Разработка условий получения многоцелевого антибактериального композитного материала на основе казахстанского каолина

Проект Министерства образования и науки Республики Казахстан
ИРН: AP09561734

Актуальность проекта  В практической медицине в качестве носителей для лекарственных средств перспективными материалами могут быть глинистые минералы, которые обладают нужными структурными свойствами: высокая пористость поверхности, биосовместимость, биоразлагаемость, отличная впитывающая способность и высокая термостойкость. Казахстанский каолин обладает всеми этими свойствами, и поэтому может быть перспективным претендентом на аналогичные исследования. Нанесение наночастиц серебра в структуру модифицированного каолина позволит получить новый антибактериальный многоцелевой композитный материал с выраженными пролонгированными свойствами. Поверхность может служить матрицей для равномерного распределения наночастиц серебра не только на поверхности носителя, но и глубоко во внутренней структуре, что и позволит проявить длительное по времени лечебное действие. 

Цель проекта: Установление оптимальных условий получения антибактериального композитного материала на основе казахстанского каолина Алексеевского месторождения, Кокшетауской области. Антибактериальные свойства будут обусловлены нанесением наночастиц серебра в структуру каолина.

Задачи проекта

1. Установление оптимальных поверхностных характеристик каолина, необходимых для внедрения наночастиц серебра: методом Штобера кислотной и щелочной модификации  с целью увеличения удельной поверхности.

2. Установление условий и методов получения наночастиц серебра: начальная концентрация ионов серебра в растворах, температура, pH, соотношение Ж:Т и время контакта. Выбор метода между механохимической активацией либо метод ионного обмена и дальнейшего химического восстановления ионов серебра.

3. Исследование полученных композитных материалов на содержание наночастиц серебра физико-химическими методами. Будет изучена форма, размер, а также  распределение наночастиц на поверхности и в структуре модифицированного каолина.

4. Изучение антибактериальной активности полученных серебросодержащих нанокомпозитов на основе каолина против грамположительных и грамотрицательных бактерий.

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 докторант , Ассистент руководителя проекта

3. Рахматуллаева Дилафруз Талгаткызы        Исполнитель, МНС, магистр химических наук КазНУ им. аль-Фараби.

Используемые методы

1. Минеральный состав природного каолинита и образование наночастиц Ag в каолините характеризовались методом рентгеновской порошковой дифракции (XRD) с использованием дифрактометра Philips X 'Pert Pro (XRD, Malvern Pananalitical Ltd, Malvern, Великобритания) с Cu- Kα-излучение (γ = 0,1541 нм, 40 кВ, 30 мА). Данные рентгенограммы собирали в угловом диапазоне 5-100 ° 2λ с размерами ступеней 0,01.

2. Морфологию и элементный состав природного каолинита, размеры и распределение наночастиц в приготовленных нанокомпозитах серебро/каолинит определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии. (SEM, LEO 1430 VP, Electron Microscopy Ltd, Кембридж, Великобритания) в сочетании с энергодисперсионным рентгеновским излучением (EDX) детектора (XFlash 4010, Bruker AXS, Бремена, Германия).

3. Просвечивающая электронная микроскопия (TEM, FEI Tecnai F20 X-Twintool, FEI Europe, Франкфурт/Майн, Германия).

4. Спектрометр FTIR (FTIR ATR, Vertex 70, Bruker Optics, Бремена, Германия), оснащенный детектором DLatTGS, позволял идентифицировать функциональные группы образцов каолинита. Спектры FTIR регистрировали путем усреднения 64 сканов в диапазоне волновых чисел от 400 см-1 до 4000 см-1 с разрешением 4 см-1.

5. Термогравиметрический анализ проводили на TGA-DSC (Thermal Analysis Instruments SDT 2960, TA Instruments, Warszawa, Poland) в диапазоне температур 20-1100 ° C.. Анализ проводили при линейной скорости нагрева 10 ° С/мин в потоке газообразного азота.

6. Стабильность дисперсии природных каолинитовых и каолинитовых композитов, содержащих 0,6, 2,05, 7,0% AgNP, представленных значениями дзета-потенциала, определяли с использованием прибора Zetasizer Nano Series (Malvern Instruments, UK).

7. Свойства фотолюминесценции (PL) исследовали с использованием микропланшетов (Thermoscientific Varioscan LUX, USA), оснащенного ксеноновой лампой. Спектры PL измеряли на длинах волн возбуждения в диапазоне УФ-VIS от 270 до 700 нм.

8. Исследование антибактериальной активности природного и нанокомпозита на основе каолинита и наночастиц серебра проводили методом минимальной ингибирующей концентрации.

Ожидаемые результаты

Основной результат исследований, полученных в результате выполнения проекта, заключается в разработке оптимальных условий получения антибактериального, содержащего наночастицы серебра, композитного материала на основе казахстанского каолина:

1. В результате подбора определенных условий кислотной и щелочной модификации образцов каолина, а также методом Штобера будет значительна увеличена пористость каолина в результате увеличения удельной поверхности и изменения размера и объема пор. Результаты будут подтверждены инструментальными методами анализа СЭМ и ИК-спектроскопией и рентгеноструктурным анализом. По материалам исследования будет подготовлена статья в КОКСОН

2. В результате подбора метода и условий: начальной концентрации ионов серебра в растворах, температуры, pH, соотношение Ж:Т будут установлены условия осаждения наночатиц серебра на поверхности каолина. Будут использованы различные по своей химической природе восстановители с целью получения нужных размеров наночастиц серебра и исследованы их физико-химические характеристики: форма и распределение наночастиц по размерам на поверхности глинистого минерала. Результаты будут подтверждены снимками СЭМ.

3. Все серебросодержащие нанокомпозиты на основе каолина будут изучены методами СЭМ-ЭДС, ИК-спектроскопией и рентгеноструктурным анализом и доказано наличие наночастиц серебра в составе модифицированного каолина.

4. В опытах in vitro с использованием патогенного клеточного материала будут протестированы способность к антибактериальной активности полученных модифицированных медико-биологических образцов. На основе скрининга этой активности будет выявлена наиболее перспективная форма модификации поверхности каолина, для которой будут разработаны рекомендации для дальнейших медико-биологических исследований. 

Достигнутые результаты

- В результате подбора определенных условий кислотной и щелочной модификации образцов каолина, а также методом Штобера увеличена удельная поверхность каолина. Кислотная модификация каолина с последующей модификацией по методу Штобера позволила увеличить удeльную пoвeрхнocть каолина от 13,453 до 616,831 м²/г. В результате модификации природных минералов улучшены их поверхностно - структурные характеристики, повысилась пористось и их можно  использовать в качестве носителя для нанокомпозитов с антибактериальными свойствами.

- В качестве восстановителя были выбраны перекись водорода и аскорбиновая кислота для синтеза наночастиц серебра на поверхности каолина.  Были получены наночастицы серебра сферической формы размером от 50 до 80 нм, также присутствуют наночастицы размером от 30-40 нм и от 100 нм в синтезированном нанокомпозите. Можно наблюдать, что сферические формы наночастиц однородно диспергированы на поверхности каолина.

- Путем подбора оптимальных условий: начальной концентрации ионов серебра в растворах, температуры, pH, соотношение Ж:Т были установлены оптимальные условия осаждения наночатиц серебра на поверхности модифицированного каолина.

- Полученные серебросодержащие нанокомпозиты на основе каолина были изучены методом СЭМ-ЭДС. В нанокомпозитах, синтезированных с использованием различных исходных концентраций раствора нитрата серебра 1, 5 и 10 % (100 мг/л, 500 мг/л и 1000 мг/л), содержание серебра составляет 0,60, 2,05 и 7,00% соответственно;

- Результаты рентгено-структурного анализа доказывают наличие наночастиц металлического серебра в полученном нанокомпозите. Этому  свидетельствует появление пяти пиков со значениями 2θ: 38,227 °, 44,314 °, 64,203 °, 77,469 °, соответствующих отражениям кристаллографических плоскостей (111), (200), (220), (311); Методом ИК-спектроскопии были идентифицированы функциональные группы природного и модифицированного каолина;

- В опытах in vitro с использованием патогенного клеточного материала была установлена способность к антибактериальной активности полученных модифицированных композитных материалов на основе каолина и нано частиц серебра.

- Полученные серебросодержащие композитные материалы на основе каолина были исследованы на антибактериальную активность против грамположительных и грамотрицательных бактерий:

Все нанокомпозиты на основе каолина проявляют активность 90-99,9% в отношении граммотрицательных Escherichia coli АТСС 25922. В отношении  граммположительных бактерий Staphylococcus aureus  АТСС 6538 при модификации каолина серной кислотой и использование в качестве восстановителя аскорбиновой кислоты дает результаты 99,9%. А при модификации фосфорной кислотой антибактериальная активность против S.Aureus составляет 85-88 %.  При использоании в качестве восстановителя перекись водорода  в отношении граммположительных бактерий эффективность составляет 88-94 % и 88-92 %.

На основе скрининга выше приведенной активности выявлена наиболее перспективная форма модификации каолина наночастицами серебра, для которой разработаны рекомендации для дальнейших исследований пролонгированных свойств.

Совокупность физико-химических методов исследования каолина в сочетания с нано частицами серебра и полученных экспериментальных результатов однозначно подтверждают то, что в результате выполнения задач проекта разработаны условия получения многоцелевого антибактериального композитного материала на основе казахстанского каолина. 

ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ

Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:

1.       А.К. Оспанова*, Ж.Б. Бекисанова, Б. Балтабаева, Д.Т. Рахматуллаева Получение высокопористого каолина путем термической и кислотной активации// Горение и плазмохимия 19 (2021) – С. 201-209.

Охранные документы

1.         Патент РК на полезную модель №5837, Способ получения высокопористого носителя на основе каолина// Оспанова Алья Капановна Оспанова; Кубашева Жанар Болатовна; Савденбекова Балжан Есимханкызы; Балтабаева Балнұр Қызырбекқызы, № 22 04.06.2021.

Статьи в международных журналах:

1.                       Zhanar Bekissanova, Viorica Railean-Plugaru, Weronika Brzozowska, Izabela Wojtczak, Aliya Ospanova, Bogusław Buszewski and Myroslav Sprynskyy, Synthesis, characterization of silver/kaolinite nanocomposite and studying its antibacterial activity // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (Under review).

Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):

1. Baltabayeva, B., Ospanova, A., & Kubasheva, Z. (2021). Preparation of nanocomposite silver/kaolin with antibacterial properties // MATEC Web of Conferences. – V.340.. – 2021. – P.01030. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134001030

Потенциальным пользователям проекта:

Эффективное использование полученных антибактериальных нанокомпозитов заключается в развитии научных исследований для создания защитных средств на основе антибактериального композитного материала против различных типов вирусов, в антимикробной очистке сточных вод, в качестве фильтров либо применение в упаковочных материалов в роли антибактериального агента.

Контактные данные.

E-mail: Ospanova_a@mail.ru; bekisanova@gmail.com

Тел.: +7 777 238 08 81; +7 707 222 67 86