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 21-79-10411

НазваниеКомплексное исследование адсорбентов на основе наночастиц гексагонального нитрида бора для очистки сточных вод от лекарственных средств

РуководительСорокина Любовь Юрьевна, Кандидат 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

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словаНаночастицы, гексагональный нитрид бора, инженерия поверхности, функционализация поверхности, сорбция, биоматериалы, антибиотики, теоретическое моделирование

Код ГРНТИ31.15.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время разработка новых лекарств и их производство превратились в важнейшую отрасль отечественной науки и промышленности. Создание локальных фармацевтических производств в РФ является одной из приоритетных задач развития страны. В России утверждена Стратегия развития фармацевтической промышленности («ФАРМА-2020»), которая была продлена на период до 2024 года [1]. Среди важных задач стратегии – увеличение доли продукции отечественного производства на внутреннем рынке до 50%. При таком росте фармацевтической промышленности и широком применении лекарственных препаратов неизбежно их попадание в окружающую среду. В связи с этим, поиск эффективных методик и новых способов удаления антибиотиков из водных объектов является в настоящее время важной научной и практической задачей. Стремительное развитие нанотехнологий, в частности области низкоразмерных наноматериалов способно внести значительной вклад в развитие данной области и улучшение описанной ситуации. Адсорбирование молекул лекарственных препаратов на безопасный носитель является наиболее предпочтительными способами очистки, поскольку они предлагают возможность использования простых химико-физических процессов при очистке воды, воздуха, поверхностей от органических загрязнителей, что делает этот процесс экологически чистым и экономичным. Наноматериалы с высокой удельной поверхностью, являются идеальными платформами для разработки и получения недорогих и высокоэффективных биосенсоров, биофильтров и носителей антибактериальных агентов. К таким материалам относится гексагональный нитрид бора (h-BN). Этот материал обладает уникальным комплексом свойств: низкой удельной плотностью, высокой термической и химической стабильностью, жаростойкостью, биосовместимостью, хорошей адсорбционной способностью и широкой запрещенной зоной. Таким образом, наноструктурированный h-BN является идеальным кандидатом в качестве абсорбирующего материала. Однако, эффективность адсорбции на идеальную поверхность гексагонального нитрида бора затрудняется небольшим количеством активированных центров, что требует её модификации. Новизна проекта заключается проведении систематического экспериментально-теоретического исследования и построении общей модели сорбции/десорбции различных антибактериальных препаратов на поверхности модифицированных наночастиц нитрида бора. Основной задачей данного проекта является изучение процессов сорбции и десорбции различных типов антибиотиков применительно к наноструктурам h-BN как теоретическими, так и экспериментальными методами. Такой системный подход позволит глубоко изучить процесс сорбции/десорбции антибиотиков различного класса, дать описание типу связывания аналита с адсорбентом, определить характер сорбции и изучить ее зависимость от внешних условий. Будут изучены наночастицы на основе h-BN с различной модификацией поверхности – внесение дефектов, декорирование атомами и/или наночастицами металлов, внесение сторонних атомов в структуру и пр. В качестве аналитов будут выбраны антибиотики различных групп, включая макролиды (эритромицин), сульфаниламиды (сульфаметоксазол), диаминопиримидины (триметоприм), аминогликозиды (ципрофлоксацин), тетрациклины (тетрациклин) и β-лактамы (пенициллин). Такое комплексное исследование позволит в конечном итоге изготовить эффективные адсорбенты и мембраны на их основе для очистки сточных вод от загрязнений фармацевтическими препаратами.

Ожидаемые результаты
Результаты проекта изложены в п. 4.6 и даны в конце данного пункта. Научная и общественная значимость результатов представляемого проекта определяются важностью решения задачи по очистки воды от загрязнений различными классами антибиотиков, включая макролиды (эритромицин), сульфаниламиды (сульфаметоксазол), диаминопиримидины (триметоприм), аминогликозиды (ципрофлоксацин), тетрациклины (тетрациклин) и β-лактамы (пенициллин). Именно эти антибиотики обнаруживаются в больших концентрациях в сточных водах. Для решения этой проблемы необходимо создание новых высокоэффективных материалов, обладающих высокой адсорбционной способностью и селективностью в отношении фармацевтических загрязнителей. От успешного решения этой проблемы во многом будет зависеть здоровье человека и сохранение других биологических видов. Это связано с глобальным загрязнение водных объектов лекарственными препаратами, их накопление в воде и почве несет в себе потенциальную опасность для окружающей среды, человека и других биологических видов. Особенно важной данная проблема стала в последнее время в связи с эпидемией COVID-19 при лечении последствий которого широко используются антибактериальные препараты. Предлагаемое исследование и его результаты соответствуют мирового уровню и соответствуют общемировым подходом к решению данной экологической проблемы. Сорбционная очистка воды является наиболее экономически и экологически выгодным процессом. При этом данный проект предлагает решение поставленной задачи путём использования наноструктур с поверхностью модифицированной методами наноинженерии. В рамках проекта будет применены теоретические методы, с помощью которых будет определено, как та или иная модификация наночастиц нитрида бора влияет на физико-химические и, следовательно, сорбционные свойства поверхности. Экспериментальные исследования обеспечат прямую верификацию полученных из теоретического моделирования данных и позволят создать эффективный селективный адсорбент для отчистки сточных вод от различных терапевтических препаратов. Ожидаемые результаты проекта по годам 2021 - Будет построена модель h-BN и h-BNO с идеальной и дефектной поверхностью (моновакансии по бору/азоту/кислороду). - Будет изучен характер и степень связывания антибиотиков (аминогликозиды (ципрофлоксацин), тетрациклины (тетрациклин) и β-лактамы (пенициллин)) с наночастицами BN(O). Будет определена наиболее стабильное положение антибиотика на поверхности наночастиц. - Будут изучено влияние дефектов в структуре на характер связывания (химическая, физическая сорбция) антибиотиков с наночастицами BN(O). Будет сделан прогноз о наиболее оптимальной модификации поверхности наноструктуры для достижения необходимой степени сорбции молекул антибиотика. - Будет определена степень насыщаемости наночастиц при различной концентрации антибиотика и изучен процесс сорбции/десорбции в зависимости от внешних факторов (температуры, давления). - Будут синтезированы наночастицы h-BN методом химического осаждения из газовой фазы при взаимодействии аммиака с парами оксида бора (ВО, В2О2). С помощью высокотемпературного и окислительного отжига наночастиц будут получены наночастицы с различным составом поверхности (BN, BN(O)). - Методом спектрофотометрии будет изучен процесс сорбции/десорбции различных аналитов на поверхности наночастиц h-BN, будет определена максимальная концентрация аналита на единицу массы наночастиц в зависимости от антибиотика. - По результатам структурных исследований наночастиц будет изучена микроструктура, морфология и состав поверхности полученных наноструктур на основе h-BN - Для каждого типа антибиотиков будет подобран селективная форма сорбента - Будет разработана методика очистки наночастиц h-BN от молекул аналита для их дальнейшего использования 2022 - Будет построена модель наногибридов Ме/BN с различными типами металлов. Будет определена оптимальная форма и размер наночастиц металлов в зависимости от особенностей атомной структуры нитрида бора (степень дефектности, развитость поверхности). - На основании энергии связывания и распределения электронной/зарядовой плотности при сорбции антибиотика на наногибрид Me/BN будет изучен характер связывания (химическая, физическая сорбция), определен механизм насыщения поверхности наногибрида Ме/BN бактерицидным компонентом. - Будет изучен процесс сорбции/десорбции в зависимости от типа сорбента – металла, BN, особенностей их структуры, внешних условий (температура/давление). - Методами химического осаждения из водных растворов и твердофазным восстановлением будут получены наногибридные частицы Ме/BN (Me = Ag, Cu, Fe и др). - Будет изучен механизм присоединения антибиотиков к полученным поверхностно-модифицированным наноструктурам h-BN. Методами ИК спектроскопии и рентген-фотоэлектронной спектроскопии будут получены данные о химическом взаимодействии наночастиц с аналитами. - Будет проведен ряд исследований по изучению селективности и чувствительности адсорбентов на основе h-BN в отношении малых примесей антибиотиков в зависимости от концентрации частиц переходных металлов на поверхности наногибридов. - Будет определена структура, морфология и состав поверхности наногибридов Me/BN методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, ИК спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. - Будет изучен процесс сорбции/десорбции различных аналитов поверхностью наногибридов методом спектрофотометрии. будет определена максимальная концентрация аналита на единицу массы наночастиц в зависимости от типов антибиотика и металла. - Будет разработана методика очистки гибридных наночастиц Ме/h-BN от молекул аналита для их дальнейшего использования. 2023 - Будет изучен характер и степень связывания новых классов антибиотиков с наночастицами BN(O) и Me/BN(O). В расчетах будут использоваться три новых типа антибиотиков: макролиды (эритромицин), сульфаниламиды (сульфаметоксазол), диаминопиримидины (триметоприм). - Будет изучен процесс сорбции/десорбции молекул эритромицина, сульфаметоксазола и триметоприма поверхностью гибридных наночастиц методом спектрофотометрии. - Будет изучена зависимость сорбции от внешних факторов (температуры/концентрации) теоретическими и экспериментальными методами. Будет определена максимальная сорбционная способность на единицу массы гибридных наночастиц методом спектрофотометрии. - Будет изучена сорбционная способность наночастиц после различных методов очистки (регенерация сорбента). - На основании экспериментальных и теоретических данных будет построена общая систематическая модель сорбции/десорбции для выбранных наночастиц и наногибридов с антибиотиками различного класса. - Будет изготовлена мембрана на основе лучших изученных наноадсорбентов для очистки сточных вод от фармацевтических примесей. - Будут выявлены сенсорные способности разработанных материалов в отношении малых количеств аналитов при использовании метода комбинационного рассеяния с усилением поверхности (surface-enhanced Raman spectroscopy).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Построена теоретическая модель на основе термодинамического подхода по формированию кисленного нитрида бора. Показано, что: 1) В случае отсутствия источника водорода наиболее стабильной структурой является B5N3O2. Однако, данная структура, хоть и с самой низкой энергией образования, является весьма искаженной, и маловероятно, что будет образовываться в большом количестве в листе нитрида бора. Скорее всего, она будет присутствовать в отдельных участках в виде дефекта. Поэтому, если исключить из рассмотрения структуру B5N3O2, то можно сделать вывод, что до температуры ~ 300 К кислород самопроизвольно осаждается на поверхность нитрида бора без диссоциации, в форме пероксида, как и было показано в работах [19]–[21]. При более высоких температурах данный процесс самопроизвольно не протекает, термодинамически система не стабильна. Встраивание кислорода в решетку с замещением атома азота происходит при Т=1050 К. Однако, при in initial defect structure наиболее стабильным будет именно встраивание кислорода в решетку и «залечивание» дефекта. 2) При наличии молекулярного водорода в системе кислород будет осаждаться в виде –ОН группы. Такая структура стабильна до достижения высоких температур. При повышении температуры –ОН группы десорбируются с поверхности, и концентрация кислорода будет понижаться достаточно скачкообразно с 16.67 % до 12.50 % и следом до 2.63 % при температуре 860-880 K, затем при Т=1225К концентрация кислорода уменьшается до 1.37 %, и только при температуре выше 1410 К кислород встраивается в решетку. Однако, при наличии вакансионных дефектов в структуре, уже при 707 К кислороду выгоднее встроится в решетку, чем оставаться на поверхности. Также при температуре 680 К становится выгодной структура, предложенная в работе [31] даже в отсутствии дефектов в изначальной структуре. В связи с чем, можно сделать вывод, что при низких температурах (до 680 К) кислород осаждается на поверхность нитрида бора в виде –ОН групп, а при повышении температуры начинает встраиваться в решетку. Теоретически и экспериментально изучена сорбция различных антибиотиков на поверхность нитрида бора. Показано, что в зависимости от рН среды, а значит и от заряда антибиотика, они будут по-разному садится на поверхность нитрида бора. Определены наиболее стабильные позиции для сорбции. Показано, что нейтрально заряженный пеницилин (бензопеницилин) адсорбируется плохо, в то время как его отрицательно-заряженная форма в виде растворенного бицилина сорбируется до 30% (теоретически). Теоретическое моделирование хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так в случае тетрациклина, при минимальной используемой концентрации (50 мкг/мл) в течение первых 24 ч исследования сорбировалось порядка 54%, при концентрациях 100 и 200 мкг/мл этот показатель составил 40 и 27% соответственно. В случае билиллина в первые сутки сорбционная способность составила 27% (200 мкг/мл), 36% (100 мкг/мл) и 46% (50 мкг/мл). Наименьшая активность наблюдалась в случае ципрофлоксацина, через 24 ч сорбировалось порядка 22, 34 и 41% для 200, 100 и 50 мкг/мл соответственно. Изучена селективность нитрида бора к смеси антибиотиков. Показано, что селективность к бициллину оказалась намного более выражена, чем к тетрациклину и ципрофлоксацину, что подтверждается теоретическими меодами. Разработан метод отчистки наночастиц h-BN от молекул аналита. Наночастицы нитрида бора погружались в смесь: ацетонитрил, ацетатный буфер рН 4,4 и спирт (этанол/изопропанол). Согласно полученным результатам при использовании данной методики очистка антибиотика была произведена полностью уже на 21 день эксперимента. По результатам исследования готовятся статьи к публикации.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Был разработан высокоэффективный, многоразовый материал для очистки сточных вод от терапевтических препаратов на основе наночастиц гексагонального BN. BNNPs не только экономически выгоден в получении, но и обладает высокими бактерицидными и фунгицидными свойствами, что поможет избежать развития множественной лекарственной устойчивости бактерий и токсического эффекта на другие живые организмы. Была исследована способность материала удерживать четыре наиболее распространенных на сегодняшний день антибиотика — тетрациклин, ципрофлоксацин, амоксициллин и амфотерицин В, которые используются для борьбы с такими бактериями, как стафилококк, кишечная палочка и холерный вибрион. Скорость улавливания терапевтических препаратов зависела от кислотности среды и концентрации антибиотиков в растворах, в которой проводился эксперимент. Так, полная очистка раствора происходила до двух раз быстрее в нейтральной среде, чем в кислой и щелочной. При этом для полного удаления антибиотиков из раствора требуется от 7 до 14 дней, в зависимости от начальной концентрации. Поскольку сточные воды имеют нейтральный уровень кислотности, BNNPs будет работать в них наиболее эффективно. Исследования показали, что BNNPs успешно очищаются от осевших на них антибиотиков с помощью смеси ацетатного буфера, ацетонитрила и этанола. После очистки материал сохранил способность улавливать все рассмотренные препараты. Так при повторном погружении эффективность работы материала снизилась — до 5 %, что подтверждает эффективность многоразового использования. Полученные результаты показывают высокий потенциал BNNPs как доступного, экономичного и многоразового адсорбента для эффективной очистки воды от антибиотиков. Важным результатом является установленная зависимость сорбции и десорбции от рН раствора, что дает возможность контролировать процессы очистки растворов и адсорбентов от антибиотиков.

Публикации

1. Антипина Л.Ю., Котякова К.Ю., Трегубенко М.В., Штанский Д.В. Experimental and theoretical study of sorption capacity of hexagonal boron nitride nanoparticles: implication for wastewater purification from antibiotics Nanomaterials, Nanomaterials 2022, V. 12, №18, P. 3157 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12183157

2. Кристина Ю. Котякова, Любовь Ю. антипина, Павел Б. Сорокин, Дмитрий В. Штанский Efficient and Reusable Sorbents Based on Nanostructured BN Coatings for Water Treatment from Antibiotics International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(24), 16097 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ijms232416097

3. Л.Ю. Антипина, Л.А. Варламова, П.Б. Сорокин The Temperature Dependence of the Hexagonal Boron Nitride Oxidation Resistance, Insights from First−Principle Computations Nanomaterials, том 13, выпуск 6, стр. 1041 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13061041

4. П.М. Калачикова, А.Е. Гольдт, Е.М. Хабушев, Т.М. Еремин, Т.С. Зацепин, Е.Д. Образцова, К.В. Ларионов, Л.Ю. Антипина, П.Б. Сорокин, А.Г. Насибулин Single-step extraction of small-diameter single-walled carbon nanotubes in the presence of riboflavin Beilstein Journal of Nanotechnology, том 13, стр 1564–1571 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3762/bjnano.13.130

5. - Ученые разработали перспективный сорбент для очистки сточных вод от антибиотиков сайт МИСИС, 21 октября 2022 (год публикации - )

6. - Комплексное исследование адсорбентов на основе наночастиц гексагонального нитрида бора для очистки сточных вод от лекарственных средств Сайт лаборатории цифрового материаловедения, - (год публикации - )

7. - Нитрид бора очистит сточные воды от антибиотиков Пресс-служба РНФ, 28 декабря, 2022 (год публикации - )

8. - НАНОТЕХНОЛОГИИ: НИТРИД БОРА ОЧИСТИТ СТОЧНЫЕ ВОДЫ ОТ АНТИБИОТИКОВ наука.рф, 1 ФЕВРАЛЯ 2023 (год публикации - )