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 23-23-00410
НазваниеСоздание новых антибактериальных препаратов и материалов на основе четвертичных аммонийных и кремнийорганических соединений
РуководительСаверина Евгения Александровна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет", Тульская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности
Ключевые словаАнтибактериальная активность, четвертичные аммониевые соединения, золь-гель технология, гибридные материалы, антибактериальные материалы, антибактериальные покрытия, пористые материалы
Код ГРНТИ31.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Настоящий проект направлен на разработку простых, ресурсосберегающих и экономичных методов получения препаратов и материалов на основе четвертичных аммониевых соединений и биокомпозитных кремнийорганических прекурсоров, обладающих выраженным антибактериальным, противовирусным и фунгицидным действием. Применение полученных материалов на практике позволит снизить негативное влияние повсеместного использования биоцидов на окружающую среду и будет способствовать предотвращению развития биопленок на различных поверхностях, в том числе в местах повышенного скопления людей, например в больницах и общественном транспорте.
Сегодня создание новых высокоэффективных антисептических и дезинфицирующих веществ и материалов, сочетающих в себе широкий спектр антимикробной активности, экологическую безопасность и относительно низкую токсичность имеет исключительное значение для практически важных областей химии и материаловедения. Пандемия SARS-CoV-2 (COVID-19) способствовала существенному увеличению использования дезинфектантов, что повышает риск развития бактериальной резистентности и может привести к резкому снижению эффективности биоцидных средств в будущем. Отдельным вызовом для научного сообщества является способность микроорганизмов организовываться в биопленки - колонии в полимерном матриксе, что повышает их устойчивость ко многим традиционным антибактериальным препаратам и приводит к серьезным экономическим потерям в различных отраслях промышленности. Проблема образования биопленок сдвигает интерес научных групп в сторону разработки способов предотвращения возникновения инфекций, нежели их лечения. Так, наиболее эффективной стратегией борьбы с биопленками признано подавление первоначальной адгезии бактерии к субстрату и уничтожение патогенного микроорганизма еще до ее формирования.
В связи с этим актуальным направлением представляется создание антимикробных покрытий, способных в течение длительного времени сохранять биоцидную активность и препятствовать формированию биопленок на поверхностях из различных материалов.
Сегодня многие коммерчески доступные дезинфицирующие средства изготавливаются на основе четвертичных аммониевых соединений (ЧАС). ЧАС представляют собой катионные поверхностно-активные вещества с широким спектром антимикробной активности. Они характеризуются сильным биоцидным действием даже при очень низких концентрациях, относительно низкой токсичностью и могут применяться при контакте с кожей человека. Данные преимущества делают ЧАС привлекательными для использования в качестве основного действующего вещества при разработке противомикробных поверхностей.
В связи с этим одним из направлений проекта будет разработка и развитие методов синтеза новых типов азотсодержащих органических катионных соединений, включая четвертичные аммониевые алкоксисиланы, обладающих выраженной антибактериальной и фунгицидной активностью. Все полученные соединения будут протестированы в сертифицированной биохимической лаборатории на патогенных грамположительных и грамотрицательных бактериях, в том числе на клинических штаммах, и на некоторых типах грибков. Соединения-лидеры войдут в состав антимикробных материалов, которые будут испытаны на способность подавлять формирование биопленок.
Далее предполагается развить альтернативный вариант изготовления антибиопленочных покрытий длительного действия. Он заключается в «инкапсулировании» биоцида в золь-гель матрицу из диоксида кремния. Для этого нами будут сформированы матрицы на основе различного соотношения силановых прекурсоров и изучены закономерности технологий создания функциональных гибридных биоструктур. Полученные нами результаты будут также интересны при разработке биокатализаторов, биореакторов, биосенсоров, биопрепаратов для деградации токсичных соединений, имплантов, биотопливных элементов и др.
Ожидаемые результаты
Междисциплинарный характер проекта и привлечение специалистов из разных областей знания позволит получить инновационные результаты мирового уровня, представляющие большой интерес для многих отраслей промышленности. Планируемое исследование позволит разработать простые, высокоэффективные и экономичные методы получения экологически безопасных биоцидных препаратов и материалов на основе четвертичных аммониевых соединений и биокомпозитных кремнийорганических прекурсоров.
Для этого нами будут разработаны методы синтеза новых классов пиридиниевых солей, обладающих выраженным антибактериальным и противовирусным действием при низких и даже очень низких концентрациях. Комплекс биохимических и физико-химических исследований полученных веществ позволит выявить соединения-лидеры, которые могут стать ключевыми компонентами разрабатываемых антибактериальных покрытий.
Параллельно нами будет исследована морфология кремнийорганических золь-гель матриц, полученных при варьировании различных параметров эксперимента, и описаны фундаментальные закономерности формирования структуры гибридных материалов на их основе.
На заключающем этапе выполнения проекта полученные ранее четвертичные аммониевые соединения и золь-гель материалы будут использованы для разработки антибактериальных покрытий. Применение таких поверхностей на практике позволит существенно снизить распространение инфекционных заболеваний, а также эффективно подавлять развитие бактериальных биопленок.
Результаты работ будут опубликованы в ведущих мировых журналах с высоким импакт-фактором и представлены на российских и международных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения первого этапа Проекта планировалось проведение работ по двум направлениям:
1. Разработка методов синтеза новых типов биспиридиниевых четвертичных аммониевых солей с кислородсодержащими спейсерами на основе бисфенола А и 2,5-диформилфурана.
2. Синтез и выявление закономерностей формирования биогибридных золь-гель материалов.
1. В отчетном периоде Проекта был предложен оригинальный метод получения новых биспиридиниевых четвертичных аммониевых соединений на основе дешевого и доступного соединения – бисфенола А. Были получены соли с пара-, орто- и мета-расположением атома азота относительно бисфенольного спейсера и линейными алкильными хвостами различной длины.
Для нескольких соединений из серии были проведены микробиологические исследования, включающие определение антибактериальной, антибиопленочной и фунгицидной активности на библиотечных (S.aureus ATCC 43300, E. coli ATCC 25922, P. aeruginosa ATCC27853, K. pneumoniae ATCC 70060, A. baumannii ATCC 15308, C. albicans ATCC 10231) и госпитальных (E. coli В-3421/19, K. pneumoniae B-2523/18, S. aureus В-8648, P. aeruginosa B-2099/18 и A. baumannii B-2926/18, C. albicans AV-85) штаммах микроорганизмов.
Предварительные микробиологические исследования показали, что разработанные соединения могут применяться в качестве эффективных антибактериальных веществ в дезинфицирующих средствах или антисептических композициях, а также быть рекомендованы для борьбы с наиболее устойчивыми бактериальными патогенами: A. baumannii, P. aeruginosa и K. pneumoniae.
Был произведен трехстадийный синтез ряда новых симметричных биспиридиниевых солей на основе 2,5-диформилфурана и пентаэритрита. На первой стадии были осуществлены две последовательные конденсации различных альдегидов (4-пиридинкарбальдегида, затем 2,5-диформилфурана) к пентаэритриту с образованием симметричной «заготовки» ядро-спейсер-ядро. Далее было проведено N-алкилирование полученной «заготовки» алкилгалогенидами.
В рамках подготовки к выполнению работ по следующему этапу Проекта была синтезирована серия симметричных бис-ЧАС на основе 5-хлорметилфурфурола и пентаэритрита. На первой стадии был получен 3,9-бис(5-(хлорметил)фуран-2-ил)-2,4,8,10-тетраоксаспиро[5.5]ундекан, представляющий собой «заготовку» спейсера. Молекулы голова-хвост, представляющие собой мета-алкиламинопиридины получали отдельно в три стадии из карбоновых кислот с использованием известных методик.
Произведены детальные микробиологические исследования вновь синтезированных соединений. Определена антибактериальная, антибиопленочная и фунгицидная активность в отношении 5 наиболее резистентных штаммов бактериальных патогенов и дрожжеподобного грибка C. albicans. Показано, что соединения-лидеры серии сопоставимы по эффективности с используемыми коммерческими антисептиками или уступают им на одно разбавление.
2. На первом этапе текущего Проекта произведена иммобилизация клеток дрожжей Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559 в кремнийорганические матрицы на основе тетраэтоксисилана и диметилдиэтоксисилана с использованием полиэтиленгликоля, поливинилового спирта и хитозана в качестве структуроуправляющих агентов. Определено влияние структроуправляющего агента на время формирования золь-гель капсулы вокруг клеток, и выявлено его влияние на морфологию гибридного материала. Полученные материалы изучены методом ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. С помощью метода энергодисперсионной рентгеноской спектроскопии впервые доказано, что структуроуправляющий агент не встраивается в структуру кремнийорганической оболочки.
Публикации