В последнее время в связи с нарастающей аллергизацией [5] населения и развитием различных побочных эффектов [11] при приеме антибиотических препаратов для лечения различных микробных инфекций все большее значение приобретают препараты на основе серебра. Это связано с тем, что ионы серебра имеют широкий спектр антимикробной активности [6, 8, 10] и обладают меньшими побочными эффектами, выработка резистентности у бактерий к ионам серебра не обнаружена [13]. С недавнего времени также приобрели актуальность препараты серебра в форме наночастиц, так как они создают депо ионов серебра и позволяют поддерживать равномерное содержание ионов серебра в растворе в течение длительного времени. Также наночастицы серебра обладают более выраженной антимикробной активностью благодаря иным механизмам воздействия на микробную клетку, чем ионы [2, 8].
На сегодняшний день существует множество методов синтеза наночастиц серебра, однако большинство из них используют в своей основе токсичные реагенты, используемые либо для стабилизации получаемых наночастиц, либо для восстановления ионов серебра. В то же время для использования наночастиц в медико-биологических целях необходимо исключить использование токсичных веществ на каком-либо этапе синтеза [12, 7].
Еще одной актуальной проблемой остается устойчивость при хранении образующихся нанокластеров серебра, так как многие из них склонны коагулировать [4] под действием кислорода воздуха [3, 9] и испарения компонентов раствора при хранении и синтезе.
Целью исследования явилась оптимизация физико-химических условий получения наночастиц серебра для увеличения срока хранения полученных растворов и сохранения возможности их медико-биологического применения.
Материалы и методы исследования
Наночастицы серебра были получены разработанным методом кавитационно-диффузионного фотохимического восстановления. Синтез наночастиц осуществляли путем восстановления ионов серебра в водном растворе в присутствии биосовместимых лигандов-стабилизаторов (поливинилпирролидон, полиэтиленгликоль) при совместном воздействии ультрафиолетового излучения длиной волны 280–400 нм и ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц. Для оценки размеров полученных наночастиц была проведена их электронная микроскопия на микроскопе JEOLJSM-7500F в режиме SEI, LEI, COMPO и ADD с ускоряющим напряжением от 2 до 10 кВ, в зависимости от индивидуальных особенностей образца. Исследование производили непосредственно на момент синтеза, через месяц, полгода и год от их получения. Измерение оптической плотности полученных растворов проводилось на фотометре КФК-3.
Также производили оценку агрегативной устойчивости с помощью растворов электролитов [1] NaCl и Na3PO4 в концентрациях 1, 5 и 10 % соответственно на момент синтеза, через месяц, полгода и год от его начала.
Работа выполнена в рамках программы УМНИК-2014, проводимой Федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (инновационный проект, государственный контракт № 3601ГУ1/2014 вн. № 0004193).
Результаты исследования и их обсуждение
При анализе данных электронной микроскопии полученных растворов наночастиц серебра можно отметить следующее: при получении наночастиц описанным выше методом порядка 25 % наночастиц имеют средний размер 20–30 нм, 50 % частиц ‒ средний размер приблизительно 10–15 нм (рис. 1), спустя месяц распределение по размерам принципиально не изменяется.
Через полгода и год от момента их получения 50 % частиц имели средний размер 20–30 нм, а доля частиц с размером 10–15 нм снизилась до 30 %. Максимум оптической плотности водных растворов наночастиц серебра, измеренный на фотоэлектрокалориметре, находился в области 410 нм (рис. 2) и оставался неизменным по прошествии всех указанных выше временных промежутков от момента синтеза, что также говорит о минимальной агрегации частиц при хранении.
Анализ агрегативной устойчивости показал, что полученные растворы устойчивы на всем диапазоне концентраций растворов NaCl и Na3PO4 на всем промежутке хранения от момента их получения.
Также были синтезированы водные растворы наночастиц серебра того же качественного и количественного состава, но в отсутствии ультразвуковых волн в процессе их получения. Проведенная электронная микроскопия показала, что в данных образцах наблюдался больший разброс по размерам частиц: по размерам частицы можно разделить на два вида: со средним размером 20 нм (приблизительно 50 %) и средним размером около 100 нм (50 %) (рис. 3).
Рис. 1. Электронная микроскопия наночастиц серебра, полученных с применением ультразвука на момент синтеза
Рис 2. Оптические спектры поглощения наночастиц серебра, полученных с применением ультразвука на момент синтеза
Рис. 3. Электронная микроскопия наночастиц серебра, полученных без применения ультразвука на момент синтеза
Спустя месяц доля частиц с размером 100 нм возросла до 70 %, а через полгода и год частицы образовали крупные бесформенные агрегаты размером более 1 мкм с сорбированными на поверхности частицами со средним размером 20–30 нм. По данным фотоэлектрокалориметрии происходило смещение максимума поглощения раствора с течением времени от 440 до 480–500 нм (рис. 4), что также говорит об агрегации наночастиц.
Рис 4. Оптические спектры поглощения наночастиц серебра, полученных без применения ультразвука на момент синтеза
При исследовании агрегативной устойчивости полученных растворов выявили коагуляцию к 5 % растворам NaCl и Na3PO4 непосредственно после синтеза и ее сохранение спустя один месяц после синтеза, в том числе и к 1 % растворам NaCl и Na3PO4, что связано с укрупнением наночастиц.
Выводы
В процессе получения наночастиц серебра показан положительный эффект совместного применения физических факторов: ультрафиолетового излучения, ультразвука на формирование размера наночастиц и их дальнейшую устойчивость при хранении. Комплексное воздействие ультразвука в процессе синтеза наночастиц позволяет механически диспергировать крупные частицы или агломераты наночастиц, приводя тем самым к более однородному распределению и уменьшению их размера.
Рецензенты:Барышев М.Г., д.б.н., профессор кафедры радиофизики и нанотехнологий, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар;
Исаев В.А., д.ф.-м.н., профессор кафедры физики и информационных систем, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар.
Работа поступила в редакцию 06.03.2015.