На сегодняшний день рассматривается возможность использования наночастиц (НЧ) металлов и оксидов металлов в качестве антибактериальных агентов, ввиду стремительно развивающейся бактериальной антибиотикорезистености. Одним из многообещающих подходов является создание композитных материалов, в том числе, на основе полимеров, обеспечивающих возможность использования таких материалов в биомедицинских приложениях, пищевой промышленности, а также в бытовом использовании.

В ходе работы методом лазерной абляции были синтезированы наночастицы оксидов металлов (цинка, железа и алюминия). Максимумы распределений ζ-потенциала полученных коллоидных растворов НЧ составляли 20, 20, 50 мВ для НЧ оксида цинка, железа и алюминия, соответственно, что характеризовало коллоидные растворы НЧ как стабильные. Состав наночастиц был установлен при помощи энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), морфологию оценивали с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Наночастицы обладали необходимой химической чистотой. Было установлено, что наночастицы оксида цинка имеют стержнеобразную морфологию, а оксидов железа и алюминия сферическую. Средний гидродинамический диаметр НЧ оценивался с помощью динамического светорассеяния (DLS) и составлял около 55, 50 и 45 нм для НЧ оксида цинка, железа и алюминия, соответственно. Полученные НЧ были добавлены в полимеры поли(лактид-ко-гликолида) (ПЛГА) и боросилоксана (БС), а также политетрафторэтилена (ПТФЭ) с конечными концентрациями НЧ в образцах материалов 0.001, 0.01 и 0,1%. Для дальнейших исследований материалы были сформированы в пленки толщиной 700–900 мкм (для БС и ПЛГА) и 200 мкм для ПТФЭ. Морфологию поверхности материалов оценивалась с помощью атомно-силовой микроскопии. Было установлено, что поверхность образцов композитных материалов была бездефектной. С помощью модуляционно-интерференционной микроскопии было установлено, что наночастицы распределены в объеме полимеров в виде кластеров, размер которых увеличивался с ростом концентрации НЧ. Было показано, что все полученные нанокомпозиты проявляли бактериостатические свойства в отношении E. coli. Важно отметить, что данный эффект был обнаружен даже при использовании композитов с минимальной концентрацией НЧ оксида цинка и железа в составе (0,001%), однако значимые различия при культивировании в контакте с композитами, содержащими НЧ оксида алюминия, наблюдались при концентрации данных НЧ в полимере 0,01 и 0,1%. Композитные материалы способствовали формированию АФК в водных растворах (перекиси водорода и гидроксильных радикалов). Было также установлено, что полученные материалы способствовали образованию долгоживущих реактивных форм белков и 8-оксогуанина в ДНК. Композитные материалы на основе НЧ оксида алюминия проявляли активность слабее по сравнению с материалами, содержащими наноразмерные оксиды железа и цинка. В свою очередь, проведенные исследования цитотоксичности материалов в отношении эукариотических клеток показали, что поверхность пленок композитных материалов как на основе ПТФЭ, БС и ПЛГА, содержащих НЧ, подходила для роста и развития данных клеток. Ввиду низкой цитотоксичности и бактериостатическим свойствам полученные композитные материалы представляют большой интерес в качестве упаковки и создания покрытий для пищевой промышленности, сухого дезинфицирующего средства, а также в качестве компонентов и покрытий для биомедицинского применения.

Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на крупные научные проекты по приоритетным направлениям научно-технического развития (грант № 075-15-2020-775).

Today, the possibility of using metal and metal oxides nanoparticles (NPs) as antibacterial agents is being considered, due to the rapidly developing bacterial antibiotic resistance. One of the promising approaches is the creation of composite materials, including those based on polymers, which provide the possibility of using such materials in biomedical applications, the food industry, and also in domestic use.

In the course of the work, nanoparticles of metal oxides (zinc, iron, and aluminum) were synthesized by laser ablation. The maximum distributions of the ζ-potential of the obtained colloidal solutions of NPs were 20, 20, and 50 mV for NPs of zinc, iron, and aluminum oxide, respectively, which characterized the colloidal solutions of NPs as stable. The composition of the nanoparticles was determined using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), the morphology was assessed using transmission electron microscopy. The nanoparticles had the required chemical purity. It was found that zinc oxide nanoparticles have a rod-like morphology, while those of iron and aluminum oxides have a spherical one. The average hydrodynamic diameter of NPs was estimated using dynamic light scattering (DLS) and was about 55, 50, and 45 nm for NPs of zinc, iron, and aluminum oxide, respectively. The obtained nanoparticles were added to polymers of poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and borosiloxane (BS), as well as polytetrafluoroethylene (PTFE) with final concentrations of nanoparticles in material samples of 0.001, 0.01, and 0.1%. For further studies, the materials were formed into films with a thickness of 700–900 µm (for BS and PLGA) and 200 µm for PTFE. The surface morphology of the materials was assessed using atomic force microscopy. It was found that the surface of the samples of composite materials was defect-free. Using modulation-interference microscopy, it was found that nanoparticles are distributed in the bulk of polymers in the form of clusters, the size of which increases with increasing NP concentration. It was shown that all obtained nanocomposites exhibited bacteriostatic properties against E. coli. It is important to note that this effect was found even when using composites with a minimum concentration of zinc and iron oxide NPs in the composition (0.001%), however, significant differences during cultivation in contact with composites containing aluminum oxide NPs were observed at a concentration of these NPs in the polymer of 0.01 and 0.1%. Composite materials contributed to the formation of ROS in aqueous solutions (hydrogen peroxide and hydroxyl radicals). It was also found that the resulting materials contributed to the formation of long-lived reactive forms of proteins and 8-oxoguanine in DNA. Composite materials based on aluminum oxide NPs exhibited weaker activity compared to materials containing nanosized iron and zinc oxides. In turn, studies of the cytotoxicity of materials with respect to eucariotic cells showed that the surface of films of composite materials based on PTFE, BS, and PLGA containing NPs was suitable for the growth and development of these cells. Due to low cytotoxicity and bacteriostatic properties, the obtained composite materials are of great interest as packaging and coatings for the food industry, dry disinfectant, as well as components and coatings for biomedical applications.

This work was supported by a grant from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for major scientific projects in priority areas of scientific and technological development (grant no. 075-15-2020-775).