RU2807778C1 - Способ получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технологии приготовления бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания, в частности. Бактерицидные материалы для средств защиты органов дыхания получают на основе металлорганического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и фильтрующих изделий. Обработку фильтрующих изделий из природных и синтетических тканых и нетканых материалов проводят реакционным раствором, содержащим соль меди и бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту в присутствии смешанного растворителя, содержащего воду. В качестве соли меди используют нитрат меди формулы Cu(NO₃)₂×3H₂O при концентрации 10-30 ммоль/л. В качестве растворителя используют смесь воды и изопропанола при объемном соотношении 1:3, соответственно. Бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту используют при концентрации 5-15 ммоль/л. Процесс обработки проводят в условиях СВЧ-активации при излучении мощностью до 200 Ватт и частотой 2,45 ГГц при температуре 80°С в течение 10 минут. Обеспечивается упрощение процесса и сокращение продолжительности его проведения. 2 ил., 1 табл., 8 пр.

Description

Изобретение относится к технологии приготовлению бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания (СИЗОД), в частности, к способу получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания на основе металлорганического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 ((Cu₃(btc)₂, btc=бензол-1,3,5-трикарбоксилат), образованного ионами Cu²⁺ и бензол-1,3,5-трикарбоксилатными линкерами и различных природных и синтетических тканых и нетканых фильтрующих изделий, таких как вата, марля, ткань хлопковая, полипропиленовая, полиэфирная, хлоропреновая и медицинские маски различных типов.

Продолжающаяся пандемия SARS-CoV-2 (COVID-19) продемонстрировала возможность резкого повышения потребности в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД). В условиях отсутствия эффективных мер профилактики и лечения заболевания, ношение лицевых масок было рекомендовано ВОЗ наряду с другими противоэпидемическими мероприятиями, такими как социальная дистанция, самоизоляция, ограничение транспортного сообщения, дезобработка поверхностей и др. Анализ данных о влиянии использования масок на распространение SARS-CoV-2 демонстрирует, что эта мера, несмотря на сравнительно небольшое уменьшение риска заражения для отдельного человека, оказывает существенное позитивное влияние на эпидемиологическую обстановку в целом [Worby С., Chang Н. Face mask use in the general population and optimal resource allocation during the COVID-19 pandemic // Nat. Commun. 2020. Vol.11. P. 4049. 10.1038/s41467-020-17922-х].

Высокий спрос на одноразовые маски, а также рекомендации по длительности их использования (2-4 ч) привели к накоплению огромного объема отходов. Вместе со стоками использованные маски могут попадать в водоемы, что оказывает существенное влияние на экосистему. Под действием внешних факторов происходит разрушение масок с образованием биотоксичного микропластика [Crisafl F., Smedile М., Yakimov F., et all. Bacterial biofilms on medical masks disposed in the marine environment: a hotspot of biological and functional diversity // Sci. T. Total Env. 2022. 837. 155731. 10.1016/j.scitotenv.2022.155731].

Ажиотажный спрос на средства индивидуальной защиты в период пандемии, а также риски загрязнения окружающей среды, привели к широкому распространению многоразовых масок, либо к использованию одноразовых масок в качестве многоразовых. В качестве материалов для изготовления многоразовых масок обычно используют такие материалы как ткани на основе хлопкового, полиэфирного, полипропиленового, нейлонового волокон, а также полимерные нетканые материалы. В отличие от одноразовых медицинских масок (эффективность которых достигает 90%), такие многоразовые СИЗОД, не имеют статического заряда волокон, и их эффективность существенно снижена (до 20% и менее). [Prata J., Silva А., Duarte A. et. al. Public Safety or Environmental Disaster? // Environments 2021. Vol.8 P. 31. 10.3390/environments8040031]. Тем не менее, даже кустарные маски из однослойного текстильного волокна способны задерживать значительную часть аэрозольных частиц размеров 10 мкм и более, которые вносят основной вклад в передачу минимальной инфицирующей дозы вируса [Konda A., Prakash A., Moss G. et all. Aerosol Filtration Efficiency of Common Fabrics Used in Respiratory Cloth Masks // ACS Nano. 2020. Vol.14(5) P. 6339-6347. doi: 10.1021/acsnano.0c03252.].

Важным фактором, обуславливающим целесообразность использования многоразовых СИЗОД, является их бактерицидность. Влажность и наличие органического вещества делает СИЗОД благоприятной средой для развития бактерий. Даже спустя 8 часов после прекращения использования не наблюдается значительного снижения численности бактерий на поверхности одноразовых медицинских масок. С выдыхаемым воздухом бактерии уносятся в окружающую среду. В случае распространения бактериальной инфекции использование таких СИЗОД может быть не только бесполезным, но и опасным [Libei Н., Siyu X., Zhaoyu W. Et all. Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask. // ACS Nano. 2020. Vol.14 (9). P. 12045-12053 10.1021/acsnano.0c05330]. Таким образом, разработка способов бактерицидной обработки СИЗОД является, несомненно, актуальной.

Для придания бактерицидности СИЗОД традиционно используют модифицирование их поверхности благородными металлами, оксидами меди, титана, графеном. Бактерицидность может достигаться за счет денатурации бактериальных белков ионами металлов, за счет разрушения бактериальным мембран либо за счет гидрофобности. Недостатком использования благородных металлов и графена является их высокая стоимость, в свою очередь, наночастицы оксидов меди и титана склонны к агрегации и демонстрируют недостаточную эффективность [Hong Z., Zhaoran Z., Jing L. Et all. Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances // ACS Nano. 2020. Vol.14 (5). P. 6213-6221. 10.1021/acsnano.0c02250].

Наиболее распространен способ модифицирования материалов СИЗОД ионами или наночастицами серебра. Известно большое количество публикаций и патентов, сущность которых сводится к обработке материалов СИЗОД растворами солей серебра в воде или органических растворителях с последующим восстановлением наночастиц серебра, либо его осаждением в виде хлорида либо, реже, сульфида [CN 2613274Y, CN 102872653 В, CN 1043 89038А и др.]. Такие материалы демонстрируют отличные антибактериальные свойства при весовом содержании серебра в диапазоне 0.1-5%, однако при их использовании в СИЗОД существует риск уноса серебра в легкие, что ведет к развитию у человека аргиоза - заболевания обусловленного необратимым накоплением в организме наночастиц серебра [Yin I., Zhang J., Zhao I. et all. The Antibacterial Mechanism of Silver Nanoparticles and Its Application in Dentistry. // Int. J. Nanomedicine. 2020. Vol.15. P. 2555-2562. 10.2147/IJN.S246764].

Перспективным классом веществ для получения бактерицидных материалов на основе различных натуральных и синтетических тканей для СИЗОД, являются металл-органические каркасы (МОК) - относительно новый класс нанопористых координационных полимеров, образованных из ионами металлов и органическими молекулами - линкерами [Batten R., Champness R., Chen. X. et al. Terminology of metal-organic frameworks and coordination polymers // Pure Appl. Chem. 2013. Vol.85. P. 1715-1724.]. Многие металл-органические каркасы обладают выраженными антибактериальными свойствами. В этом случае, обычно реализуется сразу несколько механизмов антибактериальной активности, среди которых денатурация белков, механическое повреждение мембран, гидрофобное разрушение липидных мембран, окислительный стресс. Разнообразие механизмов антибактериальной активности позволяет использовать материалы MOF для подавления развития микроорганизмов самых разных типов, включая грамположительные и грамотрицательные бактерии, грибки, простейшие [Shen М., Forghani F., Kong X., et al. Antibacterial applications of metal-organic frameworks and their composites // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2020. Vol.1. P. 1-23. 10.1111/1541-4337.12515].

Наиболее доступный подход для изготовления указанных бактерицидных материалов предполагает нанесение предварительно синтезированного каркаса HKUST-1, образованного ионами Cu²⁺ и бензол-1,3,5-трикарбоксилатными линкерами, на тканый или нетканый образец путем механического переноса из суспензии в растворителе. Бактерицидные материалы, приготовленные таким образом, проявляют умеренную антибактериальную активность. Их недостатком является слабая связь каркаса с текстильным материалом, что делает возможным его нежелательное удаление с поверхности маски в процессе эксплуатации [Wei L., Jiawei L., Weiqiang Z. et all. Facile preparation of antibacterial MOF-fabric systems for functional protective wearables // SmartMat. 2021. Vol.1. P. 1-12. 10.1002/smm2.1046]

Известен способ получения бактерицидных материалов на основе металл-органического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и текстильного волокна из шерсти путем ее обработки в растворе нитрата меди и бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты (H₃btc) в N,N-диметилформамиде (ДМФА) при температуре 85°С в течение 24 ч. Достоинством способа является высокая антибактериальная активность получаемых материалов, к недостаткам стоит отнести высоких расход дорогостоящего и токсичного растворителя ДМФА, а также продолжительность процесса. Способ не является универсальным и не может быть применим для средств защиты органов дыхания (СИЗОД), в частности, для медицинских масок, так как ДМФА является токсичным растворителем и при этом взаимодействует со входящими в состав СИЗОД компонентами и вызывает изменение механических свойств входящих в их состав волокон [Lis М., Caruzi В., Gil G. et all. In-Situ Direct Synthesis of HKUST-1 in Wool Fabric for the Improvement of Antibacterial Properties // Polymers. 2019. Vol.11. P. 713. 10.3390/polyml 1040713].

По аналогичной причине, к созданию бактерицидных материалов не может быть применен одностадийный метод, описанный в работе [Н.Е. Emam et al. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 165 (2018) 219-228. https://doi.org/10.1016/i.colsurfb.2018.02.0281 для тканей на основе полиэфирного волокна и нейлона.

Также известен двухстадийный способ получения бактерицидного материала, содержащей металл-органический каркас HKUST-1 на маске-респиратор. Полученный на первой стадии каркас HKUST-1 и полиакриловую кислоту в качестве связующего для обеспечения адгезии растворяют в этаноле. Образованную суспензию наносят на коммерчески доступный респиратор. Полученные бактерицидные материалы содержат металл-органический каркас HKUST-1 в количестве 5-40 мас. % [Wei L., Jiawei L., Weiqiang Z. et all. Facile preparation of antibacterial MOF-fabric systems for functional protective wearables // SmartMat. 2021. Vol.1. P. 1-12. 10.1002/smm2.1046] Недостатком этого способа является необходимость проведения двухстадийного процесса, а также использование связующего - полиакриловой кислоты, что приводит к повышению расходов на проведение процесса и.

Известен, и выбранный в качестве прототипа, способ получения бактерицидного материала на основе металл-органического каркаса HKUST-1 и целлюлозного волокна, в рамках которого целлюлозное волокно последовательно обрабатывается водным раствором ацетата меди (концентрация 200 ммоль/л) и раствором бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты (источник бензол-1,3,5-трикарбоксилатного линкера) в этаноле (концентрация 100 ммоль/л) при объемном соотношении воды и этанола 2:1. Влажное целлюлозное волокно извлекают из раствора и сушат (105°С, 24 ч). [Chen W., Xueren Q., Xianhui A. In situ green preparation and antibacterial activity of copper-based metal-organic frameworks/cellulose fibers (HKUST-1/CF) composite // Cellulose. 2015 Vol.22(6) P. 3789-3797]. За счет использования полярного растворителя этанола в известном способе происходит низкая смачиваемость полимерных волокон реакционным раствором, содержащим смесь воды и этанола. Такое неполное смачивание непригодно для получения бактерицидных материалов на основе синтетических гидрофобных изделий, включая медицинские маски. Кроме этого, известный способ является двухстадийным и требует продолжительного времени проведения процесса (24 часа).

Технической задачей настоящего изобретения является разработка универсального способа получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания на основе металл-органического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и различных природных и синтетических тканых и нетканых фильтрующих изделий/волокон, отличающихся высокой однородностью и упрощения процесса его проведения.

Поставленная техническая задача достигается предложенным способом получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания на основе металл-органического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и фильтрующих изделий, и отличающийся тем, что обработку фильтрующих изделий из природных и синтетических тканых и нетканых материалов проводят реакционным раствором, содержащим соль меди и бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту в присутствии смешанного растворителя, содержащего воду, в качестве соли меди используют нитрат меди формулы Cu(NO₃)₂×3H₂O при концентрации 10-30 ммоль/л, а в качестве растворителя используют смесь воды и изопропанола при объемном соотношении 1:3, соответственно, при этом бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту используют при концентрации 5-15 ммоль/л, и процесс обработки проводят в условиях СВЧ-активации при излучения мощностью до 200 Ватт и частотой 2,45 ГГц при температуре 80°С в течение 10 минут.

Использование в качестве растворителя смеси воды и изопропанола при объемном соотношении 1:3 позволяет достичь быстрого и полного смачивания различных гидрофобизированных материалов для СИЗОД, в том числе, полипропиленовых нетканых материалов, при этом пропитка изделия комбинированным реакционным раствором происходит в одну стадию.

Одностадийный метод формирования бактерицидного покрытия in-situ более предпочтителен с точки зрения экономичности, эффективности, энергосбережения и упрощенного проведения процесса.

В качестве источника Cu²⁺ в предлагаемом способе используют нитрат меди тригидрат формулы Cu(NO₃)₂×3H₂O из-за его более высокой растворимости в смеси воды и изопропанола при объемном соотношении 1:3. Использование низкой концентрации реагентов в объединенном растворе позволяет достичь однородности бактерицидных материалов.

Использование этой системы растворителей не является очевидным, так как в литературе не имеется примеров синтеза металл-органического каркаса HKUST-1 в среде изопропанола, а число примеров получения других материалов МОК крайне ограничено. В свою очередь, ДМФА, распространенный растворитель для синтеза МОК, не может применяться для решения поставленной задачи, так как взаимодействует со входящими в состав СИЗОД компонентами.

Применение СВЧ-излучения является хорошо зарекомендовавшим себя методом для получения материалов МОК, который позволяет значительно снизить продолжительность процесса, а также контролировать размер частиц целевого продукта и повысить его выход. В литературе имеются единичные примеры использование СВЧ-метода для получения композитных материалов на основе MOF. Предлагаемый способ получения бактерицидных материалов на основе металл-органических каркасов и тканых и нетканых натуральных и синтетических изделий является первым, в котором применен метод СВЧ-активации реакционной массы.

В предлагаемом способе, в качестве материала МОК - компонента получаемых бактерицидных материалов - предложен каркас HKUST-1 на основе ионов Cu²⁺ и бензол-1,3,5-трикарбоксилатных линкеров. Каркас обладает выраженной антибактериальной активностью, так на его поверхности при 20 минутной экспозиции погибает более 99.7% бактерий S. Aureus и Е. Coli. Композиты HKUST-1 с текстильными материалами, такими как целлюлозное и полиэфирное волокно, шерсть при содержании каркаса уже в 1 вес. % полностью подавляют рост бактерий. Прочное связывание ионов меди в структуре каркаса делает его значительно менее токсичным, по сравнению с другими соединениями меди [Yiwei L., Luyi Z., Ying D. et all. Recent developments on MOF-based platforms for antibacterial therapy // RSC Med. Chem. 2021. Vol. 12. P. 915-928 10.1039/D0MD00416B] Все это обуславливает актуальность разработки способов получения бактерицидных материалов на основе тканых и нетканых материалов различного вида, включая СИЗОД и металл-органического каркаса HKUST-1.

Пример 1. 0.8 ммоль (194 мг) Cu(NO₃)₂⋅3Н₂O растворяют в 10 мл деионизированной воды, 0.4 ммоль (84 мг) бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты растворяют в 30 мл изопропанола, затем растворы объединяют и перемешивают. Полученной реакционной смесью обрабатывают одноразовую медицинскую маску (ТУ 9398-001-64015714-2010 100% полипропилен СМС) весом 2.011 г в условиях СВЧ-активации реакционной массы (200 Вт, 2,45 ГГц, 10 мин, 80°С). После завершения синтеза маску промывают изопропанолом (2x20 мл), водой (2x20 мл) и сушат на воздухе (60°С, 1 ч).

Пример 2. Нанесение металл-органического каркаса проводят аналогично примеру 1, но в качестве материала СИЗОД используют фрагменты многоразовой двухсторонней хлопковой маски общим весом 1.121 г, объем реакционного раствора - 20 мл.

Пример 3. Аналогично примеру 1, но в качестве материала СИЗОД используют фрагменты многоразовой неопреновой маски общим весом 0.981 г, объем реакционного раствора - 20 мл.

Пример 4. Аналогично примеру 1, но в качестве материала СИЗОД используют бинт марлевый медицинский (ТУ 9393-004-10715071-2014 100% хлопок) общим весом 1.091 г, объем реакционного раствора - 20 мл.

Пример 5. Аналогично примеру 1, но в качестве материала СИЗОД используют вату медицинскую стерильную общим весом 1.007 г, объем реакционного раствора - 40 мл.

Пример 6. (сравнительный) Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя, вместо смеси воды и изопропанола 1:3, используют смесь воды и ДМФА при объемном соотношении 1:1. Наблюдается разбухание отдельных элементов маски, утрата ее механических свойств.

Пример 7. (прототип) Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя, вместо смеси воды и изопропанола при объемном соотношении 1:1, используют смесь воды и этанола 1:4, аналогично прототипу. Неполное смачивание маски приводит к крайне неоднородному покрытию на основе металл-органического каркаса поверхности бактерицидного материала. Пример 8 (сравнительный). Нанесение металл-органического каркаса проводят аналогично примеру 1, но концентрация нитрата меди составляет 100 ммоль/л, бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты - 50 ммоль/л. Количество нанесенного на материал СИЗОД каркаса HKUST-1 определяют исходя из веса образца до и после обработки по следующей формуле.

Где ω (%) - массовая доля каркаса HKUST-1 нанесенного на материал СИЗОД, m₁ - масса образца материала СИЗОД до обработки, m₂ - масса образца материала СИЗОД после обработки.

На Фиг. 1 приведено сопоставление дифрактограмм (Б) полученного бактерицидного материала (маски) на основе металл-органического каркаса HKUST-1 (Пример 1) с эталонной дифрактограммой образца HKUST-1 (Б), синтезированного традиционным сольвотермальным методом. Полное соответствие рефлексов на дифрактограмме маски рефлексам на теоретической дифрактограмме и их совпадение с рефлексами на эталонной дифрактограмме свидетельствует о формировании кристаллической структуры HKUST-1, а отсутствие посторонних рефлексов указывает на высокую фазовую чистоту нанесенного на материалы СИЗОВ металл-органического каркаса.

На Фиг. 2 показан внешний вид исходной маски в примере 1 до модифицирования (А) и после (Б); модифицированные СИЗОД в примерах 2-5 (В-Е).

В таблице представлены условия осуществления предлагаемого способа модифицирования материалов СИЗОД по примерам 1-5, сравнительному примеру 6 и прототипу 7.

ω (%) Массовое содержание металлорганического каркаса HKUST-1 в бактерицидном материале.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ позволяет получить однородные бактерицидные материалы на основе каркаса HKUST-1 и тканых и нетканых натуральных и синтетических изделий для СИЗОД. Содержание наносимого каркаса зависит от предназначения бактерицидного материала и может варьироваться в широком диапазоне. Такое содержание достаточно для реализации бактерицидного действия каркаса HKUST-1. СВЧ-активация реакционной массы позволяет сократить продолжительность процесса до 10 минут. Использование традиционных растворителей (этанол, ДМФА) не позволяет получать бактерицидные материалы на основе каркаса HKUST-1 и тканых и нетканых натуральных и синтетических изделий для СИЗОД, удовлетворительного качества, тогда как в предлагаемом способе, при использовании смеси воды и изопропанола при объемном отношении 1:3 удается получить однородные бактерицидные материалы без потери механических свойств. Кроме того, полученный предлагаемым способом бактерицидный материал отличается высокой однородностью за счет использования низкой концентрации исходных компонентов в объединенном реакционном растворе.

Способ отличается универсальностью и подходит для всех распространенных типов природных и синтетических материалов. Применение СВЧ-активации реакционной массы также позволяет обеспечить структурную прочность получаемых материалов в процессе эксплуатации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание универсального способа получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания на основе металлорганического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и различных природных и синтетических тканых и нетканых фильтрующих изделий с высокой однородностью, позволяющего при этом значительно упростить процесс за счет сокращения продолжительности (времени) его проведения.

Claims (1)

1. Способ получения бактерицидных материалов для средств защиты органов дыхания на основе металлорганического каркаса общепринятой формулы HKUST-1 и фильтрующих изделий, отличающийся тем, что обработку фильтрующих изделий из природных и синтетических тканых и нетканых материалов проводят реакционным раствором, содержащим соль меди и бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту в присутствии смешанного растворителя, содержащего воду, в качестве соли меди используют нитрат меди формулы Cu(NO₃)₂×3H₂O при концентрации 10-30 ммоль/л, а в качестве растворителя используют смесь воды и изопропанола при объемном соотношении 1:3, соответственно, при этом бензол-1,3,5-трикарбоновую кислоту используют при концентрации 5-15 ммоль/л, и процесс обработки проводят в условиях СВЧ-активации при излучении мощностью до 200 Ватт и частотой 2,45 ГГц при температуре 80°С в течение 10 минут.