будет исследована возможность поражения различных типов бактерий посредством микрогальванического взаимодействия. В рамках проекта будет разработан комбинированный подход к созданию бактерицидных поверхностей, основанный на плазменной полимеризации и послойной иммобилизации различных антибактериальных препаратов для получения покрытий с контролируемым высвобождением бактерицидных агентов и пролонгированным эффектом. На первом этапе планируется осаждение рН-чувствительного плазменного полимера, содержащего карбоксильные группы. В качестве антибактериальных агентов планируются использовать антибиотики, антикоагулянты и нитроксильные радикалы (NO*), которые являются сильными бактерицидными агентами широкого спектра действия. Для включения нитроксильных радикалов в состав полимерных слоев, будут использованы доноры NO* (например, S61 нитрозотиолы или диазенийдиолаты). Будут изучены антибактериальные свойства как моно-модифицированных пленок, так и совокупный эффект от действия различных слоев многослойных покрытий на примере различных патогенных микроорганизмов. Преимущество данного метода состоит в возможности обеспечить значительный и продолжительный антибактериальный эффект при низкой дозе антибактериального агента. Важной научной составляющей проекта является разработка методов и подходов, позволяющих надежно контролировать выход бактерицидных ионов. Будет изучено влияние олигодинамического эффекта (деактивация бактерий и других патогенов при очень малой дозе бактерицидных ионов). Кинетика выхода бактерицидных ионов будет изучена в зависимости от концентрации бактерицидного элемента, степени его агломерации и окисления, шероховатости и топографии поверхности, а также от кинетики процесса окисления поверхности. В рамках проекта требуемая концентрация бактерицидных ионов будет дополнительно достигаться за счет создания на поверхности активных катодов (наночастиц металлов), ускоряющих растворение бактерицидных частиц непосредственно после имплантации. Впервые с применением методов квантовохимичекого моделирования из первых принципов будет исследовано комплексное влияние как механических свойств, так и инициации электронных переходов на способность исследуемого материала проявлять антибактериальные свойства. Новизной настоящего проекта также является использование широкого спектра патогенов, взаимодействие с которыми разрабатываемых материалов ранее не изучалось. Эффективность разрабатываемых поверхностей будет подтверждена на примере грамположительных и грамотрицательных бактериальных клеток, в том числе устойчивых к антибиотикам, и различных грибковых штаммов. Наиболее перспективные образцы будут протестированы в отношении госпитальных штаммов со множественной лекарственной устойчивостью. Масштаб и комплексность решаемых научных задач связаны с применением широкого спектра методов и подходов инженерии поверхности, физики, химии, материаловедения, биологии и медицины для изучения процессов взаимодействия патогенных микроорганизмов с поверхностью с целью подавления их роста. Планируемое научное исследование даст новое понимание механизмов деактивации бактерий бактерицидными и биологически безопасными поверхностями.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта по годам 2020 - Будут разработаны научные основы получения покрытий h-BN и Ме/h-BN с различной морфологией, перспективных для биомедицинского применения; - Будет разработана методика насыщения покрытий на основе h-BN антибиотиками; - Будет разработана технология получения керамических покрытий, декорированных частицами благородных и переходных металлов; - Будут установлены основные характеристики покрытий (структура, элементный и фазовый состав); - Будет установлена временная зависимость выхода бактерицидных агентов в физиологический раствор. - Будет установлена поглощательная способность покрытий в диапазоне видимого и УФ света. - Будут получены новые знания о процессе перераспределения заряда на границе раздела металл/полупроводник при различных условиях облучения (УФ, рентгеновское облучение, видимый (искусственный и солнечный свет), темнота); - Экспериментально и теоретически будет изучена кинетика образования и рекомбинации свободных радикалов при различных условиях освещения поверхности; - Будет выявлена связь между типом бактерий и, соответственно, толщиной их стенок, и бактерицидным эффектом посредством прямого физического контакта, микрогальванического взаимодействия, проникновения ионов или поражения бактериальной стенки свободными радикалами. - Теоретически будут изучены механические свойства низкоразмерных наноструктур, что позволит объяснить механическое воздействие на бактерии. 2021 - Будут разработаны научные основы получения гетерочастиц на основе h-BN методом плазмохимического синтеза, из растворов солей и путем восстановления металлов из солей, перспективных для биомедицинского применения; - Будет разработана методика насыщения гетерочастиц на основе h-BN антибиотиками; - Будут разработаны научные подходы и технологические принципы функционализации и модификации поверхностей металлов, полимеров, неорганических и гибридных наночастиц методами химической, плазмохимической, ионной и ионно-плазменной обработки с целью формирования функциональных групп, гетерофазных структур, иммобилизации лекарственных препаратов и поверхностной полимеризации. - Будут установлены основные характеристики гетерочастиц и функционализированных поверхностей (структура, элементный и фазовый состав, тип связей); - Будут определены смачиваемость, заряд поверхности и кинетика выхода бактерицидного агента. - При помощи ab initio моделирования будет оценена адгезия бактериального агента к функционализированной поверхности; - Будут получены новые данные об антибактериальной и противогрибковой активности различных поверхностей. 2022 - Будут получены антибактериальные и биосовместимые поверхности с оптимальной структурой, топографией и химическим составом поверхности; - Будет выявлен вклад различных факторов (смачиваемости, нанорельефа и заряда поверхности, бактерицидных ионов, свободных и нитроксильных радикалов, микрогальванических пар, фото-каталитических эффектов) в общую антибактериальную активность новых материалов; - Будет установлено влияние окислительных процессов на выход бактерицидных ионов и образование свободных радикалов; - Будет установлена связь между количеством реактивных форм кислорода и выживаемостью различных типов бактерий. - Будет проведена адаптация архитектуры поверхности с точки зрения размера и распределения микрогальванических пар, к размеру бактерий. - Будут установлены оптимальные концентрации бактерицидного компонента, при которых материал обладает антибактериальными и антигрибковыми характеристиками при сохранении биосовместимости. - Будут подготовлены научные публикации по тематике проекта. Также полученные результаты будут представлены на международных конференциях. В работе по проекту будут принимать участие три аспиранта, что будет способствовать подготовке кадров высшей квалификации. - Реализация проекта позволит выявить новые закономерности взаимодействия бактериальных и грибковых штаммов с бактерицидными поверхностями, что будет иметь большое практическое значение для дальнейшей разработки костных имплантатов, раневых повязок, электродов и фильтров для обеззараживания воды. Ожидаемые результаты будут иметь высокую научную и общественную значимость, так как будут разработаны научные методы и подходы к созданию бактерицидных поверхностей для различных классов материалов, как по составу (металлы, сплавы, полимеры), так и по назначению (имплантаты, раневые повязки, электроды и фильтры для обеззараживания воды). Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню, так как разработанная программа исследований базируется на детальной проработке научной литературы, основывается на хорошем научном заделе, проведены пробные эксперименты, подтверждающие правильность предложенных гипотез и выбранных подходов, коллектив исполнителей имеет высокий уровень компетенций, о чем, в частности, свидетельствуют имеющиеся патенты, ноу-хау, публикации в журналах Q1 по тематике исследований, многочисленные награды, полученные на международных выставках и салонах изобретений, в распоряжении научного коллектива имеется необходимое оборудование для достижения целей и решения основных задач проекта. В состав научного коллектива входят физики, химики, материаловеды и биологи, что будет способствовать получению разносторонних научных результатов мирового уровня. Полученные результаты могут быть использованы в научных организациях медико-биологического профиля а также в промышленных компаниях, производящих изделия медицинской техники.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В последние годы гибель бактерий при их прямом физическом контакте с наноструктурированной поверхностью является одной из важнейших стратегий борьбы с инфекцией. В рамках проекта РНФ 20-19-00120 впервые показано, что грамотрицательные бактерии кишечной палочки (E. coli) погибают в результате повреждения их мембраны при непосредственном контакте с наноструктурированными поверхностями гексагонального нитрида бора (h-BN). Пленки BN, состоящие из сферических наночастиц, образованных многочисленными нанолистами и наноиглами толщиной менее15 нм были получены в результате химической реакции аммиака с аморфным бором. Антибактериальный эффект наноструктурированной поверхности h-BN сравнивали с бактерицидным действием антибиотика (гентамицина), загруженного в пленки BN. Для эффективной борьбы с бактериальной и грибковой инфекцией пленки h-BN были насыщены смесью гентамицина и амфотерицина B. Пленки BN показали высокую сорбционную способность в отношении антибиотиков и антимикотиков, быстрое начальное и длительное высвобождение терапевтических агентов в течение 170-260 часов в зависимости от загруженной дозы. Пленки BN показали высокую антибактериальную активностью (свыше 99% через 24 часа) против штамма E. coli K-261, устойчивого к антибиотикам. Аналогичный эффект наблюдался в случае пленок BN, насыщенных гентамицином (150 мкг/см2). Пленки BN, загруженные смесью гентамицина (150 и 300 мкг/см2) и амфотерицина B (100 мкг/см2), эффективно подавляли рост штаммов E. coli K-261 и мицелиальных грибов отдела аскомицетов (Neurospora crassa). Показано, что пленки BN генерирует активные формы кислорода, которые могут привести к ускоренному окислительному стрессу в месте физического повреждения бактериальной стенки. Полученные результаты важны для дальнейшей разработки наноструктурированных поверхностей, обладающих комплексной способностью к подавлению инфекции за счет физического уничтожения бактерий, генерации активных форм кислорода и высвобождения терапевтических агентов. Статья опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces (IF=8.758).

 

Публикации

1. К. Ю. Гудзь, Е. С. Пермякова, А. Т. Матвеев, А. М. Ковальский, С. Ю. Филиппович, П. В. Слукин, С. Г. Игнатов, Д. В. Штанский Десорбционные свойства, бактерицидная и фунгицидная активность наноструктурированных покрытий на основе гексагонального нитрида бора, насыщенных терапевтическими препаратами Российские нанотехнологии, 2020, том 15, № 4, стр. 470-476 (год публикации - 2020)

2. К.Ю. Гудзь, Е.С. Пермякова, А.Т. Матвеев, А.В. Бондарев, А.М. Манахов, Д.А. Сидоренко, С.Ю. Филиппович, А.В. Бручков, Д.В. Гольберг, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Pristine and antibiotic-loaded nanosheet/nanoneedls-based BN films as a promising platform to suppress bacterial and fungal infections ACS Applied Materials & Interfaces, 12 (2020) 42485-42498 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsami.0c10169

3. Гудзь К.Ю. Получение наноструктурированного антибактериального покрытия широкого спектра действия на основе нитрида бора XVII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (с международным участием), 2020, стр. 125-126 (год публикации - 2020)

4. Д.В. Штанский Инновационные подходы к созданию бактерицидных поверхностей «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 26 – 30 октября 2020 г., Сборник тезисов, стр. 8. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.26201/ISSP.2020/FPPK.006

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Четыре типа терапевтических агентов (антибиотик (гентамицин), антимикробный пептид (индолицидин), антиадгезивные молекулы (гепарин) и нитроксильные радикалы (2,2,5,5-тетраметил-3-карбоксил-пирролидин-1-оксил) были успешно присоединены к поверхности наноструктурированных биосовместимых пленок TiCaPCON посредством последовательной полимеризации в COOH-обогащенной плазме и обработки методом карбодиимидной химии. Все виды модификаций поверхности приводили к образованию гидрофильных поверхностей со значениями краевого угла смачивания в диапазоне 26–56◦. Образцы, конъюгированные с терапевтическим агентом, продемонстрировали быстрое высвобождение бактерицида в течение первых 24 часов. Концентрация бактерицида была выше в случае ионной иммобилизации. Электростатически связанный гепарин полностью вымывался через 24 часа. Электростатически и ковалентно иммобилизованный индолицидин, а также ковалентно присоединенный гепарин высвобождались соответственно в течение 48 и 72 часов. Образец с присоединенным гентамицином демонстрировал замедленное высвобождение бактерицида в течение 120 часов. Изменение кислотности среды с нейтральной на кислую или щелочную приводило к более быстрой деградации COOH полимера и большему количеству высвобожденного гентамицина. Все антибактериальные компоненты, связанные с поверхностью пленок COOH/TiCaPCON, показали свою эффективность в отношении чувствительных к антибиотикам клеток E. coli U20. При исходной концентрации бактериальных клеток 104 КОЕ/мл, гентамицин-, гепарин-, и NO-иммобилизованные пленки показали выраженный антибактериальный эффект по отношению к устойчивому к антибиотикам штамму E. coli K261. Образец с ковалентно присоединенными нитроксильными радикалами не только эффективно подавлял рост планктонных бактерий, но и предотвращал образование биопленок. Образец с нитроксильными радикалами, присоединенными посредством электростатической связи, показал наилучшую антибактериальную активность (99,99% через 8 ч) и хорошую воспроизводимость результатов. Полученные результаты опубликованы в журнале Surface & Coatings Technology (Q1, IF=4.158). Впервые показано, что сферические полые гексагональные наночастицы нитрида бора (h-BN) со средним размером ∼100 нм могут быть использованы как перспективные носители бактерицидных и фунгицидных агентов (наночастицы Ag и антибиотики). Оптимальные диапазоны концентраций гентамицина и амфотерицина B были определены на основе измерений размера и заряда поверхности наночастиц h-BN и Ag/h-BN, а также определения минимальных ингибирующих концентраций антибиотика. Успешная загрузка антибиотиков в полые наночастицы h-BN была подтверждена методами структурного анализа. Кроме того, с помощью расчетов с использованием теории функционала плотности были теоретически определены оптимальные положения молекул антибиотика относительно поверхности носителя и сорбционная емкость частиц BN и наногибридов Ag/h-BN. Показано, что антибиотики по-разному связываются с поверхностью h-BN и Ag, что влияет на загружаемую дозу. Для молекулы гентамицина энергетически более выгодно прикрепляться к поверхности h-BN, чем к Ag, в то время как прикрепление молекулы амфотерицина B одинаково благоприятно к обеим поверхностям. Установлено, что количество антибиотика, выходящего из наночастиц h-BN и Ag/h-BN зависят от дозы загрузки: чем выше доза, тем выше концентрация антибиотика и дольше происходит высвобождение терапевтического агента. Показано, что быстрый выход ионов Ag+ в первые несколько часов сменяется более медленным высвобождением ионов в течение следующих нескольких дней. Наночастицы BN с минимальной дозой гентамицина (4 мас.%) проявляют сильное бактерицидное действие против 2-х видов штаммов S. aureus, 2 типа штаммов P. aeruginosa и 38 типов штаммов E. coli, в том числе, включая клетки, обладающие множественной лекарственной устойчивостью. Для остальных протестированных штаммов E. coli, наночастицы BN, легированные серебром, и конъюгированные с гентамицином наногибриды Ag/BN показали превосходную бактерицидную активность. Продемонстрирована высокая фунгицидная активность нагруженных амфотерицином B наночастиц BN и Ag/BN, а также наногибридов Ag/BN без антибиотиков в отношении клеток C. albicans, C. auris, C. parapsilosis и N. Crassa. Полученные результаты имеют большое значение для дальнейшей разработки наноносителей, широкий терапевтический эффект которых достигается за счет постепенного и одновременного высвобождения бактерицидные ионы и антибиотики. Полученные результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials and Interfaces (Q1, IF=9.229).

 

Публикации

1. В.А. Пономарев, Е.С. Пермякова, А.Н. Шевейко, К.А. Купцов, А.А. Кучмижак, Д.В. Штанский Изучение поглощательной способности и генерации активных форм кислорода многокомпонентными покрытиями, декорированными наночастицами Pt и Fe Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка, часть 2, 2021, стр. 149-152 (год публикации - 2021)

2. Е.С. Пермякова, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, В.А. Пономарев, А.Н. Шевейко, С.А. Добрынин, Джщзеф Полак, П.В. Слукин, Ы.П. Игнатов, Антон Манахов, С.А. Кулинич, Д.В. Штанский Antibacterial activity of therapeutic agent-immobilized nanostructured TiCaPCON films against antibiotic-sensitive and antibiotic-resistant Escherichia coli strains Surface & Coatings Technology, 405 (2021) 126538 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126538

3. К.Ю. Гудзь, Л.Ю. Антипина, Е.С. Пермякова, А.М. Ковальский, А.С. Конопацкий, С.Ю. Филиппович, И.А. Дятлов, П.В. Слукин, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Ag-Doped and Antibiotic-Loaded Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles as Promising Carriers to Fight Different Pathogens ACS Applied Materials & Interfaces, 13 (2021) 23452−23468 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acsami.1c03775

4. Гудзь К.Ю. Разработка наночастиц на основе гексагонального нитрида бора легированных бактерицидными компонентами для борьбы с инфекциями Материалы международного молодежного научного форуму Ломоносов-2021, [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. – 2000 экз. (год публикации - 2021)

5. Л.Ю. Антипина, К.Ю. Гудзь, Е.С. Пермякова, А.М. Ковальский, А.С. Конопацкий, С.Ю. Филиппович, И.А. Дятлов, П.В. Слукин, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Theoretical Investigation and Preparation of Nanohybrid Materials Based on Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles as Promising Carriers to Fight Bacterial and Fungal Infections Novel Photonic, Optoelectronic and Electronic Materials for Real World Applications, https://www.spb-poem.com (год публикации - 2021)

6. М.В. Трегубенко, Е.С. Пермякова Разработка антибактериальных гидрофобных тканей для спортивной одежды Материалы XXII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Химия и химическая технология в 21 веке", том 2, стр. 383-384 (год публикации - 2021)

7. Пономарев В.А., Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кучмижак А.А., Штанский Д.В. Изучение поглощательной способности, дзета-потенциала и генерации АФК покрытиями TiCaPC(Si)ON-Pt,Fe под действием различных видов облучения Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021», [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. – 2000 экз. (год публикации - 2021)

8. Трегубенко М.В., Пермякова Е.С., Ковальский А.М., Штанский Д.В. Поверхностная модификация стрейч-котоновой ткани наночастицами BN, BN/Fe, BN/Ag с целью придания им гидрофобных и антибактериальных характеристик Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2021, lomonosov2021.chem.msu.ru (год публикации - 2021)

9. - Российская разработка позволит в разы снизить употребление антибиотиков РИА НОВОСТИ, https://ria.ru/20210527/misis-1733980719.html (год публикации - )

10. - Boron nitride nanofilms for protection from bacterial and fungal infections Phys.org, https://phys.org/news/2020-10-boron-nitride-nanofilms-bacterial-fungal.html (год публикации - )

11. - Гибридные наночастицы нитрида бора, серебра и антибиотиков станут эффективным лекарством против инфекций РНФ, https://rscf.ru/news/engineering-sciences/gibridnye-nanochastitsy-nitrida-bora-serebra-i-antibiotikov-stanut-effektivnym-lekarstvom-protiv-inf/ (год публикации - )

12. - Гибридные наночастицы нитрида бора, серебра и антибиотиков станут эффективным лекарством против инфекций Новости МИСиС, https://misis.ru/university/news/science/2021-05/7380/ (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были успешно получены покрытия Ag/h-BN и Fe/h-BN путем взаимодействия газообразного аммиака с прекурсором аморфного бора при 1300 ◦C с последующим термическим разложением AgNO3 (Ag/h-BN) при 350 ◦C или восстановлением FeCl3 в водороде при 350 ◦C (Fe/h-BN). Наноструктурированные покрытия h-BN состояли из сферических наночастиц h-BN размером 100–300 нм, поверхность которых была образована многочисленными нанолепестками, покрытыми либо ультрадисперсными наночастицами Ag, либо частицами/пленкой оксида железа. 1. Серебро на поверхности покрытий h-BN находится в металлическом состоянии. Железо находится в окисленном состоянии, образуя наночастицы γ-Fe2O3 и ε-Fe2O3. Модификация поверхности h-BN наночастицами Ag и оксида железа улучшает ее смачиваемость. Количество ионов Ag и Fe, выходящих с поверхности, зависит от их содержания. За быстрым высвобождением ионов Ag и Fe в первые 3 часа следует более медленное выщелачивание в следующие 21 час. После УФ-облучения в течение 1 часа покрытия Ag/h-BN и Fe/h-BN генерируют активные формы кислорода, концентрация которых постепенно увеличивается к 24 часам. 2. Ингибирующий эффект зависит от концентрации Ag и оксида железа и специфичен для каждого вида бактерий и грибов. Минимальная ингибирующая концентрация (МИК) наночастиц оксида железа составляет 74 мкг/см2 для эффективного подавления бактерий E. coli K-261, E. coli U20, S. aureus MW2, S. aureus 839 и S. Pneumoniae ATCC33400, а также и грибов C. papapsilosis ATCC90018 через 24 часа. 3. Покрытия Ag/h-BN проявляют сильный бактерицидный эффект при более низкой концентрации Ag по сравнению с их аналогами, легированными Fe. Образец с 25 мкг/см2 Ag убивает все клетки E. coli K-261, E. coli U20 и S. aureus MW2 через 3 часа и эффективно ингибирует рост S. aureus ATCC25923, C. parapsilosis ATCC90018, E. coli С600, C. auris CBS10913 и S. pneumoniae ATCC33400. МИК Ag составляет 12 мкг/см2 для полного подавления штаммов E. coli K-261, E. coli U20, S. aureus MW2 и S. aureus 839 через 24 часа. Была разработана и получена антибактериальная, УФ-защитная, гидрофобная, моющаяся и термостойкая гексагональная хлопчатобумажная ткань на основе наночастиц BN (h-BN). Для обеспечения лучшей стабильности и диспергируемости наночастиц (НЧ) h-BN на поверхности ткани НЧ обрабатывали малеиновым ангидридом (МА) и диэтилентриамином (ДЭТА). Наиболее важные результаты можно резюмировать следующим образом. 1. Из-за разницы в дзета-потенциалах (-38,4 эВ против -25,8 эВ) МА-модифицированные НЧ h-BN образуют стабильную суспензию, в то время как ДЭТА-модифицированные НЧ BN склонны к агломерации. НЧ BN-МА и BN-ДЭТА обладают высоким УФ-поглощением в области 200-250 см-1. 2. Теоретическое моделирование показало, что использование ДЭТА в качестве связующего может повысить прочность сцепления НЧ BN с целлюлозой. Наиболее сильное физическое взаимодействие ДЭТА с целлюлозой наблюдается при горизонтальном расположении (энергия связи -1,37 эВ) по сравнению с вертикальным (-0,28 эВ). Хотя малеиновая кислота, образующаяся при взаимодействии МА с водой, лучше связывается с целлюлозой, МА в качестве связующего менее предпочтителен из-за более слабой связи МА с BN (-0,02 эВ и -0,23 эВ для МА и малеиновой кислоты соответственно). ). 3. Хлопчатобумажная ткань, покрытая поверхностно-модифицированными НЧ, обладает отличной устойчивостью к стирке и высокой гидрофобностью при краевом угле смачивания водой 135° (BN-МА) и 146° (BN-ДЭТА). 4. По сравнению с исходным текстильным материалом обработка МА- и ДЭТА-модифицированными НЧ h-BN снижает проницаемость дневного света и УФ-излучения на 88-89 и 90-94% соответственно и повышает термостойкость на 10% (BN-МА-ткань) и 15% (BN-ДЭТА-ткань). 5. Хлопчатобумажная ткань, покрытая ДЭТА и МА-модифицированными НЧ BN, проявляет усиленное антибактериальное воздействие в отношении штаммов E. coli U20 и S. aureus и полностью предотвращает образование биопленки E. coli, что можно объяснить выделением бора и образованием борной кислоты. https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/novosti-podvedomstvennykh-uchrezhdeniy/56268/ https://priority2030.ru/news/nou-khau-ot-uchenykh-misis-ant https://russian.rt.com/science/article/1034769-uchyonye-nanochasticy-bor-implanty https://rscf.ru/news/engineering-sciences/bor-serebro-i-zhelezo/

 

Публикации

1. Антибактериальная, УФ-защитная, гидрофобная, моющаяся и термостойкая текстильная ткань с покрытием из наночастиц на основе BN: экспериментальное и теоретическое понимание Antibacterial, UV-protective, hydrophobic, washable and heat-resistant BN-based nanoparticle coated textile fabric: experimental and theoretical insight ACS Applied Bio Materials, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00651

2. БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЧАСТИЦАМИ Ag И Fe БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЧАСТИЦАМИ Ag И Fe EurasiaScience, 2022, 80-81 (год публикации - 2022)

3. Метод повышения биоактивности и бактерицидности покрытий, полученных методом микродугового оксидирования Метод повышения биоактивности и бактерицидности покрытий, полученных методом микродугового оксидирования Физико-химия и технология неорганических материалов, нет (год публикации - 2022)

4. Наноструктурированное гексагональное покрытие BN поддерживающее наночастицы серебра и оксида железа и связанные с ними бактерицидная и фунгицидная активность Nanostructured hexagonal BN coating-supported silver and iron oxide nanoparticles and related bactericidal and fungicidal activities Applied Surface Science, 603, 154418 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.15441

5. Недавний прогресс в получении и применении BN наноструктур и наногибридов на основе BN Recent Progress in Fabrication and Application of BN Nanostructures and BN-Based Nanohybrids Nanomaterials, 12, 2810 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12162810

6. Гудзь К.Ю., Штанский Д.В., Матвеев А.Т. Способ получения наноструктурированных покрытий гексагонального нитрида бора с антибактериальным эффектом -, Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау НИТУ «МИСиС» № 08-457-2022 ОИС (год публикации - )

7. - Бор, серебро и железо: российские ученые создали покрытие для медицинских имплантатов на основе наночастиц металлов Российский научный фонд, - (год публикации - )

8. - Бор, серебро и железо: российские ученые создали покрытие для медицинских имплантатов на основе наночастиц металлов Россия Сегодня (RT), - (год публикации - )

9. - Колючий и безопасный: Нитрид бора вместо антибиотика Сайт НИТУ "МИСиС", - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты имеют высокую практическую значимость. Для различных систем были изучены основные механизмы подавления бактериальной и грибковой инфекции, а также и их комбинации: контролируемый выход бактерицидных ионов, образование активных форм кислорода (свободных радикалов), создание микрогальванических пар на поверхности, механическая деактивация бактерий при их непосредственном физическом контакте с поверхностью, поверхностная иммобилизация антибиотиков и нитрозо-соединений, выделяющих нитроксильные радикалы. Получены экспериментальные образцы имплантатов с покрытиями, суспензии наночастиц с терапевтическими агентами и бактерицидные ткани. Проведены биологические исследования на биосовместимость, бактерицидную и фунгицидную активность. Продемонстрирована высокая эффективность разработанных материалов в отношении патогенных грамположительных и грамотрицательных бактериальных штаммов, и патогенных грибковых культур. На "Способ получения наноструктурированных покрытий гексагонального нитрида бора с антибактериальным эффектом" зарегистрировано ноу-хау. Одним из наиболее ярких результатов является то, что наночастицы BN с минимальной дозой гентамицина (4 мас.%) проявляют сильное бактерицидное действие против 2-х видов штаммов S. aureus, 2 типа штаммов P. aeruginosa и 38 типов штаммов E. coli, в том числе, включая штаммы, обладающие множественной лекарственной устойчивостью. Для остальных протестированных штаммов E. coli, наночастицы BN, легированные серебром, и конъюгированные с гентамицином наногибриды Ag/BN показали превосходную бактерицидную активность. Полученные результаты важны для дальнейшей разработки наноструктурированных поверхностей и наноносителей, обладающих комплексной способностью к подавлению инфекции за счет физического уничтожения бактерий, генерации активных форм кислорода и высвобождения терапевтических агентов. Также разработана антибактериальная, УФ-защитная, гидрофобная, моющаяся и термостойкая хлопчатобумажная ткань, модифицированная наночастицами, которая может найти применение при производстве одежды.