Антибактериальное серебросодержащее покрытие

Реферат Прищепа Карина Александровна Антибактериальное серебросодержащее покрытие Ключевые слова: серебросодержащее покрытие, наночастицы электронно-лучевым и лазерное диспергирование исходных компонентов, биосовместимость, бактериоцидные свойства.

Цель работы: совершенствование методики вакуумного нанесения серебросодержащего антибактериального покрытия на очистной картридж водяного фильтра.

Разработана методика нанесения антибактериальных биосовместимых покрытий содержащих наночастицы серебра. Установлены высокие антибактерицидные свойства таких покрытий к резистентным микроорганизмам и водным грибкам. Определены оптимальные толщины синтезируемых покрытий по критерию биосовместимости и высоких антибактериальных свойств. Разработан технологический процесс нанесения антибактериальных покрытий на очистной картридж водяного фильтра и рассчитан экономический эффект применения данного покрытия Ил. 18. Табл. 4. Библиогр.: 74 назв.

вакуумный антибактериальный серебро грибок

Введение

В ХХI веке одной из угроз человечеству признано распространение заболеваний, имеющих пандемический характер. Традиционные возбудители таких заболеваний, мутируя на генетическом уровне, быстро приспосабливаются к традиционным лекарственным препаратам и дезинфекционным средствам и становятся резистентными к ним. В то же время современная наука и промышленность, используя традиционные методы и технологии, эффективно отреагировать на эти изменения не успевают. В ответ на эту угрозу человечеству в последние десять лет в медицине и санитарии получило развитие новое направление борьбы с инфекционными возбудителями — средства на основе биоцидных наноразмерных частиц веществ.

Ученые и медики США, Европы, России, Японии, Китая и многих других стран показали, что ряд металлов в виде наночастиц гораздо более эффективны, чем все их традиционно используемые формы (в т.ч. ионы). В отличие от существующих средств наночастицы серебра универсальны: они способны уничтожить более 600 болезнетворных вирусов, бактерий и грибов, в то время как любой из антибиотиков поражает не более 7 их разновидностей.

Дезинфекция является одним из важнейших направлений в комплексе мероприятий по борьбе с инфекционными заболеваниями и патогенной флорой. Ка уже было отмечено ранее, по мнению учёных многих стран следующим поколением явятся дезинфектанты на основе наноразмерных структур, имеющих биоцидные свойства широкого диапазона действия.

Одним из перспективных дезинфектантов являются наночастицы серебра. Они позволяют бороться не только с такими опасными болезнями, как СПИД, легионеллёз, птичий грипп и другие нетипичнные пневмонии, гепатит, туберкулез, но и менее опасными, но широко распространенными и причиняющими большое неудобство людям — сальмонеллёз, кишечные и стафилококковые инфекции (в т.ч. вызываемые кишечной палочкой) и т. д. К действию любого антибиотика микроорганизмы приспосабливаются за 7−10 лет. В то же время не обнаружено ни одного случая, когда бы микроорганизмы приспособились к действию наночастиц серебра, поскольку они атакуют микроорганизмы сразу по нескольким направлениям.

Качество воды зависит от фильтрующих элементов. Фильтр предназначен для очистки (без изменения минерального состава) воды от взвешенных частиц, в том числе от частиц гидроокиси железа, солей тяжелых металлов, марганца, мышьяка, остаточного алюминия, нитратов, нефтепродуктов, а также устранения мутности, улучшения вкусовых качеств, уменьшения вероятности проникновения болезнетворных бактерий. Основная проблема пористых фильтрующих элементов в том, что поры забиваются снижается производительность фильтров, к тому же они накапливают бактерии и водоросли, что ухудшает микробиологические показатели воды.

Целью дипломного проектирования является: совершенствование методики вакуумного нанесения серебросодержащего антибактериального покрытия на очистной картридж водяного фильтра.

Задачи:

— определить преимущества серебросодержащего антибактериального покрытия сформированного из активной газовой фазы;

— установить оптимальные толщины серебросодержащих слоев по критерию биосовместимости и высоких антибактериальных свойств

1, Использование антибактериальных серебросодержащих соединений

1.1 Серебро Серебром — это элемент побочной подгруппы первой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Дмитрия Ивановича Менделеева, с атомным номером 47. Обозначается символом Ag (лат. Silver). Один из дефицитных элементов.

Простое вещество серебро (CASномер: 7440−22−4) — ковкий, пластичный благородный металл серебристо-белого цвета. Кристаллическая решётка — гранецентрированная кубическая. Температура плавления — 963 °C, плотность — 10,5 г/см?.

Серебро является одним из тех металлов, которые привлекли внимание человека еще в древние времена. Свое название серебро ведет от санскритского слова «аргента», что значит «светлый». От слова аргента произошло и латинское «аргентум». Латинское название серебра «аргентум» как древнегреческое «аргитос», шумерское «ку-баббар» и древнеегипетское «хад», означает «БЕЛОЕ». История серебра связана с алхимией, поскольку уже в те времена был разработан метод купелирования серебра. На русском «серебро», на немецком «зильбер», английском «сильвер» — эти слова восходят к древнеиндийскому слову «сарпа», которым обозначали Луну и Серп (по аналогии с Луной) — древнейшее орудие земледельца. Светлый блеск серебра несколько напоминает свет Луны — серебро в алхимический период развития химии часто связывали с Луной и обозначали знаком Луны. В земной коре содержится около стотысячной доли процента серебра. Основная его часть сосредоточена в минералах, где этот металл находится в комплексах с серой, селеном, теллуром или галогенами. Основную часть добываемого в мире серебра получают в результате комплексной переработки полиметаллических руд, содержащих свинец, медь и цинк.

Чистое серебро — сравнительно мягкий и пластичный металл. По удельной плотности (10,5 г/см³) уступает лишь свинцу. По электропроводности же и теплопроводности серебро занимает одно из первых мест. Плавится при относительно низкой температуре (962°С), легко сплавляется со многими металлами; небольшие добавки меди к серебру делают последнее более твердым, пригодным для изготовления различных изделий.

1.2 История использования антимикробных свойств серебра Издавна человечество использует противомикробные свойства серебра при изготовлении предметов домашнего обихода. Благодаря его дезинфицирующему действию вода или молоко, хранящиеся в серебряных кувшинах, даже в жаркую погоду долго оставались свежими. Римляне хранили вино в серебряной посуде, друиды использовали серебро для хранения еды, китайские императоры ели серебряными палочками, чтобы сохранить здоровье. Первые американские поселенцы чтобы сохранить молоко в дороге бросали в него серебряные монеты. В церковных церемониях не случайно при причастии используются серебряные кубки — это предотвращает распространение инфекций среди паствы. Поныне использование серебряных столовых приборов считается не только престижным, но и гигиеничным.

Исторически серебро использовали как в металлическом, так и в ионном виде. Наиболее распространенный препарат ионного серебра — нитрат серебра (AgNO₃, ляпис). Применение ляписа в медицине (примерно с XVII века, «адский камень») основано на его антисептическом и прижигающем действии. В 1884 году акушер Карл Креде (Carl Siegmund Franz Crede) предложил использовать 1% раствор нитрата серебра для лечения случаев Ophthalmia neonatorum, вызванных Neisseria gonorrhoeae. Данный шаг позволил сократить количество случаев «слепоты новорожденных» в немецких клиниках и сопоставим по своей значимости разве что с введением в 1846 году в акушерскую практику Земмельвейсом (Ignaz Philipp Semmelweis) обязательной обработки рук [35], заложившему основы современной антисептики.

В обширном обзоре, посвященном антибактериальным свойствам серебра, автор отмечает [15], что первые серьезные научные исследования серебра как антисептика начаты Von Behring в 1887 г, когда было обнаружено, что 1:10 000 раствор нитрата серебра за 48 часов разрушает споры сибирской язвы. В 80-х годах XIX века швейцарский ботаник К. Наджели (Karl Von Nageli) обнаружил, что раствор, содержащий всего 0,01 мг/л серебра, является хорошим альгицидом и ввел термин «олигодинамическое действие» (эффективность в малых концентрациях). В 1970, при спонсировании NASA были выполнены работы, подтверждающие открытие Nageli in vitro, что олигодинамичекое серебро (Ag+) является высокоэффективным биоцидом в концентрации 50 мкг/л менее чем за 4 часа и в концентрации 250 мкг/л менее чем за 2 часа. Дополнительно было показано, что увеличение концентраций серебра до уровня 10 мг/л приводит к уменьшению времени проявления биоцидной активности до минут.

Л.А.Кульский [32], один из отечественных пионеров использования соединений серебра (в том числе для целей водоподготовки, с 1930), ещё в начале прошлого века показал, что «серебряная вода» активнее хлора, хлорной извести, гипохлорита натрия и других сильных окислителей, в 1750 раз сильнее карболовой кислоты и в 3,5 раза — сулемы (в одинаковой концентрации).

В наше время серебро используется для дезинфекции пищевого и медицинского оборудования, очистки водных лечебниц, бассейнов и различных водных систем. Во всем мире применяют серебряные фильтры для очистки питьевой воды. В Японии с помощью серебра очищается воздух.

NASA протестировало 23 различных метода очистки воды для космических кораблей многоразового использования и выбрало систему серебряной фильтрации. На Международной Космической Станции употребляется только серебряная вода.

Кроме того, превосходные антибактериальные свойства серебра веками использовались при лечении множества воспалительных заболеваний. Упоминание о его медицинском использовании можно найти в письменах древних египтян.

В народной медицине стран Востока серебро традиционно применяют уже более тысячи лет. Во время Первой Мировой войны серебро использовалось для обеззараживания ран.

С открытием антибиотиков и сульфаниламидов интерес к препаратам серебра несколько снизился. Но в последнее время противомикробные свойства серебра вновь стали привлекать к себе внимание. Это связано с ростом аллергических осложнений антибактериальной терапии, токсическим действием антибиотиков на внутренние органы и подавлением иммунитета, возникновением грибкового поражения дыхательных путей и дисбактериоза после длительной антибактериальной терапии, а также появлением устойчивых штаммов возбудителей к используемым антибиотикам.

В настоящее время серебро широко используется в мире при лечении ожогов, заболеваний лор органов (при гриппе, ОРВИ, ангине и др.), любых воспалительные заболевания полости рта (при пародонтозе, гингивитах, стоматитах), бронхолегочных заболеваний, заболеваний желудочно-кишечного тракта, для наружного применение (при гнойных ранах, ожогах, дерматозах, экземе и др.), и в том числе в педиатрии. Серебро применяется для уничтожения микроорганизмов, распространяющихся воздушно-капельным путем, используется внутримышечно и внутривенно для уничтожения устойчивых к антибиотикам бактерий, вирусов и грибков у людей и больных животных.

Широкий спектр противомикробного действия серебра, отсутствие устойчивости к нему у большинства патогенных микроорганизмов, низкая токсичность, отсутствие аллергенных свойств, а также хорошая переносимость больными — способствовали повышенному интересу к серебру.

1.3 Механизмы воздействия ионов серебра на микробную клетку Для объяснения ингибирующего действия серебра было предложено три основных механизма: вмешательство в перенос электрона, связывание ДНК, и взаимодействие с мембраной клетки. Формирование комплексов с сульфогидрильными группами может инактивировать ферменты поверхности клетки, и изменять процессы дыхания в мембране клетки. Связанные с ДНК ионы серебра блокируют транскрипцию, а связанные с компонентами поверхности клетки прерывают дыхание бактерии и синтез АТФ (аденозинтрифосфата). У Candida albicans (но не у Escherichia coli) необратимое взаимодейстие ионов серебра с цистеиновым остатком в изомеразе фосфоманнозы прерывает синтез стенок клетки, что в свою очередь ведет к потере незаменимых питательных веществ. Ионы серебра подавляют усвоение фосфатов, угнетают функции ДНК, ингибируют трансмембранный транспорт органических и неорганических веществ [19, 20]. Действие иона серебра на микробную клетку происходит в две стадии: 1) адсорбция; 2) активный транспорт иона в клетку. До 90% поглощенных ионов серебра задерживаются в мембране, метаболизм микробной клетки нарушается в результате инактивации ферментов и белков-переносчиков (пермеаз). С помощью электронной микроскопии показано, что под действием ионов серебра происходят морфологические изменения в бактериальных клетках [25]; сульфадиазин серебра также изменяет мембрану клетки бактерий Pseudomonas aeruginosa. Обработанные клетки искажены по форме и имеют на поверхности пузыри. Штамм P. aeruginosa, стойкий к AgSD, не проявляет таких изменений. После обработки P. aeruginosa нитратом серебра, ни одно из этих изменений не фиксируется. Авторы предположили, что AgSD действует в зоне внешней мембраны клетки.

В работе авторы выясняли природу связи серебро — полинуклеотиды на примере комплексов Ag (I) + (ДНК телячьего тимуса и РНК хлебопекарских дрожжей) в водных растворах с pH 7.1−6.6 при постоянной концентрации ДНК или РКН и различных концентрацях Ag (I). Спектроскопические результаты показали, что Ag (I) формирует с ДНК комплексы путем связывания катиона с гуанином (при низкой концентрации) и с аденином (при более высоких концентрациях), но не с боковыми фосфатными группами.

В работе также изучали взаимодействие сульфадиазина серебра с изолированной ДНК. Показано, что взаимодействие идет в две конкурирующие стадии: слабая связь сульфадиазин-ДНК и сильная серебро-ДНК. Полученный комплекс отличается от того, который образуется с ДНК в присутствии нитрата серебра.

На примере P. Aeruginosa и E. Coli те же авторы показали — даже не смотря на то, что добавление сульфадиазина серебра (AgSD) к чистой дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) ведет к образованию комплекса AgSD-ДНК, подобные комплексы не обнаруживаются в бактериях, обработанных AgSD. AgSD блокировал макромолекулярные синтезы в бактериях; синтез ДНК был несколько более чувствительным к этому ингибированию. Рибосомы, рибонуклеиновая кислота, и ДНК, выделенная из обработанных клеток, были абсолютно нормальны. Бактерии с дефицитом полимеразы ДНК не были более чувствительны к действию AgSD, чем их родительский штамм. Радиоактивный AgSD локализуется главным образом в цитоплазматической мембранной фракции обработанных клеток.

Ионы серебра ингибируют поглощение и обмен фосфатов в Escherichia coli и взывают потерю накопленного фосфата — так же, как маннита, сукцината, глутамина и пролина. Действие Ag+ блокируется тиолами и, в меньшей степени, бромидом. В присутствии N-этилмалеимида, Ag+ не вызывал утечку фосфата, но все еще ингибировал обмен внутриклеточным и внеклеточным фосфатом. Еще один механизм действия ионов серебра, особенно в низких концентрациях, представлен в. Авторы показали, что низкие концентрации Ag+ вызывают массовую утечку протонов через мембрану Vibrio cholerae, которая заканчивается полной «деэнергизацией» и, с высокой степенью вероятности, смертью клетки.

Авторами была исследована способность поглощать ионы Ag+, Cd+², Cu+², и La+³ из растворов на примере Bacillus cereus, B. subtilis, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa. Поглощение Ag+ из раствора бактериями происходит очень эффективно; из 1 мМ раствора было удалено примерно 89% общего количества, Ag+; для Cd+², Cu+² и La+³ эти значения были на уровне 12, 29, и 27% общего количества соответственно. Серебро, сорбировалось в виде дискретных коллоидных агломератов на поверхности клетки и иногда в цитоплазме. Микробиоцидная способность металлов менялась в том же порядке — Ag > La > Cu > Cd.

" Еще в 1919 году Заус проследил отложение серебра в теле микроорганизмов и установил, что различные бактерии фиксируют неодинаковое количество серебра в зависимости от своего размера. Так, дрожжи в разведении 1:10⁵ накапливали до 5% серебра по отношению к сухому весу, а более мелкие бактерии (например, Escherichia coli) — соответственно меньше". В работе количественные измерения разрушенных клеток дрожжей после центрифугирования показали, что у Candida utilis 90% Ag+ накапливается во фракции клеточных стен и мембран. Протопласты связывают ионы серебра также быстро, как и целые клетки, однако гибнут гораздо быстрее.

В работе изучали олигодинамическое действие металлов — алюминия, сурьмы, висмута, кадмия, кобальта, меди, золота, железа, свинца, марганца, ртути, никеля, платины, серебра, олова, титана, и цинка на Bacillus subtilis (1 штамм), Enterobacteriaceae (26 штаммов), Legionellaceae (13 штаммов), Micrococcaceae (6 штаммов), и Pseudomonas aeruginosa (4 штамма). B. subtilis и Legionellaceae показали самую высокую восприимчивость. Восприимчивость различных бактерий к олигодинамическому действию небольшого количества металлов значительно отличается; непатогенные микрококки и стафилококки были более восприимчивы, чем S.aureus. Группа грамотрицательных была самой стойкой.

Авторы одними из первых предположили, что в основе олигодинамического действия серебра лежит механизм взаимодействия c тиоловыми группами ферментов. Для выяснения механизма действия и дезактивации соединений серебра авторы исследовали способность аминокислот (например, цистеина CySH) и других соединения (например, тиогликолята натрия), содержащих тиоловые группы (-SH), нейтрализовать активность нитрата серебра против Pseudomonas aeruginosa PAOl. Аминокислоты с дисульфидными связями также снижают активность серебра, за исключением диметилового эфира L-цистина и других аминокислот без сульфогруппы. При блокировании сульфогруппы цистеина путем реакции с йодацетамидом, образующийся комплекс CyS-ацетамид не способен нейтрализовать активность Ag+. Химические исследования с использованием циклической вольтамперометрии продемонстрировали, что высокие координационные числа (3:1) получаются при использовании тиолсодержащих аминокислот и низкие (0−280−4) — с другими аминокислотами. Тропность Ag+ к тиоловым группам белков микробов также подтверждена методом аргентометрического титрования с 0,1 М раствором нитрата серебра. Как микробиологические, так и химические результаты демонстрируют, что взаимодействие Ag+ с тиоловыми группами играет существенную роль в инактивации бактерий [24, 26]. В работе уточняется причина того, что протеины также снижают антибактериальную активность серебра: «Ricketts (1970) обнаружил, что катионы серебра проявляют бактерицидные свойства в воде, но не в бульоне» — катионы серебра реагирует с сульфогидрильными группами белков. С одной стороны, этот процесс и является одним из механизмов антибактериальной активности серебра; с другой стороны, растворы «Серебряных протеинов» антибактериальны только потому, что в них еще присутствует небольшое количество серебряных ионов. Серебро химически связывает скелетные и в функциональные протеины бактерий в виде органических сульфидов, а также производит структурные изменения в бактериях и взаимодействует с нуклеиновыми кислотами. Инактивация антимикробной активности серебра тиогликолятом и тиосульфатом также отмечается в работе.

Среди металлов серебро обладает наиболее сильным бактерицидным действием. При этом взаимодействие не самого металла, а его ионов с клетками микроорганизмов вызывает их гибель.

Выявлено, что бактерицидный эффект ионизированного серебра в 1750 раз сильнее карболовой кислоты и в 3,5 раза сильнее сулемы и хлорной извести. Причем спектр противомикробного действия серебра значительно шире многих антибиотиков и сульфаниламидов. Серебро обладает более мощным антимикробным эффектом, чем пенициллин, биомицин и другие антибиотики, и оказывает губительное действие на штаммы (разновидности) бактерий, устойчивые к антибиотикам.

Серебро проявляет высокую бактерицидную активность как по отношению к аэробным и анаэробным микроорганизмам (в том числе и к разновидностям, устойчивым к антибиотикам), так и к некоторым вирусам и грибам.

Исследования показали, что чувствительность разных патогенных и непатогенных организмов к серебру неодинакова. Патогенная микрофлора намного более чувствительна к ионам серебра, чем непатогенная. Поэтому серебро действует избирательно, в большей степени уничтожая вредные микроорганизмы.

Механизм действия серебра на микробную клетку заключается в том, что ионы серебра поглощаются клеточной оболочкой микроба, в результате чего его клетка остается жизнеспособной, но при этом нарушаются некоторые ее функции, например деление (бактериостатический эффект).

Таким образом доказано, что ионы серебра оказывают различное противомикробное действие — от бактерицидного (способность убивать микробы) до бактериостатического (способность препятствовать размножению микробов).

1.4 Сульфадиазин серебра В работе авторы подробно рассматривают достоинства и недостатки основных препаратов для лечения ожоговых инфекций. Основные недостатки традиционного 0,5% раствора нитрата серебрагипотонический раствор крайне неустойчив, плохо проникает через некротическую ткань (струп) и быстро инактивируется выделениями раны, а также возникает опасность метгемоглобинемии из-за восстановления бактериями нитрата до нитрита. «Нежелательные побочные эффекты раствора нитрата серебра ограничивают его использование для лечения ожоговых инфекций большинством клиницистов в настоящее время — сообщают авторы в. -Мафенид ацетат, нитрофуразон или хлоргексидин имеют свои недостатки. Для лечения ожоговых инфекций наилучшим препаратом является сульфадиазин серебра (AgSD)» .

В настоящее время для лечения ожоговых инфекций широко применяют комплексную соль серебра с сульфамидным соединением — сульфадиазин серебра. Особое внимание к сульфадиазинусеребра при лечении ожоговых инфекций объясняется еще и тем фактом, что соединения серебра (как и ПВП-йод) проявляют высокую активность против грамотрицательных микроорганизмов. Известно, что после короткой фазы «стерильности», на ранней стадии (до 24 часов) в зоне ожога в-основном преобладают грамположительные микроорганизмы, которые в течение 3−7 дней сменяются грамотрицательными.

Действие сульфадиазина серебра было подробно изучено; «…для повышения ингибирования роста грамотрицательных бактерий у пациентов с ожогами, охватывающими более 50% поверхности тела, Мопаго ввел в сульфадиазин серебра нитрат церия. Несмотря на то, что предпринимались различные попытки создать более эффективные соединения серебра, до настоящего времени сульфадиазин серебра все еще остается наиболее широко используемым продуктом этого типа [28]» .

Минимальные ингибирующие концентрации (МИК) ионного серебра очень низки, но в присутствии различной среды типа среды культуры, сыворотки или компонентов раны, МИК и МБК намного выше [30]; они уменьшают антибактериальную эффективность серебряных ионов на фактор 10 или больше. Белки и аминокислоты, особенно те, которые содержат группуЗН, прочно реагируют с серебром (так же, как и фосфаты, хлориды, и восстановители). Антибактериальная активность сульфадиазина серебра приблизительно в пять раз ниже, чем ионного серебра. «Сульфадиазин серебра медленно диссоциирует и выделяет ионы серебра и сульфадиазин в рану. При этом большая часть серебра связывается компонентами раны, а не микроорганизмами. При использовании на ране нитрата серебра, начальная высокая концентрация серебряных ионов быстро исчерпывается без дальнейшего пополнения. МИК самого сульфадиазина настолько высока, что количество сульфадиазина, выделившегося при диссоциации сульфадиазина серебра, не достигает эффективных антибактериальных уровней [31]» .

В исследовании Рассел отмечает: «В той или иной форме серебро и его соединения долгое время используются как антибактериальные средства. Самое важное из используемых в настоящее время соединений серебра — сульфадиазин серебра, хотя металлическое серебро, ацетат серебра, нитрат серебра, и „серебряный протеин“ внесены в Дополнительный Фармакопейный Список. В последние годы соединения серебра использовались в-основном для предотвращения ожоговых инфекций, инфекций глаз и уничтожения бородавок. Сульфадиазин серебра, AgSD — по существу комбинация двух антибактериальных агентов, Ag⁺ и сульфадиазина (SD). Неоднократно обсуждался вопрос, возникает ли антибактериальный эффект AgSD как простая сумма эффектов слагающих его компонентов или через синергическое взаимодействие. AgSD имеет широкий спектр активности и, в отличие от нитрата серебра, разрушает поверхностные мембраны у восприимчивых к серебру (но не у стойких) бактерий. AgSD связывается с компонентами клетки, включая ДНК. Бактериальное ингибирование определяется главным образом взаимодействием с основными парами в спирали ДНК, что блокирует транскрипцию. Точно так же его антифаговые свойства объясняют тем, что AgSD связывает ДНК фага. Все же механизм действия серебра до конца не ясен» .

Впервые в клиническую практику сульфадиазин серебра (AgSD) ввел Фокс [32],. Последующие многочисленные исследования данного препарата подтвердили его антимикробную активность против широкого спектра патогенных организмов.

Например, в изучали роль серебра и сульфадиазина в механизме действия сульфадиазина серебра на ожоговые инфекции. Показано, что сульфадиазин в низких концентрациях сам по себе не действовал как антибактериальный агент, но проявлял определенный синергизм в комбинации с МИК сульфадиазина серебра. С учетом того, что с бактерией связывается именно серебро, а не сульфадиазин, эффективность сульфадиазина серебра видимо определяется замедленной реакций ионов серебра с сывороткой и другими жидкостями, содержащими хлорид натрия, что обеспечивает медленное, но стабильное высвобождение ионов серебра в обрабатываемую зону.

В работе показано, что 657 различных штаммов бактерий 22 различных типов были ингибированы концентрациями, которые могут быть легко получены при наружном использовании в клинике. Штаммы, стойкие к сульфадиазину или большинству антибиотиков были чувствительны к сульфадиазину серебра.

В авторы пишут: «В 100% случаев обработки язв кремом сульфадиазина серебра (15 пациентов), в течение трехнедельного испытательного периода бактериальный уровень был уменьшен до 10⁵ или меньше на грамм ткани — по сравнению с 78.6% пациентов, которых обрабатывали физиологическим раствором соли (14 пациентов) и 63.6% пациентов, которых обрабатывали раствором ПВП-йода (11 пациентов)» .

Авторы исследовали достоинства и недостатки сереброи йодсодержащих препаратов для лечения ожоговых ран. Показано, что 1%-ый сульфадиазин серебра (в виде крема, повязки и пр.) аналогичен по своему действию ПВП-йоду; незабинтованная рана образует меньше келоидных рубцов. При обработке модельных ожоговых ран у свиней сульфадиазин серебра совместно с антибактериальной активностью повышает степень эпителизации на 28%. Авторы также утверждают, что в данной модели ран ПВП-йод вообще не влияет на степень заживления.

1.5 Коллоидное Серебро Ученые обнаружили, что самые важные «жидкости» организма являются коллоидными в природе — из взвешенных мелких частиц. Кровь, например, несет питательные вещества и кислород к соматическим клеткам. Это привело к исследованиям коллоидного раствора серебра (электрические серебряные атомы). Электро-коллоидный процесс, как известно, является лучшим методом, который используется для производства коллоидного серебра. Коллоидное серебро проявляет сильный, естественный антибиотический и профилактический эффекты против инфекций. Оно действует как катализатор, т. е. присоединяясь, повреждает фермент, который одноклеточным бактериям, вирусам и грибам необходим для их кислородного метаболизма. Результат — разрушение микроорганизмов, вызывающих болезни в теле и в пище. 54, 25]

1.6 Аргария В 1977 г описан случаи аргирии,(в руководстве по токсикологии металлов отмечается, что «аргирия — бурая или черно-серая пигментация кожи, слизистых оболочек, тканей внутренних органов и глаз, обусловленная отложением в них серебра если не принимать во внимание эстетический аспект, это состояние считают безопасным для достижения аргирии при хроническом воздействии требуется полная доза около 1−8 гАд. Доза, необходимая для возникновения аргирии при приеме пищи несколько выше, около 1−30 г растворимых солей»), вызванный употреблением солей серебра или коллоидного серебра, который был принят за сердечно-сосудистое заболевание [40]; с тех пор случаи передозировки соединений серебра и возникновения аргирии фиксируют достаточно тщательно. В описан случай аргирии из-за неконтролируемого продолжительного (2,5 года) применения аппликаторов нитрата серебра на слизистой оболочке рта. Пациентка имела повышенную пигментацию кожи и, по результатам гастродуоденоскопии и лапаротомии, — брюшных внутренних органов. При этом системной токсичности серебра отмечено не было.

Статья сообщает о клинически отмеченных случаях, при которых 30 рабочих длительное время контактировали с нитратом и оксидом серебра. У шестерых из них зарегистрирована аргирия, и у 20 — аргироз (отложение серебра в глазах). Как часть экспертизы был замерен уровень содержания серебра в крови. Результаты этой экспертизы вообще подтверждают неопасный характер аргирии, хотя проблема избыточного серебра, вызывающего декремент почечной функции и «куриную слепоту», до конца не урегулирована. Большое влияние на развитие аргирииоказывают индивидуальная предрасположенность организма к серебру, качественные и количественные показатели иммунитета и другие факторы. Косвенным доказательством этого может служить тот факт, что дозы, которые приводят к аргирии, различны.

ВОЗ определила для серебра максимальную дозу, которая не вызывает обнаруживаемого вредного воздействия на здоровье человека — 10 грамм. Таким образом, по методике ВОЗ человек, «съевший и выпивший» за свою жизнь (70 лет) суммарно 10 грамм серебра, гарантированно не должен иметь из-за этого никаких проблем со здоровьем. На основе этой величины и были сделаны рекомендации по толерантному (переносимому) содержанию серебра в питьевой воде — 100 мкг/л. Такая концентрация за 70 лет жизни даст половину уровня NOAEL, что заведомо безопасно для здоровья. По данным отечественных «Санитарных Норм и Правил» ПДК серебра в питьевой воде — 50 мкг/л. Согласно рекомендации управления по охране окружающей среды (ЕРА), содержание серебра в дезинфицирующих препаратах для использования в больницах, других медицинских учреждениях, в быту и промышленности не должно превышать 32 мг/л. Американская конференция правительственных индустриальных гигиенистов установила различные допустимые пороговые пределы в воздухе для металлического серебра (0.1 мг/м ³) и для растворимых соединений серебра (0.01 мг/м³). Несмотря на то, что металлическое серебро по-видимому наименее токсично, допустимый предел экспозиции (РЕ1_) рекомендованный американским национальным институтом проф-безопасности и здоровья (National Institute for Occupational Safetyand Health) — 0.01 мг/м³ для всех форм серебра. По отечественным нормам ГН 2.1.6.1339−03, ОБУВ серебра также 0.01 мг/м³.

1.7 Сравнительная характеристика галогенидов серебра, металлического серебра и водорастворимыми солями серебра Вообще, применение галогенидов серебра в качестве антисептических препаратов имеет ряд существенных преимуществ перед металлическим серебром и водорастворимыми солями серебра. Во-первых, само по себе металлическое серебро не обладает антимикробными свойствами, активность подобных коллоидных систем определяется наличием неопределенного количества ионов — т. е. окислением поверхности золя; данный процесс зависит от внешних факторов и трудно поддается контролированию. Во-вторых, все коммерческие и клинические препараты «электрохимического» серебра изготавливаются в присутствии электролита, в качестве которого используют в-основном избыток поваренной соли NaCl; совершенно очевидно, что полученный препарат представляет собой раствор хлорида серебра и/или комплексного соединения Nа_пАgСl_(п+1) переменного состава и концентрации. Наконец, водорастворимые соли имеют тенденцию восстанавливаться до металлического серебра (окрашивать поверхность), достаточно токсичны и вызывают аргирию.

1.8 Отличия антибактериального серебра от серебра применяемого в повседневной жизни Чтобы понять, чем антибактериальное серебро отличается от серебра, привычного в быту, надо сделать несколько замечаний. «Нанос» в переводе с греческого — «карлик». Эта приставка используется для обозначения миллиардной доли чего-либо, в данном случае — метра. Курсы физики и химии дают довольно полное представление о веществе в форме изолированных атомов и молекул, а также в конденсированном (сплошном) состоянии — в форме жидкостей и кристаллов. Для последнего состояния характерно отсутствие зависимости физико-химических свойств и характеристик вещества от геометрических размеров образца, числа атомов или молекул в нем. Каждый на практике может наблюдать это на примере воды. Температура кипения воды в кофейной чашке составляет 100 °C, при этой же температуре будет кипеть вода и в большом котле емкостью несколько кубометров. Это потому, что размеры образца в такое огромное число раз превосходят межатомные расстояния, что любая зависимость этих свойств и характеристик от мелких, локальных подробностей взаимного расположения атомов и их полного числа в практическом плане совершенно пропадает.

Человечество с древних времен пыталось решить эту проблему на примере дробления кристаллов. Всем известный кристалл поваренной соли имеет форму куба. До какого предела можно его дробить, чтобы кристалл сохранил исходную форму? Существует ли кристалл минимального критического размера, свойства которого не отличаются от свойств массивного кристалла? Наука дала положительный ответ на этот вопрос. Дальнейшее уменьшение геометрических размеров в большинстве случаев приводит к скачкообразному изменению какого-либо его физического или химического свойства. Такие кристаллы, имеющие размеры, близкие к критическому, выделили в особую группу материалов — нанокристаллы. Они, в свою очередь, по своим свойствам отличаются и от изолированных атомов или молекул, их составляющих. Что же это за масштабы? Разумеется, не существует четко определенного граничного размера, о котором можно сказать: больше — это конденсированная фаза, а меньше — наночастица. Но некоторый типичный масштаб все же есть. Он условно равен 100 нм. Начиная с этого размера, агломерат атомов или молекул уже ведет себя как наночастица. Наиболее ярко размерные эффекты проявляются на дискретных наночастицах, не образующих компактных наноматериалов, а также в нанослойных структурах. Было обнаружено, что серебро в наноразмерном состоянии радикально отличается по своим бактерицидным свойствам от окружающих нас в быту серебряных изделий и предметов.

1.9 Особенности наночастиц серебра и методов формирования их На сегодняшний день антибактериальное серебросодержащие покрытие — это наиболее коммерциализированный за рубежом нанопродукт. В основе новых технологий — использование мощных противомикробных свойств наночастиц серебра. Поскольку наночастица в среднем в 2 тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса, она легко взаимодействует с вызывающими болезни микроорганизмами, мешая им расти-размножаться или вовсе убивая их. Бактерицидные добавки на основе наночастиц серебра являются одним из последних достижений мировой науки в области нанобиотехнологий.

Наночастицы серебра синтезировались с помощью конденсации инертным газом и cocondensation методы. Оба метода основаны на испарении металла в атмосфере инертного газа с последующим охлаждением для образования ядра и роста наночастицы. Размер и морфология наночастиц были проанализированы с помощью микроскопа электронной передачи. Стабильность наночастиц была исследована, действием окружающими условиями в течение одного месяца.

Антибактериальная эффективность наночастиц была исследована, вводя частицы в раствор, содержащий бактерии. Наночастицы серебра, как показали исследования, проявляют антибактериальные эффекты в низких концентрациях. Антибактериальные свойства обусловлены суммарной площадью поверхности наночастицы. Меньшие частицы с большим отношением площади поверхности к объему обладают более эффективной способностью антибактериального действия. Наночастицы были полностью токсичными для E. Coli даже в таких низких концентрациях как 8 мг Ag/cm2т.

Наночастицы благородных металлов имеют большие перспективы применения не только в различных каталитических системах, но и в оптических сенсорных устройствах, основанных на поверхностном плазмонном резонансе (ППР). Это относится, главным образом, к биосенсорам, для которых необходима большая химическая инертность наночастиц по отношению к биологическим объектам. Из известных методов формирования наночастиц благородных металлов на подложках наиболее предпочтительными являются вакуумные методы получения. Однако к недостаткам этого метода следует отнести плохую адгезию благородных металлов к большинству диэлектрических материалов. Для повышения адгезии в этом случае, как правило, используют тонкий адгезионный подслой, который может влиять на характеристики ППР. Известно также [11], что облучение тонкопленочного металлического покрытия на диэлектрической подложке импульсным ионным пучком наносекундной длительности приводит к образованию на поверхности подложки частиц металла различного размера и формы.

1.10 Опасность наночастиц

Nanopollution — общее название для всех продуктов распада, производимых наноприборами или наноматерилами в течение производственного процесса. Эти продукты распада могут быть очень опасным из-за размеров. Они могут находиться в воздухе, легко проникать в животные клетки, что может вызвать неожиданный эффект. Большинство синтезированных человеком наночастиц не появляется в природе, и живущие организмы могут не иметь представления о наноотходах. Чем меньше частица, тем больше отношение ее площади поверхности к объему и выше ее химическая реактивность и биологическая деятельность. Большая химическая активность наночастиц наблюдалась при увеличенном производстве реактивных кислородных форм, включая свободные радикалы. Реактивные кислородные формы были обнаружены в разных формах наноматериалов, включая углеродные фуллерены, углеродные нанотрубки и наночастицы окисленных металлов. Реактивные кислородные формы и свободно-радикальная продукция — одни из основных предпосылок токсичности наночастиц; это может привести к повышенному окислению, последовательному повреждению белков, мембран и ДНК. Наночастицы оказались ядовитыми для человеческой ткани и клеточной культуре, приводя к увеличенному окислению, спонтанному выброса цитокина и смерти клетки. В отличие от больших частиц, наночастицы могут влиять на митохондрии и ядро клетки. Размер — ключевой фактор, определяющий токсичность наночастицы. Другие свойства наноматериалов, которые влияют на токсичность — химический состав, форма, поверхностная структура, способность к растворению, агрегации.

Существенные проблемы с окружающей средой, здоровьем могли бы возникнуть с развитием нанотехнологий под действием небольшого количества влияния наночастиц. Однако сама природа создает все виды нанообъектов, поэтому вероятной опасности наночастицы не представляют, но раннее нетоксичные материалы, в качестве наночастицы, могут стать опасными при попадании в организм. Социальные риски, связанные с развитием нанотехнологий включают возможность использования их в военных целях. Расширенные возможности наблюдения через нанодатчики также вызывает беспокойство у защитников прав частной жизни. В обсуждении проблемы отношения к нанотехнологии имеет место — используется для того, чтобы показать этические, юридические, и социальные значения нанотехнологий.

1.11 Снижения токсичности антибактериальных серебросодержащих покрытий Серебро (особенно в ионной водорастворимой форме) токсично для водных организмов (аквакультур) [21, 22]. В то же время «токсичность серебра по отношению к млекопитающим сравнительно низка. У человека в течение 24 часов может наблюдаться концентрация Ag в сыворотке крови до 600 мкг/л и в моче 1100 мкг/л без клинических последствий… Наиболее важным является тот факт, что нет сообщений ни о какой мутагенной или канцерогенной активности соединений серебра» .

Токсичность антибактериальных наночастиц серебра может быть снижена.

Химики Университета Хельсинки (University of Helsinki) создали новые наночастицы серебра, стабилизированные полимером. Результат их работы очень важен, так как благодаря своим антибактериальным свойствам наночастицы этого металла используются в текстиле, напольных покрытиях, красках, несмотря на то, что последствия их воздействия на здоровье не полностью изучены. Финские исследователи считают, что их отрицательное влияние может быть снижено благодаря химической связи наночастиц с полимером.

Наночастицы — тема для обсуждений, как в научных кругах, так и в среде обывателей. Антибактериальные свойства серебра, с другой стороны, были известно уже давно и используются во многих областях. Супермаркеты продают множество продуктов с добавлением серебра или его наночастиц. Широко доступны коллоидные растворы серебра для внутреннего применения, а также средства гигиены и даже перевязочный материал, содержащие серебро.

Ученые обнаружили, что самые важные «жидкости» организма являются коллоидными в природе — из взвешенных мелких частиц. Кровь, например, несет питательные вещества и кислород к соматическим клеткам. Это привело к исследованиям коллоидного раствора серебра (электрические серебряные атомы). Электро-коллоидный процесс, как известно, является лучшим методом, который используется для производства коллоидного серебра. Коллоидное серебро проявляет сильный, естественный антибиотический и профилактический эффекты против инфекций. Оно действует как катализатор, т. е. присоединяясь, повреждает фермент, который одноклеточным бактериям, вирусам и грибам необходим для их кислородного метаболизма. Результат — разрушение микроорганизмов, вызывающих болезни в теле и в пище [54, 25].

В Университете Хельсинки разрабатывается метод, который может стать решением проблемы снижения токсичности серебра. Наночастицы производятся различными методами, основанными на разложении солей металла, в данном случае нитрата серебра, в присутствии стабилизирующего компонента. Стабилизированные полимером наночастицы успешно получены в Лаборатории полимерной химии (Laboratory of Polymer Chemistry) Университета Хельсинки. В работе оказались бесценными опыт ученых лаборатории, полученный при разработке наночастиц золота, и квалификация исследователей из Школы Науки и Технологии Университета Аалто (School of Science and Technology of the Aalto University) и их европейских партнеров.

При создании наночастиц хельсинкские ученые стабилизирующим компонентом сделали полимер, содержащий тиольную группу. Известно, что тиольные группы эффективно взаимодействуют с серебром, что приводит к стабилизации коллоида серебряных наночастиц и связыванию их с полимером. Сам полимер — это мягкий, резиноподобный акрилат, содержащий растворимый в воде блок, позволяющий ионам серебра высвобождаться из гидрофобного покрытия. Идея состоит в том, чтобы покрытия или их компоненты создавать именно из таких наночастиц.

На сегодня выдвинуты различные гипотезы механизмов токсичности серебра для микроорганизмов. Продемонстрировано, что ионы серебра реагируют с тиольными группами внутриклеточных белков. Есть подтверждения тому, что ионы серебра повреждают ДНК, ингибируя ее репликацию. Свойство серебра образовывать крайне малорастворимые соли также рассматривается как один из механизмов воздействия на клетку. Образование внутриклеточными ионами хлора нерастворимой соли — хлорида серебра — в цитоплазме клеток подавляет процессы клеточного дыхания. Хорошо известна антибактериальная активность и наночастиц серебра, особенно по отношению к грамотрицательным бактериям. Их эффективность определяется образованием ионов серебра и их проникновением в клетку микроорганизма.

В целом серебро, его ионы и наночастицы считались вполне безвредными для людей. Однако последнее исследование показало, что наночастицы проникают и в клетки млекопитающих и повреждают геном. Есть даже основания полагать, что они могут активно проникать в клетки с помощью эндоцитоза. Внутри клетки наночастицы окисляются перекисью водорода, образующейся там в процессе клеточного дыхания, что приводит к образованию ионов серебра, увеличивая их токсичность. Таким образом, вполне обоснованным является вывод о том, что наночастицы оказывают цитотоксичный и генотоксичный эффекты. Более того, доказано, что они могут проникать в кожу через кожные поры и железы. Повреждения кожи облегчают их проникновение. Очень важно, поэтому, чтобы покрытия, содержащие наночастицы, не выделяли их. По мнению финских ученых, эффект покрытия должен основываться на выделении ионов серебра. Следовательно, наночастицы должны быть связаны с покрытием настолько прочно, насколько это возможно, что сможет уменьшить возможные отрицательные последствия их применения. В большинстве своем авторы сходятся во мнении, что, в отличие от солей других тяжелых металлов, серебро не является опасным при наружном и медицинском внутреннем применении. Многие ученые предупреждают о риске неумеренного использования различных продуктов, продвигаемых на рынок в виде биологически-активных добавок: «серебряных протеинов», коллоидных растворов и других коммерческих (немедицинских) препаратов серебра.

1.12 Способы нанесения серебросодержащих покрытий На сегодняшний день известно много технологических приемов (нанометодов) получения наносеребра. Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности синтеза наночастиц определяют технологические пути его осуществления.

Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.

Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это в первую очередь различные варианты механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы, вакуумные методы и др.

Такое разделение методов является относительно условным. Но отражает еще одну их особенность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов и агрегации, или подход «снизу», и различные варианты диспергирования, или подход «сверху». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера частицы не ведет к качественным изменениям химических свойств.

Т.О. методы получения наночастиц серебра разделяют на химические, физические, механические и биологические.

Классификация методов получения наночастиц серебра, представлена в таблице 1.

Химические методы синтеза включают различные реакции и процессы, в том числе процессы осаждения, термического разложения или пиролиза, газофазных химических реакций, восстановления, гидролиза, электроосаждения, а также гальванический метод. Регулирования скоростей образования и роста зародышей новой фазы осуществляется за счет изменения соотношения количества реагентов, степени пересыщения, а также температуры процесса. Как правило, химические методы многостадийные и включают нейкий набор из вышепоименованных процессов и реакций.

Физические методы получения наночастиц серебра.

Способы испарения (конденсации), или газофазный синтез получения нанопорошков металлов, основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Фазовые переходы пар — жидкость — твердое тело или пар — твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок.

Механические методы.

Способы измельчения материалов механическим путем в мельницах различного типа — шаровых, планетарных, центробежных, вибрационных, гироскопических устройствах, аттриторах и симолойерах. Аттриторы и симолойеры — это высокоэнергетические из-мельчительные аппараты с неподвижным корпусом-барабаном с мешалками, передающими движение шарам в барабане. Аттриторы имеют вертикальное расположение барабана, симолойеры — горизонтальное. Измельчение размалываемого материапа размалывающими шарами в отличие от других типов измельчающих устройств происходит главным образом не за счет удара, а по механизму истирания. Емкость барабанов в установках этих двух типов достигает 400…600 л.

Биологическиеметоды получения наночастиц серебра.

Наноматериалы могут производиться и в биологических системах. Во многих случаях живые организмы, например, некоторые бактерии и простейшие организмы, производят минеральные вещества с частицами и микроскопическими структурами в нанометровом диапазоне размеров.

В процессах биоминерализации действуют механизмы тонкого биохимического контроля, в результате чего производятся материалы с четко определенными характеристиками.

Живые организмы могут быть использованы как прямой источник ультрадисперсных материалов, свойства которых могут быть изменены путем варьирования биологических условий синтеза или переработки.

Ультрадисперсные материалы, полученные биохимическими методами синтеза, могут быть исходными материалами для некоторых уже опробованных и известных методов синтеза и обработки наноматериалов, а также в ряде технологических процессов. Пока работ в этом направлении исследований немного, но уже можно указать ряд примеров получения и использования биологических наноматериалов. Наиболее популярные методы синтеза наночастиц серебра связаны с применением электрохимических, гальванических и вакуумных технологий. Электрохимические методы синтеза наносеребра в жидких средах используются уже в течение 76 лет. Как это ни парадоксально сегодня звучит, самая первая в мире промышленная технология синтеза наносеребра в жидких средах создана в Украине. В 1930 году выдающийся украинский ученый, академик АН УССР, профессор Леонид АдольфовичКульский впервые разработал метод обеззараживания питьевой воды электролитическими растворами серебра. Хотя серебряная вода была известна в глубокой древности, начало систематическому применению серебра для обеззараживания и дезинфекции воды положил именно профессор Л. А. Кульский. Зарубежные коллеги пришли к его результатам через несколько лет. Его работы в этой области широко признаны и общеизвестны. Книга Л. А. Кульского «Серебряная вода» с 1946 года переиздавалась более 10 раз. Вместе с тем надо отметить, что в период работы над техникой очистки питьевой воды от вредных веществ, и особенно от болезнетворных микроорганизмов, идеи нанотехнологий и наноматериалов еще не были сформулированы. Поэтому интерпретация результатов исследований велась в рамках существовавших тогда представлений об образовании ионных растворов серебра в воде. Предполагалось, что имеет место угнетающее влияние ионов серебра непосредственно на бактерии. По-видимому, в действительности Л. А. Кульский и его последователи имели дело со слабыми коллоидными растворами серебра в воде. Роль коллоидных частиц выполняли наночастицы (кластеры) серебра числом от нескольких атомов до нескольких сот или агломераты кластеров. Именно такие наночастицы серебра, как показывают исследования последних двух лет, проведенные в техасском и мексиканском университетах, обладают самой мощной бактерицидной активностью. Поэтому роль наночастицв серебряной воде оказывалась недооцененной до самого последнего времени. Можно отметить что кластеры серебра с числом атомов 13 кардинально меняют магнитные свойства. То есть мир наночастиц серебра только начинает приоткрывать свои тайны. Пока же можно констатировать, что они являются эффективным антибактериальным средством для обеззараживания широкого спектра различных жидких сред.