Синтез таргетных биологически активных ионных соединений и новых биокомпозитных материалов

69 страниц, 7 основных разделов., 17 рисунков, 7 таблиц и 78 ссылок на литературные источники. Ключевые слова: Золь-гель, биокомпозит, наноматериалы, композитные материалы, силаны, кремнийорганические соединения, четвертичные аммониевые соединения, антибактериальная активность, биопленки. Целью проведения НИР является:синтез и изучение структуры, свойств и биологической активности новых типов азотсодержащих органических ионных соединений и биокомпозитных кремнийорганических материалов для применения в медицине, биотехнологии и химической промышленности.Поскольку исследования по предлагаемому проекту являются комплексными, то для достижения поставленной цели необходимо, с одной стороны, использовать методы и подходы, применяемые в химии, материаловедении, электрохимии и нанотехнологиях для получения и характеристики микро- и наноматериалов, с другой стороны, использовать методы изучения микроорганизмов, позволяющие определить морфологию клеток, их физиолого-биохимическое поведение, проводить геномный анализ, т.е. требуется междисциплинарный подход. В ходе выполнения НИР разработан подходу к синтезу триспиридиниевых соединений на основе циануровой кислоты с дополнительными атомами кислорода в линейной части спейсера. Были получены соединения с различной длиной алкильной цепи, включающей 8, 10 и 12 атомов углерода. Строение и чистота синтезированных соединений охарактеризованы комплексом физико-химических методов (ЯМР-спектроскопией; масс-спектрометрией высокого разрешения; ИК-спектроскопией). Определена растворимость в воде синтезированных ЧАС. Результаты показали, что новые соединения превышают по растворимости полученные нами в ходе предварительных исследований аналоги, а также значительно превосходят октенидинадигидрохлорид. Доказана биоцидная эффективность полученных трис-ЧАС. Минимальная ингибирующая концентрация препаратов определялась на пяти бактериальных штаммах: StaphylococcusaureusATCC 43300 (Sa), EscherichiacoliATCC 25922 (Ec), KlebsiellapneumoniaeATCC 700603, (Kp), Acinetobacterbaumannii АТСС 19606 (Ab), Pseudomonasaeruginosa ATCC 27853 (Pa). Продемонстрировано, что все вещества обладают активностью в отношении как граположительных, так и грамотрицательных бактерий, а соединение-лидер, содержащее 10 атомов углерода в алкильном «хвосте»,превосходит по активностикоммерческие антисептики бензалкония хлорид и цетилпиридиния хлорид. Изучена морфология функциональных материалов, синтезированных из силановыхпрекурсоровизобутилтриэтоксисилана (иБТЭС) и тетраэтоксисилана (ТЭОС), структурообразующего агента поливинилового спирта (ПВС) и клеток метилотрофных дрожжей, методом электронной микроскопии показало, что в матрице с содержанием иБТЭС 20 % дрожжи захвачены в слое матрицы силикагеля. Использование при синтезе биоматериала содержаний иБТЭС выше 50 % приводит к образованию структуры с порами больших размеров, что отрицательно сказывается на каталитической активности всего биоматериала. На основе биосенсорного подхода установили, что наилучшими характеристиками обладает биоматериал, синтезированный из силановыхпрекурсоров в соотношении 20/80 иБТЭС/ТЭОС, что определяется структурой биогибрида. Возможно, это связано с тем, что золь-гель матрица с содержанием гидрофобной добавки 20 об. % в меньшей степени препятствует диффузии субстрата и происходит эффективный транспорт веществ в системе окружающая среда–биоматериал. Использование иБТЭС в качестве гидрофобной добавки при иммобилизации дрожжевых клеток является менее эффективным, чем использование МТЭС. Поскольку каталитическая активность иммобилизованных дрожжей при использовании гидрофобной добавки изобутилтриэтоксисилана ниже. Вероятнее всего это связано с тем, что разветвлённый алкил вносит в систему дополнительные стерические затруднения при инкапсулировании клеток. Получены композитныенаноструктурные материалы на основе созданной золь-гель матрицы, модифицированной углеродными нанотрубками. Произведено изучение трехмерной структуры полученных композитных наноструктурных материалов методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с возможностью определения локального состава материалов. Полученные результаты позволяют глубже понять фундаментальные закономерности формирования подобных гибридных биоструктур и создавать новые кремнийорганические материалы с заданными свойствами.Полученные результаты соответствуют мировому уровню. В настоящее время быстро растет интерес к биокомпозитным материалам, полученным золь-гель методом, поскольку они представляют собой основу новых материалов для создания защитных нанослойных поверхностей, датчиков химических и биологических сенсоров и фильтров для очистки водных сред. В ходе НИР был получен гетерогенный биокатализатор путём иммобилизации клеток дрожжей Debaryomyceshansenii ВКМ Y-2482 и бактерий Paracoccusyeei ВКМ B-3302 в кремнийорганический материал с применением золь-гель метода. Анализ данных каталитической активности гетерогенного биокатализатора позволяет сделать вывод, что соотношение 50 об. % метилтриэтоксисилана и 50 об. % тетраэтоксисилана наиболее эффективно для создания золь-гель матрицприсовместной иммобилизации клеток бактерий Paracoccusyeii ВКМ B-3302 и дрожжей Debaryomyceshansenii ВКМ Y-2482. Так как биорецепторный элемент обладает наибольшей чувствительностью среди изученных образцов. Характеристики полученного биокатализатора на основе смеси микроорганизмов не уступают характеристикам биорецепторного элемента на основе отдельных клеточных штаммов. Подробное описание полученных результатов дано в разделе Основная часть. Результаты работы представлены в двух статьях, поданных в журналы Q1-Q2 и апробированы на Шестой международной конференции стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» - «SOL-GEL 2020» в октябре 2021 года. Ожидаемые результаты В ходе дальнейшей реализации проекта будут разработаны методы синтеза новых классов четвертичных аммониевых солей, обладающих выраженным антибактериальным и противовирусным действием при низких и даже очень низких концентрациях. Ожидается, что среди синтезированных соединений будут выявлены соединения-лидеры, которые станут потенциальными агентами, рекомендуемыми для применения в композициях гигиенических продуктов, в частности, в качестве антисептических и дезинфицирующих средств. Данные продукты могут стать ключевыми компонентами новых отечественных эффективных антисептических и дезинфицирующих средств – российской альтернативой известным импортным антисептическим средствам. Будут синтезированы новые биокомпозитные материалы на основе различного соотношения силановых прекурсоров. Получаемая химическая структура будет комплексно описана с использованием современных методов исследования, что позволит в будущем спрогнозировать структуру и свойства подобных биокомпозитов, полученных золь-гель методом. Будет изучена дыхательная активность иммобилизованных в разрабатываемые матрицы микроорганизмов электрохимическим методом. Полученные результаты позволят глубже понять фундаментальные закономерности формирования подобных гибридных биоструктур и создавать новые кремнийорганические материалы с заданными свойствами.