PL221411B1

PL221411B1 - Hybrydowy materiał zawierający nanocząstki srebra, sposób wytwarzania materiału hybrydowego oraz jego zastosowanie

Info

Publication number: PL221411B1
Application number: PL395002A
Authority: PL
Inventors: Szczepan Zapotoczny; Maria Bulwan; Maciej Długosz; Maria Nowakowska
Original assignee: Univ Jagiellonski
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2016-04-29
Also published as: WO2012161603A3; WO2012161603A2; PL395002A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest działający bakteriobójczo i bakteriostatycznie oraz grzybobójczo i grzybostatycznie materiał hybrydowy, zawierający nanocząstki srebra (nAg) umieszczone w matrycy i sposób wytwarzania takiego materiału, jak również jego zastosowanie.

Zawiesina nanocząstek srebra (nAg) jest dość dobrze znanym materiałem antybakteryjnym i bakteriostatycznym wykorzystywanym na szeroką skalę w różnych gałęziach przemysłu. Działanie bakteriobójcze/bakteriostatyczne nAg to głównie działanie na poziomie komórkowym. Niewielki rozmiar nAg umożliwia im mechaniczne niszczenie błony komórkowej, co powoduje powstawanie „dziur” w ich strukturze, ale przede wszystkim działanie bakteriobójcze wiąże się z uwalnianiem z powierzchni nAg jonów Ag⁺, które łączą się z szeregiem ujemnie naładowanych cząsteczek w komórce, w tym DNA, RN A, skutecznie zaburzając procesy życiowe drobnoustrojów (Feng, Q.L., Wu, J., Chen, G.Q., Cui, F.Z., Kim, T.N., Kim, J.O. „A mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions on Escherichia coli and Staphylococcus aureus” Journal of Biomedical Materials Research 52 (2000) 662-668;

Yamanaka, M., Hara, K., Kudo, J. „Bactericidal Actions of a Silver Ion Solution on Escherichia coli, Studied by Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy and Proteomic Analysis” Applied And Environmental Microbiology 71 (2005) 7589-7593). Zaobserwowano, iż nAg o mniejszych rozmiarach generują więcej Ag⁺ (Sotiriou, G. A., Pratsinis, S. E. „Antibacterial activity of nanosilver ions and particles”, Environmental Science and Technology, 2010, 44, 5649-5654). Ponadto agregacja powoduje spadek właściwości bakteriobójczych nAg.

W literaturze znaleźć można niewiele danych na temat bezpośredniego zagrożenia nAg dla organizmu człowieka i dla środowiska. Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż Ag jest metalem ciężkim, można oczekiwać, że jony Ag⁺ będą, na poziomie komórkowym, wykazywały reaktywność podobną do tej obserwowanej w komórkach bakterii/grzybów (reakcje jonów Ag⁺ z DNA, grupami tiolowymi w białkach itp., prowadzące do dezaktywacji tych struktur). Dodatkowo nanocząstki nAg ze względu na swój rozmiar mogą z łatwością pokonywać bariery wewnątrz organizmu, odkładać się w płucach i innych organach, powodując stany zapalne. Problem ten został zauważony i stopniowo wprowadza się regulacje dotyczące bezpiecznej pracy z nAg i bezpiecznego stężenia w bezpośrednim otoczeniu człowieka (Weier, F.W. „Health hazard from occupational exposure to metallic copper and silver dust” American Industrial Hygiene Association Journal 40 (1979) 245-247). Potencjalne toksyczne właściwości blokują bezpośrednie biomedyczne zastosowania nAg (biosensory, bioobrazowanie). Dlatego też podejmuje się próby zabezpieczania nAg poprzez otaczanie ich polimerami syntetycznymi (np. poliwinylopirolidon), polimerami naturalnymi (np. polisacharydy), silanami czy surfaktantami (Sotiriou, G.A., Sannomiya, T., Teleki, A., Krumeich, F., Voros, J., Pratsinis, S.E. „Non-Toxic Dry-Coated Nanosilver for Plasmonic Biosensors“ Advanced Functional Materials 20 (2008) 4250-4257; Kvitek, F., Panacek, A., Soukupova, J., Kolar, M., Vecerova, R., Prucek, R. et al. „Effect of surfactants and polymers on stability and antibacterial activity of silver nanoparticles (NPs)” Journal of Physical Chemistry C 112 (2008) 5825-5834). Takie zabezpieczenia zapobiegają również agregacji nAg i jednocześnie utracie przez nAg ich bakteriobójczych właściwości.

Nanocząstki srebra wykorzystywane są powszechnie w przemyśle, w tym w tekstylnym. Niestety zastosowanie, a później eksploatacja materiału o takich właściwościach wiąże się z uwalnianiem nAg do środowiska oraz obecnością nAg w ściekach poprodukcyjnych, co może zakłócić pracę biologicznej oczyszczalni ścieków. Wstępne badania dowodzą, że w procesie oczyszczania wody zawierającej nAg (na etapie oczyszczania w osadzie czynnym) powstające z nich jony Ag⁺ przekształcają się w trudno rozpuszczalną formę siarczku srebra, która może zaburzać pracę oczyszczalni (Kim, B., Park, C.S., Murayama, M., Hochella, M.F. „Discovery and Characterization of Silver Sulfide Nanoparticles in Final Sewage Sludge Products” Environmental Science and Technology 44 (2010) 7509-7514). Dlatego istotne jest kontrolowanie uwalniania nAg z urządzeń/materiałów je zawierających.

Z publikacji Lei, M., Tang, W.H., Cao, L.Z., Li, P.G., Yu, J.G. „Effects of poly(sodium 4-styrenesulfonate) on morphology of calcium carbonate particles” Journal of Crystal Growth 294 (2006) 358-366) wiadomo, że dodatek PSS (w warunkach przeprowadzonego doświadczenia w kapsułach zawarte jest ok. 2% PSS) sprawia, że węglan wapnia krystalizuje w postaci sferycznych mikrocząstek o dużej porowatości. Mikrocząstki z węglanu wapnia były już tworzone przy udziale różnych homopolimerów i kopolimerów np. poli(styren-b-kwas akrylowy) PS-b-PAA (Li, X.; Hu, Q.; Yue, L.; Shen, J.; „Synthesis of Size-Controlled Acid-Resistant Hybrid Calcium Carbonate Microparticles as Templates for Fabricating „Micelles-Enhanced” Polyelectrolyte Capsules by the LBL Technique”, Chem. - Eur. J. 12 (2006) 5770-5778,

PL 221 411 B1 czy biopolimerów takich jak: karboksymetylochitozan (Wang, J.; Chen, J.S.; Zong, J.Y.; Zhao, D.; Li, F.; Zhuo, R.X; Cheng, S.X; „Calcium Carbonate/Carboxymethyl Chitosan Hybrid Microspheres and Nanospheres for Drug Delivery”, J. Phys. Chem. C 114 (2010) 18940-18945).

Celem wynalazku było opracowanie środka zawierającego nanocząstki srebra, o działaniu przeciwko bakteriom i grzybom o przedłużonej i kontrolowanej charakterystyce uwalniania cząstek nAg, w którym cząstki srebra będą zabezpieczone przed bezpośrednim kontaktem z otoczeniem, łatwego do przechowywania. W szczególności celem wynalazku było opracowanie środka przeznaczonego do kontaktu ze skórą człowieka.

Materiał hybrydowy według wynalazku stanowią nanocząstki srebra (nAg) umieszczone w matrycy z mikrocząstek węglanu wapnia z dodatkiem polielektrolitu. Jako polielektrolit stosuje się poli(styrenosulfonian sodu) oraz sole litowców poli(kwasu winylosulfonowego), poli(kwasu metakrylowego), karboksymetylocelulozy.

Najkorzystniej jako polielektrolit stosuje się poli(styrenosulfonian sodu), ponieważ jest silnym polielektrolitem i umożliwia kontrolę nad tworzeniem sferycznych mikrocząstek już przy stosunkowo niewielkim stężeniu.

Korzystnie materiał hybrydowy według wynalazku jest zmodyfikowany kationowo lub anionowo.

Korzystnie materiał hybrydowy jest zmodyfikowany kationowo lub anionowo przez pokrycie powierzchni co najmniej jedną warstwą polimeru jonowego. Do pokrywania powierzchni można wykorzystać zarówno polimery syntetyczne, jak i naturalne. Jako przykładowe polielektrolity kationowe można wskazać: poli(alliloaminę), poli(etylenoiminę), sole poli(winylopirydyniowe), chitozan, protaminę; jako polielektrolity anionowe można wskazać: sole poli(kwasu metakrylowego), poli(kwasu styrenosulfonowego), poli(kwasu 2-akryloamido-2-metylopropanosulfonowego), karboksymetylocelulozy, sulfonowanego dekstranu.

Sposób wytwarzania materiału hybrydowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że przeprowadza się wspomagane ultradźwiękami współstrącanie węglanu wapnia w środowisku wodnym, w obecności polielektrolitu, powodującego krystalizację związku w postaci sferycznych mikrocząstek oraz w obecności nanocząstek srebra (nAg), które nadają materiałowi właściwości bakteriostatyczne i bakteriobójcze oraz grzybostatyczne i grzybobójcze. Współstrącanie prowadzi się przez zmieszanie roztworów rozpuszczalnej soli wapnia i rozpuszczalnego węglanu zawierającego dodatek polielektrolitu oraz nanocząstek srebra (nAg), przy czym jako polielektrolit stosuje się poli(styrenosulfonian sodu) oraz sole litowców poli(kwasu winylosulfonowego), poli(kwasu metakrylowego), karboksymetylocelulozy, a współstrącanie prowadzi się w temperaturze 15-50°C.

Korzystnie stosunek jonów wapnia i jonów węglanowych wynosi 1:1. Możliwy jest także inny stosunek tych jonów, jednak zbyt duży nadmiar jednej z soli może niekorzystnie wpływać na proces strącania mikrocząstek.

Korzystnie sole wapnia i węglany stosuje się w stężeniu od 0,001 M do 1 M, najkorzystniej oko-2 ło 10^-2 M. Rozmiar i skład otrzymanych mikrocząstek może być kontrolowany za pomocą odpowiednio wybranego stężenia, w wyżej wskazanym zakresie.

Stężenie polielektrolitu użytego do współstrącenia jest zależne od rodzaju tego polielektrolitu.

₃ i tak, w przypadku użycia PSS jako polielektrolitu, jego stężenie mieści się w zakresie 0,1-10 g/dm , ₃ korzystnie na poziomie 1-2 g/dm³. Dodatek PSS może się wahać w szerokim zakresie, jednak dla zachowania dobrej kontroli nad rozmiarem i kształtem mikrocząstek korzystnie jest, jeżeli stosunek molowy grup sulfonowych w polimerze do jonów wapnia nie jest mniejszy niż 1:3. Im wyższe stężenie polimeru tym lepsza kontrola parametrów otrzymywanych mikrocząstek.

Współstrącanie prowadzi się w temperaturze 15-50°C, korzystnie w temperaturze 20-25°C. Zmiana temperatury wpływa na szybkość procesu oraz skład i rozmiar otrzymywanych mikrocząstek.

Do syntezy można zastosować praktycznie dowolne rozpuszczalne w wodzie sole wapnia. Jako rozpuszczalną sól wapnia korzystnie stosuje się azotany i chlorki, najkorzystniej azotan(V) wapnia, chlorek wapnia. Jako węglany do syntezy stosuje się sole litowców, korzystnie węglany sodu, węglany potasu.

Nanocząstki srebra korzystnie stosuje się w postaci dyspersji wodnej.

Korzystnie stosuje się nanocząstki srebra otrzymane w wyniku wspomaganej ultradźwiękami redukcji jonów srebra cytrynianem trójsodowym, w środowisku wodnym, w temperaturze niższej od temperatury wrzenia wody, korzystnie od 70 do 85°C.

Najkorzystniej materiał hybrydowy według wynalazku wytwarza się w ten sposób, że do wodnego roztworu azotanu srebra dodaje się roztwór cytrynianu trójsodowego, mieszaninę poddaje się dzia4

PL 221 411 B1 łaniu ultradźwięków i ogrzewa się w czasie 10-60 minut, korzystnie w temperaturze od 70 do 85°C, po czym do tak otrzymanej dyspersji nanocząstek nAg dodaje się Na2CO3 zawierający PSS oraz Ca(NO3)2, i następnie prowadzi się strącanie wspomagane ultradźwiękami w czasie 1-20 min, najkorzystniej 5 min, w temperaturze pokojowej, po czym otrzymany roztwór odwirowuje się w celu otrzymania osadu.

Korzystnie materiał hybrydowy poddaje się modyfikacji kationowej lub anionowej.

Korzystnie modyfikację kationową lub anionową prowadzi się przez nanoszenie co najmniej jednej warstwy polimeru jonowego. Powierzchnię pokrywa się stosując np. technikę elektrostatycznej samoorganizacji warstwa-po-warstwie (naprzemienna adsorpcja polikationu i polianionu), (Decher, G.;

„Fuzzy Nanoassemblies: Toward Layered Polymeric Multicomposites”, Science, 277 (1997) 1232).

Korzystnie do pokrywania powierzchni stosuje się zarówno polimery syntetyczne, jak i naturalne.

Wynalazek obejmuje także zastosowanie materiału hybrydowego jako środka antybakteryjnego i antygrzybicznego.

Korzystnie materiał hybrydowy stosuje się do zabezpieczania roztworów i zawiesin wodnych i/lub niewodnych oraz materiałów polimerowych, takich jak lakiery, farby, materiały budowlane itp.

Korzystnie materiał hybrydowy według wynalazku jest stosowany do ochrony puchu gęsiego przed niekorzystnym wpływem mikroorganizmów. Korzystnie ochronie poddaje się puch gęsi stosowany jako wypełnienie w gotowych wyrobach, takich jak kołdry, poduszki, kurtki, kombinezony.

Materiał hybrydowy może być przechowywany w formie suchego proszku, jak i w postaci zawiesiny koloidalnej w wodzie.

Dzięki sposobowi według wynalazku węglan wapnia krystalizuje w postaci sferycznych mikrocząstek o dużej porowatości, a nAg zostają zaokludowane w strukturze tak przygotowanych mikrocząstek. Użyty podczas współstrącania polimer wpływa na krystalizację węglanu wapnia. W jego obecności węglan wapnia krystalizuje w postaci krystalicznego waterytu, który tworzy sferyczne mikrocząstki. Użycie ultradźwięków podczas wytwarzania mikrocząstek pozwala na otrzymanie układów o mniejszym rozrzucie rozmiarów (bardziej monodyspersyjne mikrocząstki). W obecności ultradźwięków powstają mniejsze mikrocząstki, które łatwiej lokują się np. w porach piór. Zastosowanie ultradźwięków wpływa również korzystnie na zwiększenie ilości nanocząstek srebra w porach mikrocząstek.

Matryca węglowa służy jako nośnik nAg i czynnik kontrolujący jego uwalnianie. Stwierdzono, że srebro jest mocno związane w kapsułach, co umożliwia długotrwałe uwalnianie nAg nawet w roztworze kwaśnym o pH = 5,4, bliskim pH zdrowej skóry człowieka.

Metoda otrzymywania nanocząstek srebra, użytych następnie do wytwarzania materiału hybrydowego, jest zmodyfikowaną metodą Lee i Meisel'a (Lee P.C., Meisel D. „Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols” Journal of Physical Chemistry 86 (1982) 3391-3395). W porównaniu z innymi metodami syntezy nAg, metoda Lee i Meisel'a jest prosta, a z uwagi na użyte materiały, mniej uciążliwa dla środowiska. Modyfikacja metody polega na zastosowaniu ultradźwięków przy redukcji jonów srebra oraz przeprowadzeniu redukcji w obniżonej temperaturze. Ultradźwięki powodują szybsze ruchy jonów i nanocząstek, co pozwala na uzyskanie bardziej monodyspersyjnego materiału. Niższa temperatura procesu sprzyja uzyskaniu monodyspersyjnej zawiesiny. Modyfikacja syntezy pozwala więc na jednoetapowe (bez konieczności frakcjonowania) uzyskanie większych i bardziej monodyspersyjnych nAg oraz bardziej stężonych zawiesin. Większe i monodyspersyjne nAg będą się łatwiej lokować we wnętrzu hybrydowego nośnika (mikrokapsuły), a proces uwalniania Ag⁺ będzie dłuższy i lepiej kontrolowany.

Matryca węglanowa według wynalazku służy jako nośnik, w którym rozproszone są nAg, chroni je przed agregacją (nAg dłużej zachowują swoje właściwości antybakteryjne), pozwala na ich długotrwałe uwalnianie (przedłużony efekt działania) oraz nadaje materiałowi kolor biały (wolne nanocząstki są zielone i mogą barwić produkty nimi zabezpieczane). Matryca zabezpiecza przed bezpośrednim kontaktem nAg ze skórą, co czyni materiał atrakcyjnym dla różnych zastosowań biomedycznych. Materiał hybrydowy można przechowywać w postaci suchego proszku bez ryzyka utraty jego właściwości (w przeciwieństwie do wolnych nanocząstek, które mają tendencję do agregowania) i w razie potrzeby zdyspergować w odpowiedniej objętości wody. Preparat według wynalazku ma stanowić także alternatywę dla materiału opartego na dwutlenku tytanu używanego obecnie do ochrony gęsiego puchu. Mikrocząstki węglanowo-polimerowe są tańsze w produkcji, nietoksyczne i prostsze w aplikacji.

Materiał hybrydowy według wynalazku osadzano na puchu wysokiej jakości pozyskanym z gęsi białej kołudzkiej. Adsorpcję monitorowano przy użyciu mikroskopu optycznego oraz skaningowego

PL 221 411 B1 mikroskopu elektronowego (SEM). W przypadku SEM, pomimo zastosowania wysokiej próżni, materiał hybrydowy pozostał na piórach, co świadczy o trwałej adsorpcji materiału hybrydowego na puchu.

Badania mikrobiologiczne przeprowadzono wykorzystując odseparowane szczepy bakterii oraz grzybów występujących w warunkach fizjologicznych na zdrowej skórze człowieka. Bakterie zostały pobrane od pacjentów. Badania mikrobiologiczne przeprowadzono w zawiesinie. Do zawiesiny bakteryjnej dodawano substancji, które miały działać bakteriostatycznie i po 24 h sprawdzano stężenie bakterii gęstościowo, przy użyciu densometru. Stężenie bakterii w samej soli fizjologicznej po 24 h nie zmienia się (lub nieznacznie spada w granicach maksymalnie do 5%). Badanie bakterio statyczności piór z zaadsorbowanymi nAg w μ-CaCOjs przeprowadzono w ten sam sposób, przy czym stężenie badano po „dekantacji” piór, tak, by mieć pewność, ze sam substrat nie zaburza pomiaru. Pomimo niewielkiej zawartości nAg w materiale hybrydowym, wykazuje on działanie bakteriostatyczne.

Modyfikacja powierzchni materiału hybrydowego ma na celu nadanie mu określonego ładunku i umożliwienia adsorpcji na wybranej powierzchni. W eksperymencie jako powierzchnia testowa została użyta mika. Adsorpcja zmodyfikowanych kationowo oraz anionowo mikrocząstek odbywała się na zasadzie oddziaływań elektrostatycznych. Posiadająca ujemny ładunek powierzchniowy mika adsorbowała mikrokapsuły w różnym stopniu, zależnym od ich ładunku powierzchniowego. Zaobserwowa25 no, iż na powierzchni miki o wielkości 1 cm² zaadsorbowało się 1x10⁵ mikrokapsuł niezmodyfikowanych kationowo, podczas gdy korzystna z elektrostatycznego punktu widzenia adsorpcja mikrokapsuł 52 zmodyfikowanych kationowo dała ok. 7x10⁵ zaadsorbowanych mikrokapsuł na 1 cm².

Poszczególne figury rysunku przedstawiają:

Fig. 1 - zdjęcie AFM nanocząstek srebra otrzymanych w wyniku syntezy prowadzonej przez 60 min. nAg osadzono z zawiesiny na krzemie pokrytym polimerem kationowym (PAH, poli(chlorowodorek alliloamoniowy) w celu efektywnej adsorpcji opartej na oddziaływaniach elektrostatycznych,

Fig. 2 - widma dyspersji nAg dla różnych czasów syntezy,

Fig. 3 - zdjęcia SEM materiału hybrydowego,

Fig. 4 - widmo UV-Vis roztworu po roztworzeniu materiału hybrydowego za pomocą EDTA,

Fig. 5 - obraz puchu wykonany pod mikroskopem optycznym przed (A) i po osadzeniu μ-Ca-CO₃ (B),

Fig. 6 - obraz SEM piór (puch) niepokrytych (A) oraz pokrytych materiałem hybrydowym μ-Ca-CO₃ (B, C),

Fig. 7 - zdjęcie wykonane mikroskopem optycznym powierzchni miki z zaadsorbowanymi μ-Ca-CO₃ bez modyfikacji (A) oraz μ-CaCO₃ pokrytymi polimerem PAH (B).

Poszczególne etapy syntezy oraz charakteryzacji materiałów przedstawiono w Przykładach.

P r z y k ł a d 1

Synteza nAg.

Mieszaninę reakcyjną sporządzono rozpuszczając 45 mg AgNO3 w 250 ml wody dejonizowanej, a następnie dodając 5 ml 1% roztworu cytrynianu trójsodowego. Reakcje prowadzono przez 10-60 minut w nagrzanej do 75°C łaźni ultradźwiękowej. Otrzymano dyspersję nanocząstek nAg, których widmo absorpcyjne wykazuje maksimum przy 418 nm. Nanocząstki po najdłuższym czasie syntezy (60 min) mają kształt kulisty, a ich rozmiary wahają się głównie w zakresie 30-50 nm (Fig. 1). Proces wzrostu nanocząstek podczas syntezy monitorowany był również metodą UV-Vis (Fig. 2), przy czym pomiary przeprowadzono w roztworach rozcieńczonych. Wartość absorbancji rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru nAg, zaś przesunięcie położenia maksimum pasma związane jest ze zwiększeniem rozmiaru nanocząstek srebra. nAg otrzymane w wyniku syntezy prowadzonej przez 60 min były używane w dalszych eksperymentach.

P r z y k ł a d 2

Jednoetapowa synteza matrycy z węglanu wapnia zawierającej nAg.

Nanocząstki zostały wprowadzone do matrycy na etapie syntezy. Do 20 ml odwirowanego koloidu nanocząstek srebra znajdującego się na łaźni ultradźwiękowej wlano równocześnie 50 ml 0,03 M ₃

Na2CO3 zawierającego PSS w stężeniu 4,8 g/dm³ oraz 50 ml 0,03 M Ca(NO3)2. Strącanie wspomagane ultradźwiękami prowadzano jeszcze przez 5 minut w temperaturze 25°C. Otrzymany roztwór odwirowano przy prędkości 4000 rpm przez 5 minut. Otrzymany osad oczyszczono trzykrotnie przemywając wodą dejonizowaną oraz wirując w wyżej określonych warunkach. Zdjęcia SEM materiału hybrydowego (μ-CaCOjs) (Fig. 3) dowodzą jego wysokiej monodyspersyjności (średnica mikrocząstek ok. 2 μm). Mikrocząstki są sferyczne, co jest charakterystyczne dla struktur złożonych z waterytu, wykazują też wysoką porowatość, przez co możliwym jest zokludowanie nAg w ich wnętrzu.

PL 221 411 B1

P r z y k ł a d 3

Pomiary zawartości srebra w materiale hybrydowym.

Przeprowadzono pomiary jakościowe (UV-Vis) w celu sprawdzenia obecności ilości zokludowanego nAg wewnątrz matrycy (Fig. 4). W tym celu wykonano widma roztworu mikrocząstek roztworzonych za pomocą 0,2 M roztworu EDTA. Na obydwu widmach widać pik charakterystyczny przy ok. 420 nm powstały w wyniku rezonansu plazmonowego nanocząstek srebra, co świadczy o ich obecności w materiale hybrydowym. Ilościowe badania zawartości nAg w matrycy zostały przeprowadzone metodą ASA (atomowej spektrometrii absorpcyjnej) i wykazały, że każdy 1 g suchego proszku matrycy zawiera 0,15 mg nAg. Badania ASA przeprowadzono następująco. Odważono 0,05981 g suchego osadu μ-CaCOjs zawierających nAg i roztworzono w 30 ml 0,12 M HNO₃. Następnie sporządzono ₃ wzorce do analizy, w których stężenie srebra wynosiło: 1; 2; 3; 4 mg/dm³. W tym celu rozpuszczono odpowiednie ilości AgNO3 w 0,12 M HNO3, który posłużył także jako tło. Uzyskane wyniki wskazują, że z początkowej ilości nAg stosowanej do syntezy 21% zostaje zamknięte w μ-CaCOjs, natomiast zaokludowane srebro stanowi 0,015% masy otrzymanych μ-CaCOjs. Jak wskazują wyniki badań mikrobiologicznych (Przykład 6), nawet tak niewielka zawartość nAg w materiale hybrydowym wystarcza do zapewnienia jego bakteriobójczych właściwości.

P r z y k ł a d 4

Pomiary kinetyki uwalniania srebra z materiału hybrydowego.

1200 ml dyspersji materiału hybrydowego μ-CaCOjs odwirowano przy prędkości 4000 rpm, następnie oczyszczono przepłukując trzykrotnie wodą i wirując w wyżej określonych warunkach. Uzyskany materiał podzielono na 2 równe części. Roztwory buforowe sporządzono poprzez wymieszanie w odpowiednich proporcjach roztworów 0,2 M Na2HPO4 i 0,1 M kwasu cytrynowego, a ich pH zmierzono za pomocą pH-metru. Do każdej z 2 części uzyskanego materiału dodano 8 ml odpowiedniego roztworu buforowego i mieszano przy użyciu mieszadła magnetycznego (tabela I). W określonych odstępach czasu wirowano próbkę przy prędkości 4000 rpm przez 5 minut w celu odseparowania mikrocząstek węglanowych. Do dalszych badań zbierano supernatant i dodawano kolejną porcję roztworu (8 ml) do oddzielonych mikrocząstek. Zatem, po każdej zmianie roztworu uwalnianie prowadzono do czystego buforu bez nAg.

W tabeli I zebrano wyniki oznaczenia srebra metodą ASA dla różnych czasów uwalniania. Wyniki wskazują na długotrwały proces uwalniania nawet w warunkach środowiska kwasowego oraz dla procesu przebiegającego w roztworze przy ciągłym mieszaniu.

T a b e l a I. Kontrolowane uwalnianie srebra do wody dejonizowanej i roztworów buforowych o różnych pH.

	Procent uwolnionego srebra [%] w poszczególnych dniach	Ilość pozostała w kapsułach [%]
1	2	3	4	8	14
Bufor o pH = 5,4	0,96	14,0	5,9	0,6	1,3	0,7	76,5
Bufor o pH = 6,8	3,6	3,5	3,5	0,2	1,8	7,4	79,9

P r z y k ł a d 5

Adsorpcja materiału hybrydowego na naturalnym puchu.

Przygotowano próbki puchu (0,025 g każda), który zanurzono na 30 min w 10 ml 0,6% wodnego roztworu materiału hybrydowego μ-CaCOjs. Po odsączeniu, puch wysuszono w strumieniu azotu. Próbki badano pod mikroskopem optycznym (Fig. 5) oraz SEM (Fig. 6). Obrazy mikroskopowe wskazują na adsorpcję μ-CaCOjs na powierzchni puchu.

P r z y k ł a d 6

Modyfikacja powierzchni materiału hybrydowego kationowym polimerem oraz adhezja tak zmodyfikowanych mikrocząstek do powierzchni obdarzonych określonym ładunkiem powierzchniowym.

Otrzymane μ-CaCOjs zostały zanurzone w roztworze polimeru kationowego PAH (stężenie ₃ g/dm³ w 0,1 M NaCl) przez 15 min, po czym roztwór został usunięty przez odwirowanie mikrocząstek, które następnie przepłukano wodą dejonizowaną. Na czystą powierzchnię miki, która jest obdarzona ujemnym ładunkiem powierzchniowym, naniesiono mikrocząstki zmodyfikowane przez PAH oraz niezmodyfikowane zan urzając płytki miki w zawiesinach odpowiednich mikrocząstek. Płytki następnie przepłukano wodą dejonizowaną oraz wysuszono strumieniem azotu, po czym przeprowadzono obserwację ich powierzchni pod mikroskopem optycznym (Fig. 7). Otrzymane obrazy wskazują na

PL 221 411 B1 znacznie większą liczbę zaadsorbowanych μ-CaCOjs pokrytych dodatnio naładowanym polimerem PAH na ujemnie naładowanej powierzchni miki, w stosunku do adsorpcji niezmodyfikowanych mikrocząstek.

P r z y k ł a d 7

Badania mikrobiologiczne w zawiesinie.

Przeprowadzono badania mikrobiologiczne dla μ-CaCOjs oraz piór pokrytych μ-CaCOjs umieszczonych w zawiesinie bakteryjnej (w soli fizjologicznej) o określonym stężeniu wg skali McFarlanda. Skala McFarlanda w pomiarach densometrycznych wystandaryzowana jest w oparciu o zawiesinę siarczanu baru. Skalę McFarlanda i odpowiadające jej stężenia wzorca podano w tabeli II. Początkowy pozorny wzrost stężenia bakterii po dodaniu μ-CaCOjs związany jest z wkładem mikrocząstek do całkowitego rozpraszania próbki. Dalsze zmiany są związane już tylko z wzrostem lub spadkiem stężenia bakterii. Pomiary stężenia bakterii w przypadku puchu prowadzono każdorazowo po usunięciu puchu z zawiesiny.

Zmniejszenie stężenia bakterii zaobserwowano dla roztworu koloidalnego samych nAg (tabela III), jak również dla materiału hybrydowego μ-CaCOjs zawierającego nAg (tabela IV). Materiał hybrydowy zaadsorbowany na powierzchni pierza chronił go przed rozwojem bakterii (tabela V). Z kolei pióra niezabezpieczone mikrocząstkami zawierającymi nanocząstki srebra ulegały zakażeniu bakteryjnemu (tabela VI).

T a b e l a II. Skala McFarlanda.

Stopień McF	Stężenie BaSO4
0,5	2,40 x 10⁵
1	4,80 x 10 ⁵
2	9,60 x 10 ⁵
3	1,44 x 10 ⁴
4	1,92 x 10 ⁴
5	2,40 x 10 ⁴

T a b e l a III. Badania bakteriobójczości nAg.

nAg	Stężenie wyjściowe bakterii [⁰McF]	Stężenie po dodatku substancji badanej [⁰McF]	Stężenie po 24 h inkubacji [⁰McF]
Staphylococcus aureus 1	1	1,7	1,2
Staphylococcus aureus 2	0,5	1,1	0,8
Staphylococcus aureus 3	0,5	0,9	0,7
Staphylococus epidermidis	1	1,4	0,8
Staphylococcus epidermidis 1	0,5	1	0,8
Staphylococcus epidermidis 2	0,5	1,1	0,7
Staphylococcus epidermidis 3	0,5	1	0,9
Staphylococcus epidermidis 4	0,5	1	0,7
Staphylococcus epidermidis 5	0,5	1	0,7

T a b e l a IV. Badanie bakteriobójczości oraz grzybobójczości materiału hybrydowego μ-CaCO3 zawierającego nAg.

p-CaCO3	Stężenie wyjściowe bakterii [⁰McF]	Stężenie po dodatku substancji badanej [⁰McF]	Stężenie po 24 h inkubacji [⁰McF]
Candida species 3	0,9	1,7	0,7
Candida species 2	1,2	1,7	0,9
Staphylococcus species 3	0,9	1,7	0,7
Staphylococcus species 4	0,9	1,7	0,7

PL 221 411 B1

T a b e l a V. Badanie bakteriostatyczności pierza zabezpieczonego materiałem hybrydowym zawierającym nAg.

Pióra z μ-CaCO3	Stężenie wyjściowe bakterii [⁰McF]	Stężenie po dodatku substancji badanej [⁰McF]	Stężenie po 24 h inkubacji [⁰McF]
Staphylococcus epidermidis 3	1	0,8 (możliwa adsorpcja bakterii na piórach obserwowana pod mikroskopem optycznym)	0,7
Staphylococcus epidermidis 4	1	1	0,8

T a b e l a VI. Rozwój bakterii na pierzu niezabezpieczonym materiałem hybrydowym z nanocząstkami srebra.

	Próbka kontrolna³	Próbka badana^b
Staphylococcus aurerus 1	0,3	0,4
Staphylococcus epidermidis 4	0,2	0,3
Staphylococcus epidermidis 5	0,4	0,5
Staphylococcus epidermidis 6	0,4	0,5

^a zawiesina bakteryjna bez dodatku puchu; pomiar po 24 h ^b zawiesina z niezabezpieczonym puchem; pomiar po 24 h

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Materiał hybrydowy zawierający nanocząstki srebra, znamienny tym, że stanowi go matryca z mikrocząstek węglanu wapnia z dodatkiem polielektrolitu, w której umieszczone są nanocząstki srebra (nAg), przy czym polielektrolit jest wybrany spośród poli(styrenosulfonianu sodu) oraz soli litowców: poli(kwasu winylosulfonowego), poli(kwasu metakryloweg o) , karboksymetylocelulozy.

2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że jest zmodyfikowany kationowo lub anionowo.

3. Materiał według zastrz. 3, znamienny tym, że jest zmodyfikowany kationowo lub anionowo przez pokrycie powierzchni co najmniej jedną warstwą polimeru jonowego.

4. Materiał według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że jest zmodyfikowany polimerem syntetycznym i/lub naturalnym.

5. Materiał według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że jest zmodyfikowany polimerem wybranym z grupy zawierającej: poli(alliloaminę), poli(etylenoiminę), sól poli(winylopirydyniową), chitozan, protaminę, sól poli(kwasu metakrylowego), sól poli(kwasu styrenosulfonowego), sól poli(kwasu 2-akryloamido-2-metylopropanosulfonowego), sól karboksymetylocelulozy, sól sulfonowanego dekstranu.

6. Sposób wytwarzania materiału hybrydowego zawierającego nanocząstki srebra, znamienny tym, że przeprowadza się wspomagane ultradźwiękami współstrącenie węglanu wapnia w środowisku wodnym, w obecności polielektrolitu oraz w obecności nanocząstek srebra (nAg), przez zmieszanie roztworów rozpuszczalnej soli wapnia i rozpuszczalnego węglanu zawierającego dodatek polielektrolitu oraz nanocząstek srebra (nAg), przy czym jako polielektrolit stosuje się poli(styrenosulfonian sodu) oraz sole litowców: poli(kwasu winylosulfonowego), poli(kwasu metakrylowego), karboksymetylocelulozy, a współstrącanie prowadzi się w temperaturze 15-50°C.

7. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosunek jonów wapnia i jonów węglanowych wynosi 1:1.

8. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że sole wapnia i węglany stosuje się w stężeniu od 0,001 M do 1 M.

9. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że sole wapnia i węglany stosuje się w stężeniu około 10^-2 M.

10. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że poli(styrenosulfonian sodu) stosuje się w stę₃ żeniu w zakresie 0,1-10 g/dm³.

11. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosunek molowy grup sulfonowych w polimerze do jonów wapnia nie jest mniejszy niż 1:3.

PL 221 411 B1

12. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako rozpuszczalną sól wapnia stosuje się azotany i chlorki, a jako węglany stosuje się węglany litowców.

13. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się azotan(V) wapnia, chlorek wapnia, węglany sodu, węglany potasu.

14. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że nanocząstki srebra stosuje się w postaci dyspersji wodnej.

15. Sposób według zastrz. 7 albo 16, znamienny tym, że stosuje się nanocząstki srebra otrzymane w wyniku wspomaganej ultradźwiękami redukcji jonów srebra cytrynianem trójsodowym, w środowisku wodnym, w temperaturze niższej od temperatury wrzenia wody.

16. Sposób według zastrz. 7 albo 17, znamienny tym, że do wodnego roztworu azotanu srebra dodaje się roztwór cytrynianu trójsodowego, mieszaninę poddaje się działaniu ultradźwięków i ogrzewa się w czasie 10-60 minut, korzystnie w temperaturze od 70 do 85°C, po czym do tak otrzymanej dyspersji nanocząstek nAg dodaje się Na2CO3 zawierający PSS oraz Ca(NO3)2, i następnie prowadzi się strącanie wspomagane ultradźwiękami w czasie 1-20 min, w temperaturze pokojowej, po czym otrzymany roztwór odwirowuje się w celu otrzymania osadu.

17. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że materiał hybrydowy poddaje się modyfikacji kationowej lub anionowej.

18. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że modyfikację kationową lub anionową prowadzi się przez nanoszenie co najmniej jednej warstwy polimeru jonowego.

19. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że powierzchnię pokrywa się stosując technikę elektrostatycznej samoorganizacji warstwa-po-warstwie.

20. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że do pokrywania powierzchni stosuje się polimery syntetyczne lub naturalne.

21. Zastosowanie materiału hybrydowego zawierającego nanocząstki srebra umieszczone w matrycy z mikrocząstek węglanu wapnia z dodatkiem soli litowców: poli(kwasu winylosulfonowego), poli(kwasu metakrylowego), karboksymetylocelulozy oraz poli(styrenosulfonian sodu) jako polielektrolitu, jako środka antybakteryjnego i antygrzybicznego.

22. Zastosowanie według zastrz. 23, znamienne tym, że materiał hybrydowy stosuje się do zabezpieczania roztworów i zawiesin wodnych i/lub niewodnych oraz materiałów polimerowych, takich jak lakiery, farby, materiały budowlane.

23. Zastosowanie według zastrz. 23, znamienne tym, że materiał hybrydowy stosuje się do ochrony puchu gęsiego przed niekorzystnym wpływem mikroorganizmów.

24. Zastosowanie według zastrz.

25, znamienne tym, że ochronie poddaje się puch gęsi stosowany jako wypełnienie w gotowych wyrobach, takich jak kołdry, poduszki, kurtki, kombinezony.