Полимер матрицасына күміс нанобөлшектерін енгізу: биомедициналық көзқарас



Нанотехнология материалдарды атомдық деңгейде бейімдеу арқылы ауруларды бақылау және алдын алудың жаңа мүмкіндіктерін ашады деп күтілуде. Бактерицидтік наноматериалдарды зерттеу, ең күшті антибиотиктерге төзімді жаңа бактерия штаммдарының санының жақында көбеюін ескере отырып, әсіресе өзекті болып табылады. Бұл күміс иондарының және оның негізіндегі қосылыстардың, соның ішінде күміс нанобөлшектерінің белгілі белсенділігін зерттеуге ықпал етті. Бұл шолу бактериялар мен патогенді микроорганизмдерге қарсы қолдану үшін полимер/нанокүміс композиттік жабындарының жаңартылған жетістіктерін талдай отырып, перспективалы бағытты таңдауға мүмкіндік береді.

Кілт сөздер: күміс нанобөлшектері, микроорганизмдер, композитті материалдар

Ожидается, что нанотехнологии откроют новые возможности для контроля и профилактики заболеваний за счет адаптации материалов на атомном уровне. Изучение бактерицидных наноматериалов особенно актуально в связи с увеличением в последнее время числа новых штаммов бактерий, устойчивых к сильнейшим антибиотикам. Это привело к изучению известной активности ионов серебра и соединений на их основе, в том числе наночастиц серебра. Данный обзор позволяет выбрать перспективное направление, анализируя новейшие достижения полимерно-нанокомпозитных покрытий для борьбы с бактериями и патогенными микроорганизмами.

Ключевые слова: наночастицы серебра, микроорганизмы, композиционные материалы.

Күміс нанобөлшектері, атап айтқанда, микробқа қарсы, зеңге қарсы, ашытқыға қарсы және вирусқа қарсы белсенділікке ие және динамикалық тағамды орау үшін ыдырамайтын және жеуге болатын полимерлермен біріктірілуі мүмкін. күмістің микроорганизмдер бетімен жанасуы мүмкін кең аймаққа байланысты металл күміске қарағанда жақсырақ микробқа қарсы әсерлерін көрсетті. Ирандық ғалымдардың зерттеуі бойынша, микроорганизмдер, ішек таяқшасы, алтын стафилококк және психофилді бактериялардың жалпы өміршең санын бағалау үшін Тилапияда екі тоңазытқыш температурасында (4 және 8ºC) нанокүміс қаптамасының микробқа қарсы әсерін бағалау жүзеге асырылды. Күміс нанобөлшектері негізіндегі микробқа қарсы қаптама тағамның жарамдылық мерзімін ұзартуда және патогендердің қаупін азайтуда маңызды жұмыс атқаратын динамикалық азық-түлік орауының перспективалы түрі болып табылады. Сонымен қатар, азық-түлікте немесе азық-түлік симуляторларында бөлінетін күміс нанобөлшектерінің өлшенетін мөлшері анықталмаған, бұл күміс нанобөлшектері бар пакеттердің азық-түлік үшін қауіпсіз екенін білдіреді [1].

Күміс иондарының микроорганизмдерге бактерицидтік әсері өте жақсы белгілі; дегенмен, бактерицидтік механизм жартылай ғана зерттелген. Иондық күмістің өмірлік маңызды ферменттердің тиол топтарымен күшті әрекеттесуі және оларды инактивациялауы ұсынылды. Эксперименттік дәлелдер бактериялар күміс иондарымен өңделгеннен кейін ДНҚ репликация қабілетін жоғалтатынын көрсетеді. Басқа зерттеулер жасуша мембранасының құрылымдық өзгерістерінің, сондай-ақ күміс пен күкірттен түзілген шағын электронды тығыз түйіршіктердің пайда болуының дәлелдерін көрсетті. Күміс иондары бактерицидтік қолданбаларда пайдалы және тиімді екендігі көрсетілді, бірақ нанобөлшектердің бірегей қасиеттеріне байланысты нанотехнология жаңа бактерицидтерді әзірлеу үшін ақылға қонымды балама ұсынады. Нанометрлік өлшем диапазонындағы металл бөлшектері ионнан да, көлемді материалдан да ерекшеленетін физикалық қасиеттерді көрсетеді. Бұл олардың жоғары белсенді қырлары бар морфологияларға байланысты каталитикалық белсенділіктің жоғарылауы сияқты керемет қасиеттерді көрсетеді.

Күміс нанобөлшектері E. coli, V. cholera, P. aeruginosa және S. typhus грамтеріс бактерияларға және S. mutans және грам-оң S. aureus бактерияларына қарсы тиімді. Кейбір зерттеулер қоғамдық денсаулық мәселесі болып табылатын микроорганизмдердің төзімді штаммдарымен күресуге қабілетті жаңа препараттарды/материалдарды әзірлеуге бағытталған. Дегенмен, құрылыс материалдарында қолдану әлі де аз зерттелген және әдебиеттерде есептер сирек кездеседі [2].

Бразилиялық ғалымдар күміс нанобөлшектерін құрылыс материалдарында қолдану мақсатында зерттеу жұмыстарын жүргізеді. Гипс гигроскопиялық және кеуекті материал болып табылады. Бұл ылғалды оңай және тез сақтауға мүмкіндік береді; дегенмен оның кебуі баяу жүреді. Осылайша, ол саңырауқұлақтардың өсуіне қолайлы орынға айналады. Ерітінді портландцементтен, минералды толтырғыштардан, бейорганикалық пигменттерден және басқа химиялық қоспалардан тұрады. Ерітіндідегі саңырауқұлақтардың көбеюін болдырмаудың дәстүрлі әдісі — су өткізбейтін полимерлі қоспалар. Дегенмен, бұл әдіс толықтай тиімді емес екені белгілі. Осылайша, қоспаға микробқа қарсы қоспаны қосу ерітіндінің керамика арасындағы судың өтуін болдырмайды, сонымен қатар микроорганизмдердің көбеюіне жол бермейді. Зерттеу нәтижесі бойынша, күміс нанобқлшектерін гипстік сылақ пен ерітіндіге қосуға болатынын, олардың микробқа қарсы қасиеттерін сақтай отырып, материалдың қасиеттерін жақсартатынын көрсетеміз. Бұл жаңа материалдар S. aureus, P. aeruginosa, E. coli және A. Niger-ге қарсы тиімді және осылайша бұл микроорганизмдердің көбеюіне жол бермей, денсаулық пен қоршаған ортаға пайдасын тигізеді [3].

Күміс және күміс негізіндегі жабындар бірнеше жылдар бойы катетер және эндотрахеальды түтіктер сияқты бірнеше медициналық құрылғыларда қолданылған. Микроорганизмдерден қорғауға қол жеткізу үшін күмісті қолдану медицинадан асып түседі, өйткені иіс пен инфекция қаупін азайту үшін тіпті маталар күміспен сіңдірілген. Дегенмен, негізгі алаңдаушылық күміс жабынның эрозияға ұшырауы және жоғалуы мүмкін және бұл қоршаған ортаға әсер етеді [4].

Нанобөлшектердің зеңге қарсы белсенділігі бактерияға қарсы белсенділікке қатысты аз зерттелген тақырып. Жабық ортада өсетін зеңдер биоаэрозолдың түзілуіне, демек ауаның ластануына және адам денсаулығының нашарлауына айтарлықтай үлес қосады. Осы мақсатта мексикалық және аргентиналық ғалымдар бірлесе отырып, күміс (екі түрлі өлшемде), мыс және мырыш оксидінің нанобөлшектерін ішкі жұмыстарға арналған су негізіндегі бояуларға қосып, олардың биорезистенттілігін сынайды. Ол үшін арнайы оқшауланған саңырауқұлақтармен қатты ортада сканерлік электронды микроскопты қолдана отырып, зерттеу жүргізеді. Ең кіші өлшемдегі күміс наноұнтағы қосылған бояу ең жақсы нәтиже көрсетеді. Жабық ортада өсетін зеңдер биоаэрозоль түзілуіне, демек, ауаның ластануына және адам денсаулығының нашарлауына айтарлықтай ықпал етеді. Осы тұрғыдан алғанда, бұл зерттеу қатты ортада бұрын оқшауланған саңырауқұлақтар Chaetomium globosum және Alternaria alternata арқылы нанобөлшектердің зеңге қарсы белсенділігін бағалады. Содан кейін нанобөлшектері қосылған акрил бояуларының биорезистенттігі Петри табақшаларында бағаланып, сканерлеуші электронды микроскоп арқылы бақылаулар жүргізілді. Ең жақсы нәтижелер көлемі кішірек (10 нм) күмісі бар бояумен алынды [5].

Нанокүміс бактерияға қарсы агенттердің жаңа буыны ретінде қарастырылады және медициналық құрылғыларға, азық-түлік пакеттеріне және өнеркәсіптік құбырларға арналған бактерияға қарсы беттік жабындарда пайдалану үшін үлкен әлеуетке ие. Дегенмен, жеңіл агрегация, күміс иондарының бақыланбайтын бөлінуі және потенциалды цитотоксиктік сияқты кемшіліктер оны қолдануға айтарлықтай кедергі келтіреді. Соңғы жылдары бірегей функциялары бар полимерлер биоүйлесімділік пен бактерияға қарсы белсенділікті арттыру үшін нанокүміспен нанокомпозиттік жабындарды жасау үшін қолданылып келеді. Қытайлық ғалымдар нанокүмістің бактерияға қарсы механизмі мен цитотоксикалық әсерлері [6] бойынша зерттеу жұмысын жүргізеді. Полимерлердің бактерияға қарсы функциялары кейінірек талқыланады. Бактерияға қарсы қолдану үшін полимер/нанокүміс композиттік жабындарын өндірудегі жетістіктер зерттелді.

Мұндай композиттердегі күміс нанобөлшектерінің дозасына байланысты цитотоксикалық әсерге әкелуі мүмкін. Осы мәселе бойынша қытайлық ғалымдар цитоуыттылықсыз микробқа қарсы белсенділікке әкелетін нано-күміс композициясын кептірілген альгинат гидрогельіне жүктеу арқылы жасалды [7]. Бұл композиттің биологиялық өнімділігі негізінен алгинаттың ионалмасу реакциясы іске қосуды қажет ететін және композиттегі күміс нанобөлшектерінің мөлшерлемесі әсер еткен күміс нанобөлшектерінің босап шығарылуына байланысты болды. Бұл процесте ион алмасу коммутатор ретінде әрекет етті. Зерттеулер нәтижесі юойынша шығарылған күмістің концентрациясы 678-ден 1,10× ppb диапазонында болғанда, цитотоксикалық индукциясыз айқын микробқа қарсы белсенділікке қол жеткізуге болады. Осылайша, алгинат ішіндегі күміс нанобөлшектерінің мөлшерін мұқият жобалау арқылы композит in vitro сүтқоректілердің жасушаларымен үйлесімді болды, бірақ микробқа қарсы белсенділік көрсетті.

Бактерияға қарсы және саңырауқұлаққа қарсы агент болудан басқа, күміс нанобөдшектері вирусқа қарсы агенттер ретінде де танылды. АИТВ-1 бойынша күміс нанобөлшектері вирусқа қарсы зерттеу туралы бірінші есепте өзара әрекеттесу нанобөлшектердің мембранадағы гликопротеиндердің күкірт қалдықтарымен артықшылықты байланысуы арқылы жүзеге асады, бұл сайып келгенде вирустың басқа хост жасушаларымен байланысуын тежейді. Өзара әрекеттесу 1–10 нм өлшемді металл бөлшектерінің вирусқа қосылуға әкелетін өлшемге байланысты екені анықталды. Күміс нанобөлшектерінің вируспен байланысуы — вирионды байланыстырудың, синтездің және инфекцияның алдын алуға әкеледі, бұл наноқұрылымды күмісті тиімді вирусцидтік агент етеді. Наноқұрылымды күмістің вирусқа қарсы әсерлері олардың хост жасушаларының белоктарына бағытталған жасушалармен байланысуына негізделген [8].

Қорытынды: Ерітілген күміс иондары, жасуша байланысы мен нанобөлшектердің енуінен алынған материал бактериялардың өліміне ықпал етуі мүмкін. Нанобөлшектердің мөлшері мен морфологиясы да биоцидтік өнімділікке әсер етеді. Зерттеулердің көпшілігінде ерітілген күміс иондарының бактерияға қарсы әсердегі маңыздылығы ескерілгенімен, бірнеше зерттеулер күміс нанобөлшектерінің цитоуыттылығын есепке алмайды.

Әдебиет:

1. A A. et al. Study on Nanosilver -TiO2 photocatalytic nanocomposite coating with extrusion technique for increasing shelf life of Nile Tilapia // Iran. J. Fish. Sci. 2020. Vol. 19, № 5. P. 2618–2633.
2. Morones J. R. et al. The bactericidal effect of silver nanoparticles // Nanotechnology. 2005. Vol. 16. P. 2346–2353.
3. Silva G. D. da et al. Silver nanoparticles in building materials for environment protection against microorganisms // Int. J. Environ. Sci. Technol. Vol. 2019. Vol. 16. P. 1239–1248.
4. Nzekwe I. T. et al. Design of Nanosilver-Epoxy Films for Hygienic Pharmaceutical Packaging // Bionanoscience. 2020. Vol. 10. P. 597–605.
5. Bellotti N. et al. Nanoparticles as antifungal additives for indoor water borne paints // Prog. Org. Coatings. 2015. № 86. P. 33–40.
6. Guo L. et al. Polymer/nanosilver composite coatings for antibacterial applications // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2013. Vol. 439. P. 69–83.
7. Wang C. et al. A nano-silver composite based on the ion-exchange response for the intelligent antibacterial applications // Mater. Sci. Eng. C. 2014. Vol. 41. P. 134–141.
8. Sadasivuni K. K. et al. Silver Nanoparticles and Its Polymer Nanocomposites—Synthesis, Optimization, Biomedical Usage, and Its Various Applications // Polym. Nanocomposites Biomed. Eng. 2019. P. 331–373.