Текстильный бактерицидный материал

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Витебский государственный технологический университет(72) Авторы Поболь Игорь Леонидович Кохнюк Василий Николаевич Станкевич Елена Владимировна Коган Александр Григорьевич Замостоцкий Евгений Геннадьевич Сергеев Вячеслав Юрьевич(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Витебский государственный технологический университет(57) 1. Текстильный бактерицидный материал на основе тканых или нетканых или трикотажных материалов природного и/или синтетического происхождения, содержащий биологически активный компонент в виде частиц металла, отличающийся тем, что биологически активный компонент представляет собой наноструктурное покрытие толщиной 100-500 нм с размерами зерен до 100 нм из металлического серебра и оксида серебра с содержанием фазы оксида серебра от 0,1 до 20 или металлической меди и оксида меди с содержанием фазы оксида меди от 0,1 до 50 . 2. Текстильный бактерицидный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тканого или нетканого или трикотажного материала используются льняные, или вискозные, или хлопчатобумажные, или полиэфирные, или полиамидные волокна, или нити, или пряжа, а также их смеси в различном сочетании.(56) 1. Щербаков А.Б. и др. Препараты серебра вчера, сегодня и завтра // Фармацевтичний журнал. - 2006. -5. - С. 45-57. 2. Бабушкина И.В. и др. Изучение антибактериального действия наночастиц меди / Саратовский научно-медицинский журнал, 2010. - Т. 6. -1. - С. 11-14. 3.6979491 В 2, 2005. 4.2350356 С 1, 2009. 5.2398599 С 1, 2010. 6.2314834 С 1, 2008. Полезная модель относится к области производства текстильных волокнистых материалов с бактерицидными, бактериостатическими и/или фунгицидными свойствами благодаря содержащимся в них наночастицам металла. Текстильный бактерицидный материал обладает биологически активным действием в патогенной флоре и предназначен для использования в медицине и ветеринарии, например, в качестве перевязочного материала для залечивания ран различной этиологии, закрытия травмированных тканей, лечения гнойничковых поражений кожи. Текстильный бактерицидный материал может быть выполнен в виде салфеток, повязок, пластин-аппликаторов различной формы и размеров. Принципы лечения ран строятся с учетом сложных биохимических процессов, происходящих в них. Хорошо известно, что при длительном существовании раны на первичные этиологические факторы наслаиваются другие патогенетические механизмы развитие антибиотико-резистентной микрофлоры, микробная и медикаментозная аллергизация, изменение иммунологической резистентности, фиброзные изменения в краях и дне раны,приводящие к нарушению микроциркуляции в зоне раны. Это приводит к снижению репаративных процессов, увеличивает сроки эпителизации. Поэтому для улучшения результатов лечения гнойных ран помимо хирургической обработки гнойного очага применяется местное использование различных видов повязок. Ведение ран под повязками предупреждает их высыхание и инфицирование, обеспечивает анальгезирующий и бактерицидный эффект, что приводит к ускорению заживления. Одними из наиболее эффективных веществ, используемых в качестве химических средств уничтожения или сдерживания роста бактерий и других микроорганизмов, являются серебро и медь. Полагают, что их антибактериальная активность связана с генерацией атомарного кислорода, образующегося в результате диссоциации растворенного молекулярного кислорода 1, 2. Известны бактерицидный текстильный волокнистый материал на основе хлопка, льна,шерсти, кожи, искусственных и синтетических волокон и их комбинаций с прикрепленными к нему от 0,2 до 1,5 мас.наноразмерными (1-100 нм) частицами серебра 3 и способ получения этого материала, включающий восстановление серебра из водного раствора нитрата серебра восстановительными агентами (глюкоза, аскорбиновая кислота, гидразин или гидразин-гидрат) и нанесение восстановленного серебра на волокнистый материал с последующей дегидратацией и высушиванием при 120-160 С в течение 40-60 мин. Полученный материал обладает бактерицидным эффектом относительно,,,,,, ,. Недостатком данного материала является невысокая прочность связывания наноразмерных частиц металлического серебра с тканевым носителем. Кроме того, высушивание пряжи при температуре 120-160 С в течение 40-60 мин может привести к ее деструкции. 2 99392014.02.28 Известен антибактериальный текстильный волокнистый материал, содержащий 97,999,7 мас.хлопка, или льна, или шелка, или шерсти и 0,3-2,5 мас.малорастворимых неорганических солей серебра (хлорида серебра или хромата серебра) 4. Способ его получения состоит в восстановлении серебра из водного раствора нитрата серебра восстановителем, закрепленным на волокнистом материале, для чего вначале проводят обработку волокнистого материала в нагретом до 70-90 С водном растворе дубильных веществ на основе танина, выполняющего функции восстановителя, а после охлаждения отделяют водную фазу, высушивают и затем закрепляют дубильное вещество на волокнистом материале путем пропитки в водном растворе антимонилтартрата калия, отделяют водную фазу, после чего влажный волокнистый материал помещают в нагретый до 50-100 С водный раствор нитрата серебра, отделяют водную фазу и сушат полученный волокнистый материал с нанесенным на него серебром с последующей обработкой растворами, содержащими компоненты, приводящие к химическому превращению металлического серебра в малорастворимые в воде неорганические соединения. Известный способ трудоемок в осуществлении, так как содержит большое количество операций, не может быть использован для синтетических волокон. Используемые антимонилтартрат калия и водный раствор нитрата серебра являются токсичными веществами, и требуются дополнительные затраты на их утилизацию. Известен текстильный медьсодержащий материал, включающий 97,8-99,3 мас.тканого или нетканого целлюлозосодержащего материала и 0,7-2,2 мас.нанесенных на него частиц меди, полученных химическим восстановлением ионов меди, адсорбированных в целлюлозной матрице 5. Медь, нанесенная на поверхность и в объем целлюлозной матрицы, представляет собой наночастицы меди размером 20-100 нм (2-45 ) и микрочастицы меди размером 125-3000 нм (55-98 ). Распределение частиц по размерам полимодальное. В качестве тканого или нетканого целлюлозосодержащего материала выбран льняной, хлопчатобумажный, гидратцеллюлозный материал или их смесь. Тканый или нетканый материал пропитывают раствором сульфата меди, а в качестве химического восстановителя используют раствор сульфата гидразина. Полученный материал устойчив к естественной ассоциации микробных культур (плесневых грибов и почвенной микрофлоре). Однако применяемые при создании известного материала химические вещества являются токсичными и требуют утилизации. К недостаткам метода можно отнести и необходимость проведения элементного микроанализа для определения концентрации металлической меди. Известный материал фактически пригоден только для санитарно-гигиенического использования. Наиболее близким техническим решением является раневое покрытие на основе тканых и нетканых материалов природного или синтетического происхождения, содержащее частицы металла, обладающего биологической активностью в патогенной флоре 6. В качестве частиц металла раневое покрытие содержит 80-99,9 наночастиц серебра, 0,120 наночастиц железа, 0,1-20 наночастиц алюминия, 0,1-20 наночастиц меди, которые нанесены с помощью магнетронного распыления. Наночастицы металлов содержатся на обеих сторонах покрытия, их размеры не превосходят 100 нм. Раневое покрытие содержит дополнительный слой из коллагена или желатина, придающий материалу гемостатические свойства, а также содержит лекарственные вещества (антисептические или антимикробные препараты, настои лекарственных трав, антигрибковые препараты). Хотя нанесение частиц металла осуществляют методом магнетронного распыления без применения химических веществ, загрязняющих окружающую среду, и при этом обеспечивается хорошая адгезия образующегося покрытия к текстильному материалу, тем не менее в случае указанного материала бактерицидный эффект достигается за счет серебра и дополнительной пропитки лекарственными препаратами. К недостаткам можно отнести сложность изготовления катода из металлического сплава, содержащего 92,3, 3 и 3, для нанесения наночастиц металлов методом магнетронного рас 3 99392014.02.28 пыления, поскольку это является источником дополнительных затрат. Недостатком известного раневого покрытия является и то, что оно предполагает продолжительное воздействие на раневую поверхность, что в сочетании с содержащимися лекарственными средствами с дополнительным лечебным действием может вызвать побочные эффекты. Задачей полезной модели является создание текстильного бактерицидного материала,простого в изготовлении и обладающего высокой антимикробной активностью в отношении устойчивых возбудителей хирургической инфекции для ускорения заживления инфицированных ран, а также расширение номенклатуры применяемых для этих целей текстильных материалов. Задача решается тем, что текстильный бактерицидный материал на основе тканых или нетканых или трикотажных материалов природного и/или синтетического происхождения содержит биологически активный компонент в виде наноструктурного покрытия толщиной 100-500 нм с размерами зерен до 100 нм из металлического серебра и оксида серебра с содержанием фазы оксида серебра от 0,1 до 20 или металлической меди и оксида меди с содержанием фазы оксида меди от 0,1 до 50 . В качестве тканого или нетканого или трикотажного материала используются льняные или вискозные, или хлопчатобумажные, или полиэфирные, или полиамидные волокна,или нити, или пряжа, а также их смеси в различном сочетании. Антимикробная активность заявляемого текстильного бактерицидного материала достигается благодаря комплексному сочетанию свойств текстильного материала (развитая поверхность, микропористость, наличие первичных адсорбционных центров) и наноструктурного металлического покрытия, которое прочно закреплено на поверхности текстильного материала, придавая ему бактерицидные, бактериостатические и/или фунгицидные свойства. Необходимость использования покрытия с малым размером элементов структуры (размерами зерен до 100 нм) обусловлена тем, что в этом случае покрытия обладают новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря большой площади поверхности, ускоряющей взаимодействие со средой, в которую они помещены. Наноструктурное покрытие как каталитически активный компонент позволяет многократно ускорить протекание химических и биохимических реакций. Действие текстильного бактерицидного материала, например в виде повязки, усиливается за счет непосредственного его контакта с поверхностью инфицированной раны. Механизм действия текстильного бактерицидного материала состоит в том, что благодаря антимикробной активности наноструктурного покрытия из серебра и его оксида или меди и ее оксида, ограничивается или подавляется рост возбудителей гнойной инфекции, в результате чего залечивание раны происходит в более короткие сроки. Наноструктурное покрытие получают методом вакуумно-дугового осаждения, используя простой катод из серебра или меди. Образцы тканого или нетканого или трикотажного материала природного и/или синтетического происхождения помещаются в камеру вакуумной установки, которая откачивается до остаточного давления не менее 10-3 Па. С помощью вакуумно-дугового источника плазмы с металлическим катодом из серебра или меди осуществляется нанесение наноструктурного покрытия толщиной до 500 нм. Формирование покрытия с размером зерен до 100 нм обеспечивается за счет регулировки скорости конденсации, энергии осаждающихся частиц и плотности плазменного потока. Осаждение покрытия происходит при комнатной температуре, что обеспечивает сохранение структуры и свойств исходного текстильного материала. Высокая кинетическая энергия осаждающихся частиц металла обеспечивает хороший уровень адгезии образующегося покрытия к текстильному материалу. В процессе осаждения наноструктурного покрытия атомы или молекулы кислорода из остаточной атмосферы адсорбируются или хемосорбируются на поверхности растущего покрытия с образованием оксида серебра или оксида меди. Наличие наноразмерной структуры обуславливает высокую степень активности покрытия по отношению к микроорганизмам. 4 99392014.02.28 Наличие в наноструктурном покрытии фазы оксида серебра или оксида меди усиливает бактерицидный эффект. Наличие наноструктуры и присутствие в покрытии кристаллических фаз серебра и оксида серебра или меди и оксида меди подтверждено методами просвечивающей электронной микроскопии и электронографии. Размер наночастиц металла определяли по электронным микрофотографиям. Химический состав поверхности полученных наноструктурных покрытий исследовали методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Эффективную толщину покрытий определяли весовым методом по разнице массы образцов до и после осаждения. На фиг. 1 и 2 показаны, соответственно структура и электронограмма покрытия из серебра толщиной 50 нм. Из снимка видно, что покрытие имеет поликристаллическую структуру со средними размерами зерен 20-25 нм. Электронограмма от серебряного покрытия соответствует металлическому серебру. При толщине 100 нм и выше в покрытии кроме серебра присутствует фаза оксида серебра. Покрытие из меди толщиной 100 нм и выше содержит области с разными размерами зерен. На снимках двух участков покрытия из меди толщиной 150 нм область со средними размерами зерен 10 нм соответствует неокисленному участку медного покрытия(фиг. 3), что подтверждает приведенная на фиг. 4 микроэлектронограмма от металлической меди. Окисленный участок медного покрытия со средними размерами зерен 20-25 нм показан на фиг. 5. Микроэлектронограмма от этого участка покрытия (фиг. 6) соответствует оксиду меди 2. На фиг. 7 представлен рентгеновский фотоэлектронный спектр электронов 3 и 1 наноструктурных покрытий из серебра толщиной 100 нм (1), 200 нм (2) и 450 нм (3). На фиг. 8 - спектр электронов 2 и 1 наноструктурных покрытий из меди толщиной 125 нм (1), 250 нм (2) и 500 нм (3). В поверхностном слое покрытий кроме металлического серебра или меди присутствуют их оксиды. Основные пики в спектре электронов 1 характерны для кислорода, диссоциативно адсорбированного на металле и образовавшего с ним связь, близкую к связи в оксиде 2 или оксиде 2. Другие максимумы можно связать с кислородом, адсорбированным на поверхности металла, и с группами -. При разложении спектров экспериментально установлено, что в зависимости от условий осаждения доля оксидной фазы в поверхностном слое покрытий составляет до 20 для оксида серебра и до 50 для оксида меди, поскольку медь является химически более активной. Наличие оксидов серебра или меди на поверхности покрытий говорит о том, что биологическая активность этих металлов связана с различными формами кислорода, адсорбированного на их поверхности, что повышает антимикробную активность материала в отношении устойчивых возбудителей хирургической инфекции. Диагностику и биотестирование образцов текстильных материалов, содержащих наноструктурное покрытие, проводили по стандартной методике с использованием культур.6538, Е.11229, .15412, .1023,С.1023 на базе лаборатории микробиологии НИИ прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии (г. Витебск) и на кафедре Клиническая микробиология УО Витебский государственный медицинский университет. Культуры были выращены на среде мясо-пептонный агар, желточно-солевой агар, кровяной агар, среда Эндо, среда Сабуро. На чашку Петри с мясо-пептонным агаром наносили взвесь 109 колониеобразующих единиц (КОЕ) суточной культуры тест-микроорганизмов. Исследуемый образец ткани с металлическим наноструктурным покрытием помещали на засеянный сплошным газоном агар и после суточной инкубации в термостате при 37 С измеряли диаметры зон угнетения роста (зон ингибирования) микроорганизмов. При отсутствии зоны считали, что антимикробная активность отсутствует. Примеры практического исполнения. 5 99392014.02.28 Пример 1. Образец подкладочной ткани (состав - вискоза 100 ) размерами 210240 мм помещали в вакуумную камеру, которую откачивали до остаточного давления 10-3 Па. Затем на образец осаждали наноструктурное серебряное покрытие с помощью дугового источника плазмы с катодом из серебра. Ток дугового разряда составлял 55 А. Время нанесения 10 мин. Толщина полученного покрытия 100 нм. Результаты определения антибактериальной активности (размеров зон ингибирования) наноструктурных покрытий в отношении различных штаммов бактерий приведены в таблице. Пример 2. На образец подкладочной ткани (состав - вискоза 100 ) наносили наноструктурное медное покрытие с помощью дугового источника плазмы с катодом из меди аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Толщина полученного покрытия 124 нм. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 3. На образец подкладочной ткани (состав - вискоза 100 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 20 мин. Толщина полученного покрытия 246 нм. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 4. На образец подкладочной ткани (состав - вискоза 100 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 40 мин. Толщина полученного покрытия 490 нм. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 5. На образец льняной ткани (состав - лен 100 ) наносили наноструктурное серебряное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 6. На образец льняной ткани (состав - лен 100 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 7. На образец хлопкополиэфирной ткани (состав - хлопок 95 полиэфир 5 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 8. На образец гардинного полотна (состав - полиэфир 100 ) наносили наноструктурное серебряное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 9. На образец из органзы (состав - полиэфир 50 полиамид 50 ) наносили наноструктурное серебряное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 10. На образец из органзы (мононить) (состав - полиэфир 50 полиамид 50 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. Пример 11. На образец марли (состав - хлопок 100 ) наносили наноструктурное медное покрытие аналогично описанному в примере 1 в течение 10 мин. Результаты определения зон ингибирования приведены в таблице. 6 99392014.02.28 Оценка антимикробной активности образцов тканей с наноструктурным покрытием в отношении возбудителей хирургической инфекции МатеДиаметр зоны ингибирования роста, мм Толщина Образец ткани и риал покры- ..Е.С.ее состав покрытия, нм 125 0 19,00,71 0 0 100 ) Проведенные бактериологические исследованияявно продемонстрировали,что антимикробная активность металлизированных тканей находится в прямой зависимости от использованного металла для наноструктурного покрытия. Наиболее выраженный антимикробный эффект в отношении всех исследованных штаммов возбудителей раневой инфекции присущ образцам тканей с наноструктурным покрытием из серебра. Текстильные материалы с нанесенными на них наноструктурными покрытиями из серебра или меди оказались наиболее эффективными в отношениии. В равной степени эффективными как в отношении стандартных, так и госпитальных штаммов оказались металлизированные образцы из вискозы и льна. Как следует из результатов исследования, для получения текстильного бактерицидного материала с высокой антимикробной активностью оптимальная толщина нанесенного на текстильную основу наноструктурного покрытия должна составлять 100-250 нм. При толщине наноструктурного покрытия менее 100 нм текстильный бактерицидный материал оказывает редуцирующее влияние на штаммыипри невысоких микробных нагрузках, при высокой микробной обсемененности данные покрытия оказываются малоэффективными. Увеличение толщины покрытия свыше 500 нм приводит к некоторому снижению антимикробной активности. Следовательно, нанесение покрытия толщиной свыше 500 нм нецелесообразно из-за увеличения затрат на его изготовление. Проведенные в течение года повторные исследования антимикробной активности текстильного материала с наноструктурным покрытием показали, что бактерицидные свойства материала не изменились. 7 99392014.02.28 Практическое применение заявляемого материала производство изделий медицинского назначения (например, перевязочных средств), используемых для лечения инфицированных ран в хирургии и в ветеринарии. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9