CZ2011549A3

CZ2011549A3 - Zpusob imobilizace nanocástic stríbra na pevné substráty

Info

Publication number: CZ2011549A3
Application number: CZ20110549A
Authority: CZ
Inventors: Zboril@Radek; Soukupová@Jana
Original assignee: Univerzita Palackého v Olomouci
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2012-10-24
Also published as: CZ303502B6; ES2650000T3; EP2701515B1; EP2701515A1; US20150290677A1; PL2701515T3; WO2013029574A1; US9505027B2

Abstract

Dvoukrokový zpusobý imobilizace nanocástic stríbra na pevné substráty pomocí polyethyleniminu spocívající v tom, že dochází k primárnímu povlakování pevných substrátu polyethyleniminem s vetvenou strukturou, dále se ponorí substrát do roztoku stríbrné soli a následne se tvorí nanocástice stríbra kovalentne ukotvené na povrch polymeru díky redukcnímu efektu jeho funkcních skupin, takže nedochází k uvolnování nanocástic do prostredí. Metoda dovoluje práci ve vodném prostredí, nepoužívá externí redukcní cinidla, stabilizátory ani toxická rozpouštedla a je univerzálne aplikovatelná pri antimikrobiálních úpravách všech typu pevných povrchu.

Description

ZPŮSOB IMOBILIZACE NANOČÁSTIC STŘÍBRA NA PEVNÉ SUBSTRÁTY

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty s různými povrchovými charakteristikami s perspektivním využitím takto připravených kompozitních materiálů v aplikacích, kde je nutná prevence mikrobiální kolonizace povrchu bez rizika uvolňování nanočástic stříbra do prostředí.

Dosavadní stav techniky

Nanočástice stříbra jsou v posledních přibližné dvaceti letech jedním z nejintenzivněji studovaných materiálů, a to hned v několika oblastech aplikací nanotechnologií. Snad nejperspektivnějším směrem využití nanočástic stříbra se v současné době jeví jejich aplikace v oblastech, kde je vyžadován antimikrobiální účinek. Nicméně aplikovatelnost tohoto typu materiálu je spojena s řadou úskalí. Konkrétně se jedná o nutnost aplikace částic o velikostech v řádu několika desítek nanometrů, s úzkou velikostní distribucí, nízkou mírou agregace a dostupným aktivním povrchem. Jen takové částice vykazují vysokou antimikrobiální účinnost spojenou s dostatečně velkým povrchem přístupným pro interakci s mikroby. Pro většinu praktických antimikrobiálních a desinfekčních aplikací je nutné nanočástice stříbra vhodným způsobem ukotvit na pevný substrát tak, aby nedocházelo k jejich nekontrolovanému uvolňování a případné intoxikaci okolního prostředí. Vzhledem ktomu, že jsou všechny výše zmíněné parametry klíčového charakteru, budou probrány detailněji.

Ze studii týkajících se prevence mikrobiální kolonizace pomocí nanočástic stříbra vyplývá, že k docílení obdobného či dokonce vyššího antibakteriálního a antimykotického účinku nanočástic stříbra v porovnání s toxičtějším iontovým stříbrem, jsou zapotřebí výrazně nižší koncentrace nanočásticového Ag [Panáček 2006, 2009], Navíc nebyla dosud prokázána rezistence bakteriálních kmenů vůči nanočásticím Ag. Mají-li být nanočástice stříbra aplikovatelné v medicinálních, environmentálních a desinfekčních aplikacích v širším měřítku, je navíc nezbytně nutné, aby byly agregačně stabilní. Konvenčně používaná povrchová modifikace částic, zabezpečující zvýšení jejich agregační stability, nemusí vždy vést ke kýženému výsledku, poněvadž dochází ke ztrátě aktivního povrchu. Z tohoto důvodu je vhodné částice cíleně imobilizovat na požadovaný pevný substrát (katétr, chirurgická nit, textilní vlákno aj.), ale zároveň zabezpečit, aby si zachovaly co největší kontaktní specifický povrch, který je zodpovědný za antimikrobiální účinek.

V současné době je známa řada pokusů o imobilizaci nanočástic stříbra na rozličné substráty skrze polymerní pojivá (linkery). Způsob imobilizace lze, u již publikovaných prací, rozdělit dle povahy interakce mezi polymerem a depozitovanými nanočásticemi stříbra.

Většina prací popisuje imobilizaci částic založenou na elektrostatické interakci primárně syntetizovaných nanočástic Ag a polymerního linkeru naneseného na zvolený pevný substrát. Elektrostatická interakce mezi polymerním linkerem a nanočástici je závislá na náboji polymeru, jeho strukturní a chemické podstatě. Z použitých přírodních polymerů je k depozici nejčastěji používána celulosa [Samir 2004, Nadagouda 2007, Fernández 2010]. Z řady testovaných syntetických polymerů bylo dosaženo úspěšné depozice nanočástic stříbra na povrchu na bázi polyethylenglykol-polyuretan-TiO₂ [Shah 2008], na povrchu nylonu 6,6 [Perkas 2006], na povrchu polyamidu modifikovaného dopaminem [Liao 2010] či na povrchu vlákna tvořeného polymethylmethakrylátem [Kong 2008], Ve všech těchto případech bylo dosaženo depozice nanočástic stříbra na povrchu prostřednictvím redukce stříbrné soli, nejčastěji dusičnanu stříbrného, pomocí externího redukčního činidla (nejčastěji tetrahydridoboritanu sodného) či fyzikálně-chemické redukce vlivem tepelné či foto(radiační metody. Všechny uvedené imobilizační přístupy založené na elektrostatické interakci mají řadu nevýhod ze syntetického či aplikačního hlediska. Jsou to především:

a) nekovalentní charakter imobilizace, v jehož důsledku hrozí uvolnění nanočástic do prostředí a kompozity nejsou použitelné pro bioaplikace;

b) nutnost použití externího redukčního činidla;

c) nutnost přídavku stabilizátorů, které zabrání agregaci nanočástic na povrchu polymeru;

d) poměrně limitujícím faktorem výše uvedených syntéz je také fakt, že v rámci přípravy kompozitního materiálu na bázi substrát-polymerni linker-nanočástice stříbra bylo nutné použit organická činidla (např. alkoholické prostředí, . 3 prostředí tetrahydrofuranu) nebo nastavit poměrně komplikované experimentální podmínky (např. syntéza trvající 24 hod. za teploty 60°C);

e) žádný z uvedených „elektrostatických“ přístupů neposkytuje experimentální důkazy o možnosti univerzálního použití na různé substráty s různým charakterem povrchu.

Z hlediska použití imobilizačních přístupů v bioaplikacích, medicíně a z hlediska případné ekotoxicky je nutné eliminovat především výše uvedené nevýhody a) a e), tj. riziko uvolnění nanočástic do prostředí a neuniverzálnost metody. Doposud existuje jedna publikovaná práce, popisující systém pevný substrát-polymerní linker-nanočástice Ag s kovalentním ukotvením nanočástic k polymerní spojce. Jako polymerní spojky plnící současnou roli redukčního činidla i matrice pro kovalentně imobilizované nanočástice byl použit polymer na bázi fosfotriazinu [Dallas 2010]. Tato práce eliminuje zmíněné nevýhody a), b) a c) neboť částice jsou kovalentně ukotveny a není potřeba externí redukční činidlo ani stabilizátor. Není však potvrzena možnost univerzální aplikace na různé pevné substráty. Dalšími nevýhodami je velmi složitá a nákladná příprava polymeru s nízkou výtěžností a potencionální toxicita této fosfotriazinové matrice. V neposlední řadě je nevýhodou i velmi specifická kornoutová morfologie polymeru, limitující univerzální aplikaci na různé typy povrchů.

Shrneme-li výše uvedené, je možné učinit závěr, že v současné době neexistuje univerzální metoda kovalentní imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty, pomocí níž by bylo možné připravit celou škálu biokompatibilních kompozitů vhodných k antimikrobiálním úpravám povrchů v medicinálních, environmentálních a desinfekčních aplikacích. Aplikovatelnost dosud úspěšně připravených a publikovaných přístupů je limitována vždy minimálně jednou z výše uvedených nevýhod (a-e), častěji však jejich kombinací.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za cíl navržení univerzálního způsobu kovalentní imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty za použití polyethyleniminu s větvenou strukturou, který plní současně funkci adhezní vrstvy a redukčního činidla. Tato metoda má za cíl eliminovat výše uvedené nevýhody imobilizačních přístupů, které byly popsány v odstavci „dosavadní stav techniky“.

*

Výše vedené nedostatky jsou odstraněny způsobem imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty, jehož podstata spočívá v tom, že se provádí ve dvou krocích, kd£ v prvním kroku je zvolený substrát modifikovaný polyethyleniminem (PEI) s větvenou strukturou prostým namočením zvoleného substrátu do lázně tvořené vodným roztokem tohoto polymeru, načež je jeho nadbytek z povrchu substrátu, po jeho vyjmuti z lázně, opláchnut, poté je takto PEI modifikovaný substrát ve druhém kroku ponořen do roztoku stříbrné soli, kd^ dochází vlivem redukčních vlastností -NH a -NH2 funkčních skupin polymeru k tvorbě nanočástic, které zůstávají kovalentně imobilizovány k primárně vytvořené adhesivní PEI vrstvě polyethyleniminu.

Hlavni výhodu dvoukrokového způsobu imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty pomocí polyethyleniminu jako adhesního a redukčního pojivá je, že dochází k primárnímu povlakování pevných substrátů polyethyleniminem a následně k tvorbě nanočástic stříbra kovalentně ukotvených na povrchu polymeru díky redukčnímu efektu jeho funkčních skupin, takže nedochází k uvolňování nanočástic do prostředí. Dvou-krokově kovalentně imobilizované nanočástice si, na rozdíl od jednokrokových metod, kd>2. dochází k obalení povrchu částic polymerem, ponechávají velký volný povrch využitelný pro interakci s mikroorganismy.

S výhodou je při způsobu imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty oplach proveden destilovanou vodou.

Výhodné též je, že k redukci stříbrných iontů dochází bez externího redukčního činidla pouze pomocí mírné teplotní aktivace. Současná redukce a imobilizace probíhají při teplotě 60 °C a po dobu 20 minut. Celá syntéza kompozitu je dokončena opakovaným omytím kompozitu substrát - PEI - nanoAg vodou, čímž dochází k odstranění případného nadbytečného iontového stříbra pocházejícího z prekurzoru.

Uvedený postup imobilizace nanočástic Ag má následující výhody:

a) prokazatelně dochází ke kovalentní imobilizaci nanočástic a tudíž k minimalizaci rizika jejich uvolnění do prostředí;

b) navržená metoda imobilizace nepožívá externí redukční činidlo, neboť jeho roli plní funkční skupiny PEI;

c) navržená metoda imobilizace nepoužívá stabilizátor, neboť v důsledku kovalentní imobilizace nedochází k agregaci částic na povrchu;

. 5 ·

d) navržená metoda je velmi levná, experimentálně nenáročná a rychlá, probíhá ve vodném prostředí a nevyužívá žádné toxické látky;

e) metoda je prokazatelně univerzální a použitelná pro modifikaci různých druhů povrchů včetně plastů, textilních vláken či filtračních vláken.

Kromě eliminace všech nevýhod jiných publikovaných a navržených imobilizačnich postupů, má navržený postup ještě tyto další zjevné aplikační výhody:

f) netoxicita a biokompatibilita PEI;

g) výborné adhezní vlastnosti PEI vůči libovolnému pevnému substrátu;

h) výhodou je použití PEI s větvenou strukturou a vysokou molekulární hmotností, který, s ohledem na velký počet funkčních skupin v řetězci, dovoluje tvorbu malých nanočástic s uniformní velikostní distribucí a homogenním rozdělím na povrchu substrátu; průměrná velikost částic Ag vznikajících uvedeným postupem je okolo 40 nm (bez ohledu na charakter pevného substrátu), což je velikost, která zabezpečuje vysoký antibakteriální efekt;

i) dvou-krokový způsob imobilizace je rovněž výhodou. V případě, v literatuře často se objevujících postupů, kdj^je polymer použit k redukci stříbrných iontů bez primárního nanesení na pevný substrát, může dojit k výraznému pokrytí povrchu vyredukovaných nanočástic Ag polymerem a tím k inaktivaci povrchu z antimikrobiálního hlediska. K obdobnému efektu ovšem může dojít i v případě jednokrokové imobilizace na pevný substrát, není-li přebytek polymeru odstraněn. Dvou-kroková imobilizace evidentně dovoluje připravit nanočástice s dominantně volným povrchem a navíc dovoluje bezproblémové odstranění jak přebytku polymeru, tak přebytku stříbra.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže popsán a osvětlen na základě níže přiložené obrazové dokumentace, kde obr. 1 znázorňuje UV/VIS absorpční spektrum 10x zředěné vodné disperzi nanočástic stříbra vzniklých redukcí stříbrných iontů PEI bez použití externího redukčního činidla. Absorpční pik v oblasti okolo 400 nm je charakteristický pro nanočástice Ag, obr. 2 znázorňuje povrchově zesílené Ramanovské spektrum vzorku polyethyleniminu (černá křivka) a vzorku obsahujícího nanočástice stříbra ’ 6 připravené pomoci navržené metody využívající rozvětvený polyethylenimin, jakožto reduktant umožňující redukci použité stříbrné soli a současnou kovalentní imobilizaci v místě funkčních skupin. V oblasti 245 cm'¹ se objevuje pík korespondující s existencí vazby Ag-N a svědčící o kovalentním charakteru vazby, obr. 3 znázorňuje snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) demonstrující imobilizaci nanočástic stříbra na povrchu netkané textilie navrženou metodou. Snímek potvrzuje tvorbu velmi malých částic (okolo 40 nm) s velmi úzkou velikostní distribucí a homogenním pokrytím povrchu vlákna, obr. 4 znázorňuje snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu demonstrující imobilizaci nanočástic stříbra na povrchu filtračního vlákna na bázi polyesteru (vlevo), přičemž pro srovnáni je vpravo uveden snímek povrchu nemodifikovaného vlákna, obr. 5 znázorňuje fotografie polymethylmethakrylatového (PMMA) plastového granulátu, na kterém byla testována efektivnost kovalentní imobilizace nanočástic stříbra pomocí navržené metody. Vlevo - nemodifikovaný granulát; uprostřed - granulát s imobilizovaným nanostřibrem (žluto-oranžové zabarvení je charakteristické pro nanočástice stříbra velikosti desítek nm); vpravo - detail nanočástic Ag o velikosti ca 30 nm na povrch granulátu a obr. 6 znázorňuje SEM snímek nanočástic Ag kovalentně imobilizovaných na povrchu grafenu pomocí navržené dvou-krokové metody.

Příklady provedení vynálezu

Způsob imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty pomocí polyethyleniminu jako adhesního a redukčního pojivá bude vysvětlen na jednotlivých příkladech jeho provedení. Je nasnadě, že níže uvedené příklady jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto vynálezu.

Příprava kompozitního materiálu na bázi substrát - polymemí linker nanočástice stříbra, které jsou kovalentně imobilizované, spočívá ve dvou krocích. V prvním kroku je zvolený substrát modifikovaný polyethyleniminem (PEI) s větvenou strukturou prostým namočením zvoleného substrátu do lázně vodného roztoku tohoto polymeru. Polymer díky excelentním adhesním vlastnostem vytváří tenkou a kompaktní vrstvu pevně vázanou k povrchu substrátu. Jeho nadbytek je z povrchu substrátu následně, po jeho vyjmutí z lázně, opláchnut destilovanou vodou. Takto

- 7 ·

PEI modifikovaný substrát je ve druhém kroku ponořen do roztoku stříbrné soli, kdyŤ dochází vlivem redukčních vlastnosti -NH a -NH2 funkčních skupin polymeru k tvorbě nanočástic, které zůstávají kovalentně imobilizovány k primárně vytvořené adhesivní PEI vrstvě polyethyleniminu.

Skutečnost, že dochází k redukčnímu efektu funkčních skupin PEI a že není potřeba externích redukčních činidel pro navrženou imobilizační metodu je jasně patrná z UV/VIS spektra na obr. 1, kdy pozorovaný absorpční pík v oblasti okolo 400 nm je charakteristický pro tvorbu nanočástic Ag. Skutečnost, že dochází ke kovalentní imobilizaci lze ilustrovat Ramanovským spektrem kompozitu na obr. 2, kdy v oblasti 245 cm'¹ se objevuje pík odpovídající vazbě Ag-N svědčící o kovalentním charakteru interakce nanočástic s polymerním pojivém. Skutečnost, že metoda dovoluje imobilizaci ultramalých částic s úzkou velikostní distribucí, demonstrují snímky z elektronového mikroskopu na obr. 3 a 4 (vlevo). Homogenní rozložení částic na povrchu obou substrátů bez jakýchkoliv náznaků vzniku větších agregátů jasně prokazuje kovalentní imobilizaci bez nutnosti použiti externího stabilizátoru. Jak v případě PEI-Ag modifikované netkané textilie, tak v případě PEI-Ag modifikovaného polyesterového filtračního vlákna nedocházelo při zátěžových mechanických testech (opakované mechanické tření ve vodném prostředí) k uvolňování nanočástic do systému, jak potvrdila UV/VIS spektra roztoků po odstranění vláken, kde absentoval povrchový plazmon - tj. absorpční pík v oblasti 400 nm odpovídající přítomnosti nanočástic. Univerzálnost metody lze demonstrovat i kovalentní imobilizaci nanočástic Ag na povrchu polymethylmethakrylatového plastového granulátu. Zbarvení PEI-Ag modifikovaného povrchu na obr. 5 uprostřed je typické pro tvorbu nanočástic Ag, což potvrzuje i snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu (vpravo). Metoda je použitelná i pro imobilizaci na povrchu nanostříbra na povrch 2D nanostruktur, jak je vidět na obr. 6, demonstrujícím homogenní rozložení nanočástic Ag kovalentně imobilizovaných na povrchu grafenového listu, který byl v prvním kroku modifikován PEI s větvenou strukturou.

Průmyslová využitelnost

Dvoukroková kovalentní imobilizace nanočástic stříbra pomocí PEI, univerzálně použitelná na jakékoliv pevné substráty, je velmi dobře aplikovatelná především v oblastech, kde je nutná prevence mikrobiální kolonizace povrchu bez rizika · : :

« · ···« * · · · · · 1 · · uvolňování nanočástic stříbra do prostředí. Jedná se především o antibakteriální a antifungální povrchovou úpravu materiálů a prostředků používaných v medicíně, filtračních materiálů, nanomateriálů a jiných materiálů, které vyžadují desinfekční ošetřeni (např. antibaketriální úpravy povrchu katetrů, chirurgických nití, filtračních vláken, nanomateriálů a jiných materiálů používaných v lékařství a desinfekčních aplikacích).

- 9 - -: · : :

ι » I J ι & ; i i 4 ) · · « ·

Literatura

Dallas P., Zbořil R., Bourlinos A.B., Jancik D., Niarchos D., Panacek A., Petridis D. Comet-like phosphotriazine/diamine polymer as reductant and matrix for the synthesis of silver nanocomposites with antimicrobial activity, Macromol. Mater. Eng., 295(2010) 108-114.

Fernández A., Picouet P., Lloret E. Cellulose-silver nanoparticle hybrid materials to control spoilage-related microflora in absorbent pads located in trays of freshcutmelon. Int. J. Food. Microbiol. 142 (2010) 222 - 228.

Kong H., Jang J. Antibacterial Properties of Novel Polyfmethyl methacrylate) Nanofiber Containing Silver Nanoparticles. Langmuir 24 (2008) 2051 - 2056.

Liao Y., Wang Y., Feng X., Wang W., Xu F., Zhang L. Antibacterial surfaces through dopamine functionalization and silver nanoparticle immobilization. Mater. Chern. Phys. 121 (2010) 534 - 540.

Nadagouda M.N., Varma R.S. Synthesis of Thermally Stable Carboxymethyl Cellulose/Metal Beiodegradable Nanocomposites for Potential Biological Applications. Macromolecules 8 (2007) 2762 - 2767.

Panacek A., Kvítek L., Prucek R., Kolar M., Večeřova R., Pizurova N., Sharma V.K., Nevecna T., Zbořil R. Silver Colloid Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Their Antibacterial Aktivity. J. Phys. Chern. B, 110 (2006)16248-16253.

Panacek A., Kolar M., Večeřova R., Prucek R., Soukupova J., Kryštof V., Hamal P., Zbořil R., Kvítek L. Antifungal activity of silver nanoparticles against Candida spp. Biomaterials 30 (2009) 6333 - 6340.

Perkas N., Amirian G., Dubin sky S., Gazit S., Gedanken A. Ultrasound-Assisted Coating of Nylon 6,6 with Silver Nanoparticles and Its Antibacterial Activity. J. Appl. Polymer. Sci. 104 (2007) 1423 - 1430.

Samir M.A.S.A., Alloin F., Gorecki W., Sanchez J.-Y., Dufresne A. Nanocomposite Polymer Electrolytes Based on Poly(oxyethylene) and Cellulose Nanocrystals. J. Phys. Chern. B 108 (2004) 10845 - 10852.

Shah M.S.A.S., Nag M., Kalagara T., Singh S., Manorama S.V. Silver on PEGPU-TiO₂ Polymer Nanocomposite Films: An Excellent System for Antibacterial Applications. Chern. Mater. 20 (2008) 2455 - 2460.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty, vyznačující se tím, že spočívá ve dvou krocích, kdy v prvním kroku je zvolený substrát modifikován polyethyleniminem (PEI) s větvenou strukturou prostým namočením zvoleného substrátu do lázně tvořené vodným roztokem tohoto polymeru, načež je jeho nadbytek z povrchu substrátu po jeho vyjmutí z lázně opláchnut, poté je takto PEI modifikovaný substrát ve druhém kroku ponořen do roztoku stříbrné soli, kdy dochází vlivem redukčních vlastností -NH a -NH2 funkčních skupin polymeru k tvorbě nanočástic, které zůstávají kovalentně imobilizovány k primárně vytvořené adhesivní PEI vrstvě polyethyleniminu.
2. Způsob imobilizace nanočástic stříbra na pevné substráty podle nároku 1, vyznačující se tím, že oplach je proveden destilovanou vodou.