CZ28443U1 - Antibakteriální přípravek na bázi oxidu grafenu a redukovaného oxidu grafenu s obsahem nanočástic kovů a polokovů - Google Patents

Description

Technické řešení se týká přípravku nanočástic kovů a/nebo polokovů s grafen oxidem nebo redukovaným grafen oxidem, vhodného pro aplikaci na zdravotnický materiál využitelný pri prevenci nebo léčbě infekcí bakteriálního původu.

Dosavadní stav techniky

Bakteriální infekce (obzvláště Staphylococcus aureus a jeho nejčastější rezistentní forma methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus (MRSA)) představují jednu z nej závažnějších komplikací při léčbě celé řady onemocnění, jako jsou onemocnění onkologická nebo onemocnění v oblasti cévní chirurgie. Některé druhy patogenních bakterií, a to zejména MRSA jsou zodpovědné za více než polovinu všech infekcí v oblasti cévní chirurgie a jsou obecně považovány za vůbec nej častější příčinu všech infekcí.

Z hlediska využití antimikrobiálních vlastností je probádanou oblastí použití iontů kovů a ještě účinnějších nanočástic těchto kovů, doposud zejména iontů a nanočástic stříbra [Rai, M.K., et al., Silver nanoparticles: the powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria. Journal of Applied Microbiology, 2012. 112(5): p. 841-852; Unger, C. and C. Luck, Inhibitory effects of silver ions on Legionella pneumophila grown on agar, intracellular in Acanthamoeba castellanii and in artificial biofilms. Journal of Applied Microbiology, 2012. 112(6): p. 1212-1219; Li, W.R., et al., Antibacterial effect of silver nanoparticles on Staphylococcus aureus. Biometals, 2011. 24(1): p. 135-141; Choi, O., et al., The inhibitory effects of silver nanoparticles, silver ions, and silver chloride colloids on microbial growth. Water Research, 2008. 42(12): p. 3066-3074.]. Využití nanočástic selenu je doposud poměrně ojedinělé, přesto dosahující vynikajících výsledků [Tran, P.A. and T.J. Webster, Selenium nanoparticles inhibit Staphylococcus aureus growth. International Journal of Nanomedicine, 2011. 6: p. 1553-8].

Oxid grafenu (GO - graphene oxide) je podobný grafenovému listu, jedná se však o pozměněnou formu grafenu, která obsahuje na svém povrchu funkční exogenní skupiny, jejichž základem je kyslík. Jsou to hlavně karboxylové, karbonylové a epoxidové skupiny. Vyznačuje se vysokou afinitou k molekulám vody, je hydrofilní a může být tak snadno rozpuštěn ve vodě nebo jiných rozpouštědlech. Umožňuje na svůj povrch nanášet širokou škálu substrátů ve formě tenkých vrstev (filmů) nebo sítí. Této vlastnosti se využívá především v mikroelektronice. Je špatným vodičem, ale změnou chemických parametrů, jako je teplota, světlo nebo chemická redukce, jsou vlastnosti oxidu grafenu obnoveny [Veerapandian, M., et al., Synthesis, characterization and electrochemical properties of functionalized graphene oxide. Carbon, 2012. 50(11): p. 42284238]. Struktura GO není přesně známa. Rozložení funkčních skupin není pravidelné a záleží na stupni oxidace a oxidačních činidel. Hofmann a kol. navrhli několik strukturních modelů GO [Chua, C.K. and M. Pumera, Chemical reduction of graphene oxide: a synthetic chemistry viewpoint. Chemical Society Reviews, 2014. 43(1): p. 291-312.]. Existuje řada příprav GO, ale velmi často se syntetizuje podle Hummersovy metody [Hummers, W.S. and R.E. Offeman, Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc., 1958. 80(6): p. 1339-1339].

Podstata technického řešení

Předmětem předkládaného technického řešení je antibakteriální přípravek s obsahem nanočástic kovů a/nebo polokovů, který obsahuje nanočástice kovů a/nebo polokovů a komplexotvomou látku vybranou z oxidu grafenu a redukovaného oxidu grafenu.

Nanočástice kovů a/nebo polokovů jsou s výhodou vybrány ze skupiny zahrnující nanočástice stříbra, selenu, mědi, zinku, manganu a jejich směsí.

-1 CZ 28443 Ul

Tento antibakteriální přípravek nejen plní funkci antibakteriálního činidla pro eliminaci bakteriálních infekcí, ale zároveň obsahem (redukovaného) oxidu grafenu disponuje schopností snadného a pevného přilnutí na zdravotnický materiál, u něhož jsou žádoucí antibakteriální vlastnosti.

Antibakteriální přípravek s výhodou obsahuje oxid grafenu a/nebo redukovaný oxid grafenu v množství 0,01 hmotn. % až 5 hmotn. %, a nanočástice kovů a polokovů v koncentraci 10 až 1000 μΜ. Kromě toho může obsahovat rozpouštědla (například vodu), redukční činidla, stabilizátory, další antibakteriální činidla a/nebo jiné pomocné látky.

Antibakteriální přípravek se připraví smícháním oxidu grafenu s vodným roztokem vodorozpustné soli obsahující ionty stříbra, selenu, manganu, mědi nebo zinku. Poté se tento roztok ío solí kovů nebo polokovů s oxidem grafenu ponechá reagovat po dobu 24 hodin za stálého míchání, přičemž v průběhu této doby se přidá redukční činidlo. Při přípravě tohoto přípravku dochází nejprve k vytvoření komplexu iontů kovů nebo polokovů s oxidem grafenu, a později dochází k redukci iontů kovů nebo polokovů na nanočástice za tvorby nanokompozitu (redukovaného) grafen oxidu a nanočástic kovů a/nebo polokovů. Redukce probíhá v neutrálním až zása15 ditém prostředí. Jako redukční činidlo se výhodně použije tetrahydridoboritan sodný.

Antibakteriální přípravek podle předkládaného technického řešení se snadno aplikuje na zdravotnický materiál a výhodně jej lze použít ve zdravotnictví pri prevenci nebo léčbě bakteriálních infekcí. Tento přípravek díky svým antimikrobiálním vlastnostem brání uchycení a množení mikroorganismů zodpovědných za vznik infekce. Kombinace nanočástic kovů nebo polokovů s (redukovaným) oxidem grafenu znamená zvýšení antibakteriální účinnosti. Zdravotnickým materiálem může být zejména obvazový materiál, krycí textilie pro převazy infekčních ran, apod.

Technické řešení je dále popsáno pomocí příkladů provedení, které však žádným způsobem neomezují rozsah nároků na ochranu.

Objasnění výkresu

Obr. 1: Znázorňuje výsledky testu antibakteriálních účinků přípravku rGO Se (sledován růst bakterií v čase, na ose x je vynesen čas, na ose y je vynesena absorbance) podle příkladu 4. Příklady uskutečněni technického řešení

Příklad 1

Příprava testovaných komponent (oxidu grafenu a přípravků s nanočásticemi kovů a polokovů)

Oxid grafenu

Do ledové lázně byla dána kádinka o objemu 500 ml, do které je nalito 46 ml koncentrované H2SO4. Za stálého míchání byly přidány 2 g grafenu, 1 g NaNO₃ a 6 g KMnO4. Směs byla míchána 24 h. Poté byly opatrně přidávány malé objemy vody. Konečný objem byl 400 ml. Následně byl přidáván 3% H₂O₂ do jasně žlutého zbarvení. Poté následovala dekantace a doplňování vody. Purifikace probíhala týden. Nakonec byl oxid grafenu v objemu 300 ml.

V dalším textu „rGO“ znamená redukovaný oxid grafenu. rGO Ag

Do 20 ml suspenze oxidu grafenu bylo přidáno 5 ml vodného roztoku AgNO₃ (0,85 g AgNO₃ v 10 ml H₂O) a 5 ml H₂O. Roztok byl míchán po dobu 2 hodin. Následně bylo přidáno 20 mg tet40 rahydridoboritanu sodného (NaBR). Celý roztok byl míchán po dobu 24 hodin. rGO Se

K 20 ml suspenze oxidu grafenu bylo přidáno 5 ml vodného roztoku seleničitanu sodného pentahydrátu (0,263 g/50 ml). Roztok byl míchán po dobu 2 hodin. Následně bylo přidáno 20 mg tetrahydridoboritanu sodného. Celý roztok byl míchán po dobu 24 hodin.

- 2 CZ 28443 U1 rGO Μη

K 20 ml suspenze oxidu grafenu bylo přidáno 5 ml vodného roztoku tetrahydrátu octanu manganatého (0,049 g/10 ml). Roztok byl míchán po dobu 2 hodin. Následně bylo přidáno 20 mg tetrahydridoboritanu sodného. Celý roztok byl míchán po dobu 24 hodin.

rGO Cu

K 20 ml suspenze oxidu grafenu bylo přidáno 5 ml vodného roztoku monohydrátu octanu měďnatého (1,997 g/50 ml H₂O). Roztok byl míchán po dobu 2 hodin. Následně bylo přidáno 20 mg tetrahydridoboritanu sodného. Celý roztok byl míchán po dobu 24 hodin.

rGO Zn

K 20 ml suspenze oxidu grafenu bylo přidáno 5 ml vodného roztoku octanu zinečnatého (2,195 g/50 ml). Roztok byl míchán po dobu 2 hodin. Následně bylo přidáno 20 mg tetrahydridoboritanu sodného. Celý roztok byl míchán po dobu 24 hodin.

Příklad 2

Nanesení přípravku obsahujících nanočástic kovů nebo polokovů na povrch zdravotnického materiálu

Nanokompozitní materiál připravený dle příkladu 1 lze zároveň nanášet na povrch zdravotnického materiálu. Přítomnost redukovaného oxidu grafenu v přípravku dává možnost nanášení na povrch zdravotnického materiálu, jako jsou různé druhy obvazového materiálu, krycích textilií pro převazy infekčních ran, na kterých materiál po nanesení ulpívá.

Příklad 3

Antibakteriální účinky

Porovnání efektu přípravku nanočástic selenu s redukovaným oxidem grafenu na nerezistentní bakteriální kulturu Staphylococcus aureus (S. aureus), methicilin rezistentní kmen Staphylococcus aureus (MRSA) a Escherichia coli (E. coli) bylo provedeno metodou stanovení velikosti inhibiěních zón. Naředěná bakteriální kultura Staphylococcus aureus, methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus nebo Escherichia coli je v celkovém objemu 3,1 ml (3 ml kultivačního Luria Bertani media a 100 μΐ bakteriální kultury) očkována na Luria Bertani agar v Petriho misce. Kruhové disky z filtračního papíru (0 1 cm) pokryté testovanými komplexy jsou umístěny na misku s bakteriální kulturou vždy paralelně po dvou křížovým způsobem. Takto připravené misky jsou inkubovány po dobu 24 hodin v termostatu při 37 °C. Po 24 hodinách jsou změřeny vzniklé inhibiční zóny vytvořené kolem kruhových disků z filtračního papíru, velikost inhibiěních zón značí účinnost komplexu na bakteriální kmen:

Přípravek	Bakterie	Inhibiční zóna [mml
rGO Zn	S. aureus	2
rGOZn	S. aureus (MRSA)	3
rGO Zn	E. coli	12
rGO Ag	S. aureus	1
rGO Ag	S. aureus (MRSA)	2
rGO Ag	E. coli	11
rGO Se	S. aureus	1
rGO Se	S. aureus (MRSA)	1
rGO Se	E. coli	13
rGO Cu	E. coli	20
rGO Mn	S. aureus	5
rGO Mn	S. aureus (MRSA)	3
rGO Mn	E. coli	3

Příklad 4

Antibakteriální účinky přípravku rGO Se

Bakteriální kultura Staphylococcus aureus, methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus a Escherichia coli je naředěna na absorbanci 0,1 AU a napipetována do jamek mikrotitrační destičky v objemu 250 μΐ s přídavkem 50 μΐ různých koncentrací testovaných přípravků redukovaného oxidu grafenu s nanočásticemi selenu jako nanočásticemi s nej vyšším antibakteriálním efektem na bakteriální kultury. Finální objem vzorku v jamce je tak 300 μΐ, což je právě maximální objem jamky mikrotitrační destičky. Takto připravené vzorky jsou inkubovány a měřeny po dobu 24 hodin a při 37 °C na přístroji Multiskan EX, na kterém je po půlhodinových intervalech zaznamenávána hodnota absorbance (AU). Porovnány jsou účinky jednotlivých koncentrací nanočástic selenu ve srovnání s kontrolou. Výsledky jsou uvedeny na Obr. 1.

Průmyslová využitelnost

Přípravky obsahující nanočástice kovů nebo polokovů s redukovaným oxidem grafenu lze po aplikaci na vhodný zdravotnický materiál využít z hlediska jejich antibakteriální aktivity s využitím v léčbě a prevenci závažných bakteriálních infekcí. Jednoduchost provedení výsledného produktu, například v podobě krycího materiálu s naneseným přípravkem nanočástic kovů nebo polokovů s redukovaným oxidem grafenu umožňuje využití tohoto produktu v běžné nemocniční praxi nebo domácím ošetření při léčbě ran. Produkty s nanesenými přípravky jsou jednorázově využitelné, sterilně zabalené, vhodné pro okamžité, rychlé a snadné použití.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Antibakteriální přípravek s obsahem nanočástic kovů a/nebo polokovů, vyznačující se tím, že obsahuje nanočástice kovů a/nebo polokovů a komplexotvomou látku vybranou z oxidu grafenu a redukovaného oxidu grafenu.
2. 2. Antibakteriální přípravek podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanočástice kovů a/nebo polokovů jsou vybrány ze skupiny zahrnující nanočástice na bázi stříbra, selenu, mědi, zinku, manganu a jejich směsí.
3. 3. Antibakteriální přípravek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že komplexotvomá látka je přítomna v množství 0,01 hmotn. % až 5 hmotn. % a nanočástice kovů jsou přítomny v koncentraci 10 až 1000 μΜ.
4. 4. Zdravotnický materiál, vyznačující se tím, že obsahuje antibakteriální přípravek podle kteréhokoliv z předcházejících nároků.
5. 5. Zdravotnický materiál podle nároku 4, vyznačující se tím, že je vybrán z obvazového materiálu nebo krycích textilií pro převazy infekčních ran nebo je ve formě postřiku.

   2 výkresy