Модификация полимерных материалов бикомпонентными наночастицами металлов

Полимерные материалы, волокно- и пленкообразующие, служат носителями и питательной средой для роста и развития микроорганизмов. Для придания им бактерицидных свойств в основном применяют обработку антимикробными препаратами, действие которых распространяется в отношении 5–10 видов штаммов, но микроорганизмы со временем развивают механизмы резистентности. С целью предотвращения распространения бактерий и снижения числа заболеваний, вызываемых их проникновением в организм человека, все большее внимание привлекают новые антибактериальные материалы. Наночастицы металлов и их оксидов (серебро, медь и др.) обладают более широкими антимикробными свойствами и применяются в основном в виде готовых дисперсий для обработки полимерных материалов, однако это не дает прочного закрепления и устойчивости к физико-химическим воздействиям. Кроме того, коммерческое распространение препаратов, содержащих наночастицы серебра, привело к возникновению резистентных к серебру штаммов микроорганизмов – например, микобактерии Agr-1, что описано в работах Цз. Сюна. Биметаллические наночастицы, например, медь-серебро, и ионы, выделяющиеся с их поверхности, способны проникать в клеточную мембрану резистентных к серебру штаммов и уничтожать их изнутри, причем, развитие у бактерии механизма резистентности сразу к двум металлам маловероятно. В связи с этим модификация полимерных материалов путем синтеза непосредственно на их поверхности и в структуре бикомпонентных наночастиц металлов для придания антимикробной активности является актуальной. Целью диссертационной работы является разработка экологически адаптированного способа модификации полимерных материалов натурального и химического происхождения бикомпонентными наночастицами металлов для придания им антибактериальных, противогрибковых, противовирусных свойств и устойчивости к микробиологическому разрушению при высокой сохранности указанных свойств в процессе эксплуатации. Разработан способ синтеза биметаллических наночастиц Cu-Ag в модельных растворах на основании разности окислительных потенциалов (Е0) пар Ag+/Ag0 (+0,7994 В) и Cu2+/Cu0 (+0,3450 В) и восстановительного характера используемых полимерных стабилизаторов и определены кинетические закономерности процесса синтеза. Установлено, что коллоидные растворы с наночастицами металлов на основе поливинилового спирта и сшитых полисахаридов-альгинатов (манутекса RS) в концентрации 0,1 % сохраняют агрегативную устойчивость в течение 24 мес. Полученные наночастицы имеют сферическую форму и размеры преимущественно 1,6–2,3 нм. Разработан экологически адаптированный способ модификации волокно- и пленкообразующих полимерных материалов натурального и химического происхождения путем синтеза на их поверхности и в структуре бикомпонентных наночастиц Cu-Ag и Fe-Ag с использованием восстановительного характера функциональных групп полимерного субстрата. Размеры полученных наночастиц в среднем составляют 40–100 нм. Установлены особенности структуры бикомпонентных наночастиц Cu-Ag: оболочка состоит из нульвалентного серебра и ядро – из меди, что подтверждено спектрами поглощения, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией и рентгенодифракционным анализом. Предполагается, что образующиеся наночастицы Fe-Ag являются как монокомпонентными (Fe и Ag), так и бикомпонентными Fe-Ag, имеющими оболочку как из нульвалентного серебра, так и из нульвалентного железа. Предложен механизм образования и фиксации бикомпонентных наночастиц медь-серебро в структуре и на поверхности полимерных материалов. Доказано образование химических связей, в т. ч. координационных, в дополнение к физическим, при взаимодействии катионов металлов с функциональными группами субстрата (–СООН, –ОН, –NH2, –CO–NH–, –S–S–), выступающими в качестве восстановителя для металлических наночастиц. Это подтверждено ИК-Фурье, КР-спектральными методами и испытаниями на устойчивость модификации к мокрым обработкам. Доказана устойчивость к микробиологическому разрушению и воздействию плесневых грибов P. Chrysogenum. Показано, что модифицированные материалы обладают высоким бактерицидным действием в отношении штаммов S. aureus и E. coli, а также штаммов, вызывающих нозокомиальные инфекции (E. coli, S. aureus, A. baumannii, P. aeruginosa, K. pneumoniae, E. Faecalis). Установлена вирулицидная активность модифицированных полимерных материалов против гриппа A/Puerto Rico/8/34 (H1N1) и Коксаки Coxsackievirus B3. Выявлен синергетический эффект антибактериального и противогрибкового действия бикомпонентных наночастиц Cu-Ag. Установлено отсутствие цитотоксического действия модифицированных образцов на клетки фибробластов мыши и человека. Предложено оборудование для модификации полимерных материалов биметаллическими наночастицами медь-серебро, а также способ регенерации рабочих растворов. Проведена апробация разработанного способа модификации полимерных субстратов совместно с ООО «Проммонтажсервис НТ» с получением образцов полимерных материалов, модифицированных бикомпонентными наночастицами Cu-Ag, обладающих антимикробными свойствами. Модифицированные полимерные материалы могут найти применение в производстве текстильных изделий медицинского назначения (постельное белье для больниц, средства индивидуальной защиты, медицинская одежда, хирургические перчатки, бинты и др.), нижнего белья, чулочно-носочных изделий, спортивной одежды, для обивки мебели в поездах дальнего следования и самолетах, для создания антибактериальной биоразлагаемой упаковки и др. Техническая новизна подтверждена патентом РФ № 2776057 от 13.07.2022 на изобретение «Способ получения антимикробного серебросодержащего материала».