Серебряная свежесть: антимикробное покрытие для текстиля с дезодорирующим эффектом

Человеческий организм можно без преувеличения назвать удивительным механизмом. Однако, мы не живем в индивидуальных герметичных контейнерах, а потому постоянно контактируем с окружающей средой, которая полнится не только полезными дня нас веществами, микроэлементами и микрофлорой, но и патогенами, способными серьезно навредить этому слаженному механизму. Помимо внутренних систем, задействованных в защите организма от патогенов, важную роль играет и кожа человека. Если же учесть, что люди уже давно не бегают голышом, то сюда добавляется еще одна линия обороны — одежда. С одной стороны она предотвращает немедленный контакт кожи с патогеном, с другой — может стать прекрасным местом для его обитания и размножения. Следовательно, одежда требует регулярной обработки, но есть и альтернативный вариант. Ученые из Токийского университета (Япония) разработали новый метод нанесения на текстиль антибактериального покрытия на основе серебра, способного буквально отталкивать бактерии и даже вирусы. Приятным бонусом является способность этого покрытия бороться с неприятными запахами. Из чего состоит антимикробный спрей, как его использовать, и насколько он эффективен против разных патогенов? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Попытки создать антимикробное покрытие для текстиля был и раньше. Однако прототипы были сопряжены с рядом проблем: обесцвечивание текстиля, снижение воздухопроницаемости, необходимость в использовании вредных и/или дорогих реагентов, сложный процесс изготовления и/или нанесения. Однако, несмотря на все сложности, необходимость в подобной разработке не снижается, особенно учитывая нынешнюю ситуацию в мире.

Авторы исследования обратили свое внимание на металл-фенольные сетки (MPN от metal-phenolic network), которые представляют собой надмолекулярные координационные структуры, состоящие из ионов металлов и полифенолов. MPN могут быть нанесены практически на любую подложку в условиях окружающей среды благодаря универсальной химической природе катехиновых и галлольных групп.

Ранее MPN, состоящие из дубильной кислоты (TA от tannic acid) и Fe(III), использовались в качестве барьера для минимизации адгезии микробов к субстратам или формирования наночастиц Ag для обеспечения противомикробных свойств. Проблема была в том, что подобное покрытие приводило к значительному обесцвечиванию и не тестировалось на устойчивость к стирке, достичь которой можно было лишь с помощью сложного синтеза, занимающего много времени. Другими словами, потенциал был, но реализация шла бок о бок с кучей проблем.

Взяв за основу вышеописанную технологию, авторы рассматриваемого нами сегодня труда предложили свой вариант антимикробного покрытия, состоящего из Ag(I) и дубильной кислоты (сокращенно Ag/TA). Такое покрытие можно быстро (менее 20 минут) нанести путем погружения или распыления на сложные подложки, включая текстиль. При этом Ag/TA покрытие ингибирует вирусы с липидной оболочкой (phi6), грамотрицательные (E. coli) и грамположительные бактерии (S. aureus) и грибки (S. cerevisiae). Бонусом Ag/TA нейтрализует вызывающие запах бактерии на одежде на период времени в более 10 циклов носки/стирки.

Результаты исследования

Аналогично другим металл-фенольным покрытиям, Ag/TA синтезировался в водной среде. Субстрат сначала погружали в 500 мкл сверхчистой воды, затем добавляли 5 мкл раствора фенола с концентрацией 40 мг/мл (ТА или другие фенольные соединения), а потом перемешивали. Следом добавляли от 5 мкл до 60 мкл раствора AgNO₃ с концентрацией 10 мг/мл с последующим интенсивным перемешиванием и инкубацией. Затем покрытие промывали сверхчистой водой, сушили воздухом или азотом и использовали для дальнейших тестов.

После добавления AgNO₃ быстро происходило комплексообразование, о чем свидетельствует почти немедленное (< 10 с) увеличение динамического светорассеяния с ~ 2 нм до ~ 100 нм. Кроме того, после комплексообразования* пик серебра в УФ-видимой спектроскопии исчез, а фенольный пик ТА сместился в сторону несколько более низких длин волн. Из этого следует, что будущее покрытие будет прозрачным (1A).

Комплексообразование* — процесс возникновения комплексных соединений, которые образуются в результате присоединения к иону (или атому), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами.

Изображение №1

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) продемонстрировала сдвиги в C_1s спектрах ТА в сторону более низких энергий связи после взаимодействия с Ag (от 533.1 эВ для ТА до 531.8 эВ для комплексов Ag/ТА) и заметные сдвиги в сторону более высоких энергий связи в Ag_3d спектрах для двух пиков серебра (от 374.1 эВ для AgNO₃ до 374.5 эВ для комплексов Ag/TA) (1B).

Инфракрасная Фурье-спектроскопия (ИКФС) показала сдвиг C–O пиков ТА в сторону более высоких волновых чисел, что является признаком хелатирования* (1C).

Хелатирование* — тип связывания ионов и молекул с ионами металлов, который включает образование или наличие двух или более отдельных координационных связей между полидентатным (многосвязанным) лигандом и одним центральным атомом металла.

Рамановская спектроскопия продемонстрировала повышенную пиковую интенсивность ТА после взаимодействия с Ag, что характерно для хелатирования металлов фенольными соединениями (1D).

Ученые отмечают, что покрытия, изготовленные из Ag/TA, имели незначительное поглощение в спектре видимого света (т. е. были бесцветными) даже после двух часов инкубации с широким пиком в УФ-спектре.

Снимки атомно-силовой микроскопии (АСМ) царапанных покрытий показали толщину примерно 6-9 нм со среднеквадратичной шероховатостью ~ 1.6 нм после 10 секунд осаждения. После 20 минутной инкубации наблюдалось лишь незначительное увеличение толщины (~ 10 нм) и шероховатости (~ 2.7 нм), что сопоставимо с металл-фенольными покрытиями, изготовленными из других металлов (1E). Столь малая толщина Ag/TA покрытия означает, что текстиль, на который оно будет нанесено, останется воздухопроницаемым.


Изображение №2

По данным кварцевой микрогравиметрии Ag/T покрытия показали более чем на порядок большую массу, чем монослойное покрытие TA (изображение №2). Повышение концентрации Ag (более высокое отношение Ag к TA) привело к получению покрытий с большей адсорбируемой массой до точки насыщения, после которой осажденная масса была довольно стабильной.

Недавние исследования показали, что MPN покрытия могут взаимодействовать с липидами, белками и полисахаридами. Из этого следует, что они могут взаимодействовать с оболочками, капсидами, клеточными мембранами и клеточными стенками вирусов, грибков, грамотрицательных и грамположительных бактерий.

Для оценки способности Ag/TA покрытия улавливать и уничтожать вирусы с липидной оболочкой его сравнивали с покрытиями из других металлов, применяя безопасный для тестов бактериофаг phi6 (используется в качестве модельного организма для SARS-CoV и вируса Зика).

Тесты показали, что Ag/TA покрытие может адсорбировать такое же количество вируса, что и монослой TA и Cu/TA покрытие, а также на 50% больше вирусной массы, чем Fe/TA покрытие (2А). С точки зрения нейтрализации вирусов Ag/TA превосходит как монослойный вариант (TA), так и MPN из других металлов (Cu, Zn, Al, Fe) (2B). Стоит также отметить, что Phi6 можно было обнаружить только после инкубации при концентрациях выше 104 БОЕ/мл*, так как предел обнаружения в рамках данного анализа составляет около 102 БОЕ/мл.

БОЕ/мл* — бляшкообразующих единиц на миллилитр.

Вирусная бляшка — видимая структура, образующаяся после введения образца вируса в культуру клеток, выращенную на какой-либо питательной среде.

После удаления захваченного вируса с ткани посредством применения поверхностно-активного вещества (мыла) был проведен анализ жизнеспособности вируса. Результаты показали значительное уменьшение числа вирусных единиц на поверхности ткани. Важно и то, что противовирусные характеристики Ag/TA покрытий сохранялись даже после 5 циклов стирки с мылом.

Ученые отмечают, что состав их покрытия можно менять, заменив TA на какой-то другой фенольный лиганд, не теряя при этом антимикробных свойств. Следовательно, куда более важную роль в составе играет именно металл (в данном случае Ag).

Антимикробные свойства серебра хорошо известны, и обычно Ag⁺ считается наиболее мощной формой серебра. При этом наночастицы Ag обычно демонстрируют наибольшую эффективность антимикробного действия благодаря высвобождению Ag⁺ в присутствии кислорода, растворенного в воде или воздухе.

Антимикробное воздействие Ag⁺ на микроорганизмы возникает из-за множества синергетических факторов, включая разрушение мембраны и повреждение ДНК за счет образования активных форм кислорода.

Материалы, способные высвобождать Ag⁺, уже давно применяются для борьбы с микробами. Но лишь недавно было установлено, что хелатный Ag(I) более эффективен, чем свободный Ag⁺. Вероятно, это и является объяснением столь высокой антимикробной способности разработанного Ag/TA покрытия по сравнению с другими металлами. Следовательно, Ag/TA может применяться для ингибирования других микроорганизмов.


Изображение №3

Потому ученые решили протестировать эффективность Ag/TA покрытия, нанесенного на разные типы ткани, в борьбе с бактериями и грибками.

Ag/TA покрытие продемонстрировало значительное ингибирование E. coli, S. aureus и S. cerevisiae на всех типах ткани (изображение №3), в то время как ткани без покрытия показали незначительное ингибирование.

Два варианта ткани (с покрытием и без него) инкубировали E. coli и оставили в питательной среде на ночь. В результате показатель OD600* ткани без покрытия был значительно ниже (высокая мутность), чем у ткани, покрытой Ag/TA (прозрачность).

OD600* — аббревиатура, обозначающая оптическую плотность образца, измеренную при длине волны 600 нм. Обычно используется в спектрофотометрии для оценки концентрации бактерий или других клеток в жидкости, поскольку длина волны 600 нм почти не повреждает их и не препятствует их росту.

Важно и то, что ткани, покрытые Ag/TA путем распыления (а не погружения), также демонстрировали зоны ингибирования, хотя они и были немного меньше (3D). Снижение эффективности связано с уменьшением количества серебра, ввиду распыления, тогда как при погружении серебра в избытке.


Изображение №4

Помимо очевидного на здоровье человека, микроорганизмы играют важную роль и в других биологических процессах, таких как формирование запаха тела. Поэтому ученые решили проверить, могут ли покрытия из Ag/TA уменьшить запах, остающийся на ткани после носки.

Для этого они использовали обычную рубашку из полиэстера и хлопка. Одну подмышку (слева) они покрыли Ag/TA, тогда как вторая оставалась необработанной. Затем проводилась ежедневная оценка степени запаха по шкале от 1 до 10 после 10-12 часов носки.

Подмышка без покрытия показала резкий запах (в среднем 5.3 по шкале) за 3 испытания по 11 циклов носки и 10 стирок. А вот подмышка с Ag/TA покрытием показала почти незаметный запах (в среднем 1.2 по шкале) за то же количество испытаний. Стойкость Ag/TA покрытия к стирке также оказалась весьма высокой (4B). Полученные результаты говорят о том, что Ag/TA покрытие способно вполне эффективно бороться не только с различными микробами, но и с запахом тела, который впитывается текстилем во время носки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали Ag/TA покрытие, созданное на базе MPN (металл-фенольные сети) из серебра и дубильной кислоты. Нанесение данного состава на текстиль предотвращает накопление на нем различных микроорганизмов (вирусов, бактерий и грибков). Данный вариант MPN отличается от предшественников тем, что в нем использовалось серебро, а не обычные переходные (Fe, Al, Cu) или благородные металлы (Rh и Ru), как это делалось раньше. Это также означает и то, что в будущем можно использовать и другие одновалентные металлы, таких как K+ или Na+, для формирования функциональных фенольных покрытий.

Также было показано, что разработанное покрытие способно прилипать практически к любой поверхности, поскольку TA может одновременно демонстрировать несколько типов взаимодействий: электростатические связи, водородные связи, π–π укладку и гидрофобные взаимодействия.

Дополнительным и весьма полезным свойством Ag/TA покрытия является его способность бороться с запахами. Рубашка, обработанная Ag/TA, спустя много часов носки почти не пахла, чего нельзя было сказать о рубашке без Ag/TA покрытия.

Факт того, что вещи с Ag/TA покрытием не нужно будет так часто стирать, это, конечно, здорово. Но куда важнее то, что подобная обработка, к примеру, формы медработников может значительно снизить темпы распространения патогенов, что является дополнительной защитой для здоровья не только самих врачей и медсестер, но и пациентов, с которыми они контактируют.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?