Установление условий нанесения антибактериальных покрытий на поверхности шовных и биомедицинских материалов
Проект Министерства образования и науки Республики КазахстанИРН: AP09260629
Актуальность проекта Основная идея проекта заключается в установлении физико-химических основ получения антибактериальных покрытий для поверхностей медико-биологических шовных и защитных медицинских материалов. Проблемы, на решение которых нацелены задачи проекта, связаны с образованием бактериальных биопленок на поверхности имплантированных материалов, которые могут привести к хронической микробной инфекции и некрозу тканей. Это может представлять серьезную проблему для имплантированных материалов, таких как швы, зубные и костные имплантаты, катетеры и сопровождаются длительной антибиотикотерапией, серьезными моральными и материальными затратами. Решения этих проблем путем модификации поверхности материалов антибактериальными агентами имеет медицинскую, социальную и экономическую значимость. Все вышеизложенное является актуальностью проекта.
Цель проекта: Разработка физико-химических условий нанесения антибактериальных покрытий методом мультислойной сборки на поверхность шовных нитей и биомедицинских материалов (защитных тканей для халатов, повязок) с целью улучшения функциональных свойств на основе биосовместимых, экологически безвредных и дешевых полисахаридов в виде нанопленок, содержащих в мультислоях биоактивные агенты или наночастицы серебра.
Задачи проекта
1. Провести научно-обоснованный подбор медицинских рассасывающихся и не рассасывающихся шовных нитей и защитных материалов медико-биологического назначения, исследовать влияние температуры, рН среды, растворителей на форму их нахождения в растворах, в условиях которых предполагается модификация их поверхностей.
2. Провести научно-обоснованный подбор биоактивных соединений (природных и синтетических биоразлагаемых полисахаридов) и методов получения наночастиц серебра, исследовать влияние температуры, рН среды и концентрации на вязкость, электрическую проводимость выбранных полиэлектролитов (полимерных матриц мультислоев) с целью обоснования активных функциональных групп выбранных биоактивных агентов для участия в образовании нанопленок.
3. Установление физико-химических условий получения нанопленок на основе выбранных полиэлектролитов (полисахаридов) методом мультислойной сборки с учетом влияния температуры, рН среды, толщины бислоев и природы растворителя. Исследование физико-химических характеристик пленок: толщину, СЭМ, ИК спектров. Установление оптимальных условий методов нанесения антибактериальных агентов и наночастиц серебра в полученные мультислои и исследование физико-химических характеристик: толщина, природа наночастиц серебра, СЭМ и ИК спектры полученных антибактериальных покрытий.
4. Проведение испытания на антибактериальную активность полученных модифицированных медико-биологических материалов. Антимикробный потенциал шовных материалов, полученные методом мультислойной сборки на основе антибактериальных агентов и наночастиц Ag, будут определены против патогенных микроорганизмов Candida albicans, Escherichia coli и Staphylococcus aureus.
Основные члены проекта
1. Оспанова Алья Капановна Руководитель проекта, ГНС; д.х.н., профессор кафедры физической химии катализа и нефтехимии, НАО КазНУ имени аль-Фараби
2. Бекисанова Жанар Болатовна Исполнитель, НС, преподаватель кафедры физической химии, катализа и нефтехимии КазНУ им.аль-Фараби, PhD студент , Ассистент руководителя проекта
Используемые методы
1 Получение антибактериальных пленок на поверхности шовных нитей и биомедецинских материалов проводиться методом Layer-by-Layer
2 Шероховатость пленок будет исследована с помощью профилометра AlphaStep D - 500, AlphaStep D - 500 и атомно-силовой микроскопией («НТ-МДТ»). Сканирование проводится в полу контактном и контактном режимах на воздухе и при комнатной температуре с частотой 0,8–1,01 Гц, с разрешением 156 × 156 и 256 × 256 точек. Используются кремниевые кантилеверы Golden NSG01. Резонансная частота кантилевера составляет 87–230 кГц, радиус закругления зонда 10 нм, жесткость 5,1 Н/м. Cтандартный размер и толщина консольного чипа - 1,6 × 3,4 × 0,3 мм.
3. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) микрофотографии СЭМ будут получены с помощью двух сканирующих электронных микроскопов (Quanta 3D 200i (FEI company) и Hitachi S-3400N (USA)). Рисунки будут сняты с различными разрешениями увеличения: 250, 500, 1000, 2 000, 5 000 и 30 000.
4 Исследование антибактериальной активности проводиться диско-диффузионным методом.
Рахматуллаева Дилафруз Талгаткызы Исполнитель, МНС, магистр химических наук КазНУ им. аль-Фараби.
Ожидаемые результаты
Основной результат исследований, полученный в результате выполнения проекта, заключается в разработке оптимальных условий получения антибактериальных покрытий для хирургических шовных нитей и защитных медицинских материалов:
1. Будет выявлено влияние температуры, рН среды и используемых растворителей на смачиваемость, гидрофобные и гидрофильные свойства поверхностей, снимки СЭМ медицинских рассасывающихся и не рассасывающихся шовных нитей и медико-биологических тканей, обоснованы природа активных центров на поверхности медико-биологических материалов, способных к восприятию модификации.
2. На основании экспериментальных данных по вязкости, электропроводности полиэлектролитов и их зависимости от температуры, рН среды, концентрации и оптимальных методов получения наночастиц серебра, будут обоснованы потенциальные функциональные группы биоактивных реагентов, способные принять участие в мультислойной сборке для поверхностной модификации биоактивными композициями.
3. Будут установлены оптимальные условия получения нанопленок методом мультслойной сборки на основе выбранных полиэлектролитов на поверхности шовных нитей и медицинских материалов: рН среды, температура, концентрация, толщина пленок, прочность и исследованы СЭМ и ИК спектры.
Будут установлены оптимальные условия поверхностной антибактериальной модификации полученных нанопленок антисептиками или наночастицами серебра методом пропитки или химического взаимодействия. Для каждого метода будут подобраны концентрация, температура, время контактирования и способ нанесения антибактериального агента в мультислои пленок.
4. В опытах in vitro с использованием патогенного клеточного материала будет установлена способность к антибактериальной активности полученных модифицированных медико-биологических образцов. На основе скрининга этой активности будет выявлена наиболее перспективная форма модификации поверхности конкретного материала, для которой будут разработаны рекомендации для дальнейших исследований.
Достигнутые результаты
Были установлены оптимальные условия получения нанопленок методом мультислойной сборки на шовные нити: рН среды, температура, концентрация, толщина пленок, прочность и исследованы СЭМ и ИК спектры.
- Были установлены оптимальные условия поверхностной антибактериальной модификации полученных нанопленок хлоргексидином, триклозаном и наночастицами серебра методом пропитки за счет химического взаимодействия.
- Были подобраны для каждого метода концентрация, температура, время контактирования и способ нанесения антибактериальных агентов в мультислои пленок: толщина, природа наночастиц серебра, СЭМ и ИК спектры полученных антибактериальных покрытий
Полученные результаты:
- На основании метода мультислойной сборки были разработаны оптимальные условия получения нанопленок на основе хитозана и карбоксиметилцеллюлозы натрия для шовных нитей: румасан, полиамид, румакрил, полипропилен и предложен механизм формирования мультислоев. Оптимальными условиями являются:
рН для хитозана составляет 3-4, рН для КМЦ-натрия 5-6; температура в области 35-37 ℃, концентрация полиэлектролитов -0,01М; толщина пленок для 10-15 слоев находится в области 200-300 нм; механическая прочность по Юнгу составляет 2,89039 MPa.
Для всех пленок индивидуальность доказана анализом снимков СЭМ и ИК спектров.
- Разработаны оптимальные условия нанесения в пленки антисептиков: хлоргексидина, триклозана и наночастиц серебра методом пропитки пленок при температуре 35-37 ℃ в течении 24-36 часов. Для всех хирургических нитей, покрытых нанопленками, содержащие антибактериальные агенты, был проведен элементный анализ, который подтвердил наличие антисептиков в структуре шовных нитей.
Механизм внедрения антисептиков связан электростатическим взаимодействием с функциональными группами полиэлектролитов в структуре пленок. Разработана общая схема получения антибактериальных покрытий для хирургических рассасывающих и не рассасывающих нитей.
- Для каждого антисептика установлена оптимальная концентрация: для хлоргексидина и триклозана используется 0,01 М раствор, а для наночастиц серебра в зависимости от восстановителя раствор AgNO3 от 0,01-0,001 М и размеры наночастиц в области 20-100 нм. Температура во всех методах 35-37 ℃, время контактирования от 24 до 36 часов. Способ нанесения агентов в мультислои метод пропитки пленок с агентами при рН 4-6. Толщина нанопленок от 10 - до 15 бислоев, (200-300нм).
Наличие в пленках антибактериальных агентов были доказаны методами СЭМ.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ
Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:
1. Toksanbay, A., Kubasheva, Z., Rakhmatullaeva, D., Savdenbekova, B., Ospanova, A., Batyrbayeva, D., Uvarov, N. Preparation the antibacterial coatings based on natural mineral materials // International Journal of Biology and Chemistry – V.14. – Is.1. – 2021. – pp. 184-192. https://doi.org/10.26577/ijbch.2021.v14.i1.021
Охранные документы
1. Патент РК на полезную модель №6760, Способ получения антибактериального покрытия на поверхности хирургических шовных нитей// Оспанова Алья Капановна; Рахматуллаева Дилафруз Талгаткызы; Кубашева Жанар Болатовна; Батырбаева Динара Жармухановна; Абдуразаков Уразбай, № 50 15.12.2021.
Статьи в международных журналах:
2. Rakhmatullayeva D.T, Ospanova A.K., Bekissanova Zh.B, Jumagaziyeva, A.B. Development and characterization of antibacterial coatings on surgical sutures based on chitosan/CMC-Na/Chlorhexidine //International Journal of Biological Macromolecules (Under review)
3. ” Balzhan Savdenbekova, Dilafruz Rakhmatullayeva, Alyiya Ospanova, Zhanar Bekissanova, Ayazhan Seidulayeva, Aruzhan Sailau, Maryam Iskakova, Conditions for obtaining thin films by multilayer assembly for medical product // Colloid and Interface Science Communications (Under review)
Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):
1. Rakhmatullayeva D.T., Ospanova A.K., Zhumagul A. Obtaining antibacterial coatings for suture surgical threads// Materials of the 7th international Russian-Kazakhstan scientific-practical conference “Chemical technologies of functional materials”, Novosibirsk, Russia, 28-30 April, 2021,─ P. 279.
2. Токсанбай А., Кубашева Ж., Оспанова А.К. Получение серебросодержащих мультислоев на основе модифицированных глинистых материалов// Материалы 7-ой международной Российско-Казахстанской научно-практической конференции “Химические технологии функциональных материалов”, Новосибирск, Россия, 28-30 апрель, 2020 г. – С. 107.
3. Baltabayeva B.K., Kubasheva Zh. Preparation of silver supporting nanocomposites for wound dressing materials// 7 International Conference “Chemical technologies of functional materials”, Novosibirsk, Russia, 28-30 April, 2021. – P.35.
4. Kubasheva Zh.B., Ospanova A.K. Synthesis and characterization of silver/diatomite nanocomposite// 7 International Conference “Chemical technologies of functional materials”, Novosibirsk, Russia, 28-30 April, 2021. – P.96.
5. Сайлау А.Г., Рахматуллаева Д.Т. Получение антибактериальны покрытий на текстильных изделиях медицинского назначения методом послойной сборки// Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Фараби Әлемі», Алматы, Казахстан, 6-8 апреля, 2021 г. – С. 51.
6. Жумадилова Я.С., Алимбек А.Е, Оспанова А.А Изучение условий получения композитного материала на основе природного каолина алексеевского месторождения // Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Фараби Әлемі», Алматы, Казахстан, 6-8 апреля, 2022 г. – С. 64.
7. Сейдулаева А.А. Рахматуллаева Д.Т. Исследование антибактериальных свойств модифицирванных хирургических нитей// Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Фараби Әлемі», Алматы, Казахстан, 6-8 апреля, 2022 г. – С. 90
8. . Жұмағұл А., Рахматуллаева Д.Т. Бактерияға қарсы хирургиялық тігңс материалдарына жабындар алу// // Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Фараби Әлемі», Алматы, Казахстан, 6-8 апреля, 2021 г. – С. 85.
9. Рахматуллаева Д.Т. Хирургические шовные нити с антибактериальными свойствами// Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Фараби Әлемі», Алматы, Казахстан, 6-8 апреля, 2021 г. – С. 172.
10. Seidulayeva A.A., Ospanova A.K., Rakhmatullayeva D.T. Study of the antibacterial properties of modified surgical sutures// Chemical technologies of functional materials, Proceedings of the VIII International Russia-Kazakhstan scientific-practical conference, Almaty, April 28-29, 2022 P.33
11. Sailau A.G., Rakhmatullayeva D.T, Ospanova A.K. Obtaining antibacterial coatings on textile products for medical purpose by the method of multilayer assembly// Chemical technologies of functional materials, Proceedings of the VIII International Russia-Kazakhstan scientific-practical conference, Almaty, April 28-29, 2022 P.68
12. Zhumadilova Y.S., Alimbek A.E., Ospanova A.A., Bekisanova Zh.B. Study of the conditions for obtaining a composite material based on the kaolin compound of the Alekseevsky deposit// Chemical technologies of functional materials, Proceedings of the VIII International Russia-Kazakhstan scientific-practical conference, Almaty, April 28-29, 2022 P.103
Потенциальным пользователям проекта:
Эффективное использование мультислойных покрытий тесно связано с простотой методов их получения на поверхности шовных нитей и биомедецинских материалов с дальнейшим нанесением на модифицированную поверхность антибактериальных агентов.
Предполагается, что данный метод для модификации поверхности шовных и защитных медицинских материалов дает возможность получить антибактериальное покрытие с селективными свойствами, которые по затратам могут быть более дешевыми, чем существующие на сегодняшний день их аналоги.
Кроме того, перспективные результаты нанесения антибактериальных агентов на шовные нити могут быть комерциализированы и использованы отечественными медицинскими сообществами.
Контактные данные.
E-mail: Ospanova_a@mail.ru; bekisanova@gmail.com
Тел.: +7 777 238 08 81; +7 707 222 67 86