Способ получения наночастиц меди Российский патент 2022 года по МПК B22F9/24 B22F1/54 B82Y30/00 

Изобретение относится к способу получения наночастиц меди и может быть использовано в области сельского хозяйства, в частности животноводстве и птицеводстве, для применения в рационе кормов в качестве биологически активной добавки, обладающей высокой усвояемостью, и одновременно антибактериальным эффектом как альтернатива антибиотикам в кормах.

Медь является необходимым микроэлементом для птиц и животных, так как необходима для выполнения надлежащих физиологических функций - принимает участие в поддержании эластичности связок, сухожилий, костей, стенок капилляров, прочности костей, в синтезе гемоглобина, транспортировке кислорода и участвует в ферментно-коэнзимных каталитических реакциях. Медь влияет на продуктивную работу животных, выступает в качестве усилителя роста. При этом медь является сильным противомикробным агентом, эффективность которого была доказана на различных патогенных бактериях.

Наночастицы меди из-за их высокой физической активности могут стать многообещающей альтернативой антибактериальным агентам и стимуляторам роста при их использовании в гораздо меньших концентрациях в кормах для животных, чем ее неорганические соли, поэтому создание способа получения наночастиц меди является актуальной задачей.

Известен электрохимический способ получения наночастиц меди в водной среде (RU 2410472 C1, 2011 г), в данном методе осуществляют растворение стабилизирующих компонентов в растворителе, затем в полученную среду помещают электродную систему, где анодом служит пластина из меди и катодом - пластина из нержавеющей стали, и проводят электрохимическое растворение анода при пропускании через раствор постоянного тока. При этом в качестве растворителя применяют дистиллированную воду, а в качестве стабилизирующих компонентов используют двухкомпонентную систему: органические и неорганические стабилизирующие компоненты. Органическими компонентами выступают поливинилпирролидон медицинский, полиакрилат калия, полигликоли, желатин, неорганическими - цитраты калия, натрия, аммония. Процесс растворения стабилизирующих компонентов проводят в две стадии, сначала при нагревании и перемешивании осуществляют растворение органических стабилизирующих компонентов, затем после охлаждения при перемешивании - растворение неорганических стабилизирующих компонентов. Размер получаемых наночастиц меди - до 15 нм.

Данный способ получения является многокомпонентным, многостадийным и трудоемким.

Известен способ получения наночастиц меди и использования указанных частиц (WO 2017115330 A1), включающий следующие этапы: растворение, по меньшей мере, одной соли меди, оксида или гидроксида в дистиллированной воде; растворение, по меньшей мере, одного стабилизатора в дистиллированной воде; смешивание двух растворов в реакторе; добавление первичного комплексообразователя; добавление щелочи; добавление антипенного средства; добавление, по меньшей мере, одного восстановителя, снижение температуры реакции до 0°С - 25°С при сохранении перемешивания; добавление, по меньшей мере, одного антиоксиданта; добавление, по меньшей мере, одного вторичного комплексообразователя; созревание и промывка смеси. В качестве первичного комплексообразователя используются аминсодержащие органические соединения, в качестве вторичного комплексообразователя выбирают из карбоновых кислот и их производных, дикарбоновых кислот, ненасыщенных карбоновых кислот, аммиака (NH₃), гидроксида аммония, первичного и вторичного аминов. В качестве стабилизаторов в процессе используют такие полимеры, как поливинилпирролидон, хитозан и его производные, поливиниловый спирт, поликарбонаты, полифенолы, полиэтиленгликоль и полиолы, алкилдиолы, поликислоты и их производные, меркаптоалканоаты и оксибензойные кислоты и др.

Недостатками известного способа являются многостадийность и трудоемкость, а использование щелочей относится к грязным производствам, а не методу зеленой химии. Также органические амины являются токсичными.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, описанный в патенте US8864871B2, выбранный нами в качестве прототипа. В данном способе наночастицы меди синтезируют при перемешивании путем смешения раствора, включающего соль меди, диспергатор, восстановитель и органический растворитель; повышения температуры смеси до 30-50°С; облучают раствор смеси микроволновым излучением; и получают наночастицы меди путем понижения температуры раствора смеси. Соль меди представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из хлорида меди (II)(CuCl₂₎, нитрата меди (Cu(NO₃)₂₎, сульфата меди (CuSO₄), ацетата меди (CH₃COO)₂Cu, ацетилацетоната меди(II) Cu(O₂C₅H₇)₂, карбоната меди (II) CuCO₃, стеарата меди (II) CuC₃₆H₇₀O₄, перхлората меди (II) Cu(ClO₄)₂, этилендиамина меди (II) Cu(H₂NCH₂CH₂NH₂)₂(OH)₂ и гидроксида меди Cu(OH)₂.

Диспергирующим агентом является, по меньшей мере, соединение, выбранное из группы, состоящей из поливинилпирролидона, цетилтриметиламмония бромида, додецилсульфат натрия и карбоксиметилцеллюлоза натрия. Восстановителем является, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из гидрофосфата натрия (NaH₂PO₂), гидразина гидрохлорида (N₂H₄), гидрохлорида натрия (NaClO) и боргидрида натрия (NaBH₄).

Органический растворитель представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из этиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиленгликоля и полиэтиленгликоля. Также в данном способе может добавляться этап получения наночастиц меди, включающий: выделение наночастиц меди путем центрифугирования раствора смеси; промывку выделенных наночастиц меди и сушку.

Недостатки: процесс является многостадийным и трудоемким, с использованием ряда органических токсических растворителей. Так, этиленгликоль действует главным образом на центральную нервную систему и почки (сосудистый и протоплазматический яд, вызывает ацидоз). Боргидрид натрия также является токсическим веществом.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, - создание безопасного одностадийного способа получения наночастиц меди, не требующего последующей дополнительной очистки состава от дополнительно вводимых токсичных восстановителей, стабилизаторов и других компонентов.

Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении и ускорении процесса синтеза наночастиц меди (максимальное время синтеза - 15 минут), отсутствии токсичных компонентов в качестве восстановителей и стабилизаторов, возможности использования полученных растворов стабилизированных наночастиц меди непосредственно после синтеза в выпойке (в том числе через дозатор медикатор), так и в высушенном виде для добавки в комбикорма.

Предлагаемый способ получения наночастиц меди относится к методам зеленой химии, т.к. в отличие от прототипа в предлагаемом патенте используется дистиллированная вода и не используются органические растворители. Стабилизированные наночастицы меди, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокой усвояемостью по сравнению с солевыми формами меди, и эффективными антибактериальными свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения наночастиц меди, включающем смешение раствора, содержащего соль меди, стабилизатор, восстановитель и растворитель, облучение полученной смеси микроволновым излучением до образования наночастиц меди, в качестве соли меди используют хлорид меди или ацетат меди в количестве 0,05-3 масс.%, в качестве стабилизатора хитозан или поливинилпирролидон в количестве 1-7 масс.%, в качестве восстановителя аскорбиновую кислоту в количестве 0,1-6 масс.%, в качестве растворителя растворы уксусной кислоты или молочной кислоты или янтарной кислоты или их смеси в количестве 0,1-10 масс.% и воду.

В качестве стабилизатора наночастиц меди выбран биосовместимый нетоксичный гипоаллергенный полисахарид хитозан, обеспечивающий транспортировку наночастиц в кровь животных. Кроме того, сам хитозан способен увеличивать темпы роста животных за счет увеличения использования азота и усвояемости аминокислот, улучшать перистальтику кишечника.

Также в качестве стабилизатора может использоваться поливинилпирролидон, который индифферентен для организма, не поддается расщеплению ферментами и выводится в неизмененном виде почками. Поливинилпирролидон имеет выраженную способность образовывать комплексы с различными веществами и способен пролонгированно высвобождать их в организме. Использование полимеров поливинилпирролидона с разной длиной цепи позволяет контролировать скорость высвобождения активного компонента. Поливинилпирролидон способствует нормализации проницаемости клеточных мембран, результатом этого является восстановление электролитного состава, происходит нормализация функции печени и почек, усиливается диурез, восстанавливаются ферментные процессы, синтез белка и т.д.

Аскорбиновая кислота, выступающая в качестве восстановителя наночастиц меди, участвует в окислительно-восстановительных реакциях в организме, оказывает неспецифическое общестимулирующее влияние, адаптационные способности и сопротивляемость организма к инфекциям, а также способствует процессам регенерации.

Все вещества используют марки х.ч. или осч.

Способ осуществляют следующим образом.

В водно-кислотный раствор хитозана или поливинилпирролидона вносят восстановитель, затем при непрерывном перемешивании прекурсор меди. Смешивание компонентов осуществляют при комнатной температуре в заявленных интервалах. Далее полученную смесь облучают микроволновым излучением при мощности установки 400-1500 Вт в зависимости от объема раствора до образования наночастиц меди. Размеры наночастиц меди определяли методом рентгенофазового анализа. Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм.

Изобретение иллюстрируются нижеследующими примерами и иллюстрациями, на которых изображены:

Фиг. 1 - Характерная полоса плазмонного поглощения наночастиц меди;

Фиг. 2 - Рентгенофазовый анализ образца композита хитозан-наночастицы меди;

Фиг. 3 - Относительная численность патогенов в исследованных пробах, %.

Пример 1.

Наночастицы меди получали в растворе 1 мас.% хитозана в 6 мас.% уксусной кислоте. Аскорбиновую кислоту (0.1 мас.%) вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, раствор продували аргоном, выдерживали 5 минут, затем по каплям добавляли раствор CuCl₂ в концентрации 0.05 мас.%. (как прекурсора наночастиц меди) и систему перемешивали в течение 5 мин, затем раствор снова продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм.

Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.

Пример 2.

Наночастицы меди получали в водном растворе 1 мас.% поливинилпирролидона. В раствор вводили 0.1 мас.% янтарной кислоты. Аскорбиновую кислоту (0.1 мас.%) вводили в раствор при непрерывном перемешивании, раствор продували аргоном, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди. Концентрация ацетата меди (как прекурсора наночастиц меди) в растворе поливинилпирролидона составляла 0.05 мас.%. Раствор перемешивали в течение 10 мин, затем снова продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 5 минут. Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор -100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.

Пример 3.

Наночастицы меди получали в растворе 7 мас.% хитозана в 10 мас.% молочной кислоте. Аскорбиновую кислоту в концентрации 6 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди (3 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 20 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 15 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. По окончании процесса раствор приобрел красно-кирпичный цвет.Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.

Пример 4.

Наночастицы меди получали в растворе 1 мас.% хитозана в 2 мас.% янтарной кислоте. Аскорбиновую кислоту в концентрации 0.2 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди (0.05 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 5 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.

Пример 5.

Наночастицы меди получали в водном растворе 1 мас.% поливинилпирролидона. В раствор вводили 0.2 мас.% молочной кислоты. Аскорбиновую кислоту в концентрации 0.2 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор хлорида меди (0.1 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 5 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%.

Пример 6.

Наночастицы меди получали в растворе 3 мас.% хитозана в 1,2 мас.% уксусной кислоте. Аскорбиновую кислоту (2 мас.%) вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди в концентрации 1 мас.%. (как прекурсора наночастиц меди) и систему перемешивали в течение 10 мин, затем раствор продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 10 минут.По окончании процесса раствор приобрел красно-кирпичный цвет.Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм. Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%.

Хитозан и поливинилпирролидон в составе изобретения, а также уксусная, молочная и янтарная кислоты являются взаимозаменяемыми в соответствующих массовых процентах.

Качественным доказательством формирования наночастиц меди с выходом 100% и полным исчерпанием прекурсора меди является полоса плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 580 нм, полученная спектрофотометрическим методом.(Фиг. 1)

По данному способу изобретения по всем примерам получаются наночастицы меди, характеризующиеся средним размером ~ 30 нм. Подтверждением являются данные рентгенофазового анализа (Фиг. 2).

Смещение концентрации компонентов в сторону от указанных пределов затрудняет процесс получения продукта, поскольку ухудшается растворимость хитозана и уменьшается выход целевого продукта. Уменьшение концентрации поливинилпирролидона и хитозана ниже указанных пределов приводит к снижению стабильности дисперсии наночастиц меди в полимере. Пределы концентрации кислот оптимально подобраны для лучшего растворения полисахарида.

Высокую усвояемость разработанной биологически активной добавки по сравнению с использованием солевых форм меди обеспечивает хитозан, который способен раздвигать щелевые контакты в кишечнике и доставлять наночастицы меди в русло крови. Кроме того, усвояемость солей меди очень низкая, и примерно 80% меди выводится с фекалиями, вызывая загрязнение окружающей среды. А наночастицы меди, стабилизированные хитозаном (или поливинилпирролидоном) из-за их высокой физической реактивности могут стать многообещающей альтернативой при их использовании в гораздо меньших дозах, чем минералы (соли меди), в кормах для животных, что, как следствие, значительно увеличит эффективность их действия и рентабельность.

Наночастицы меди, комплексносвязанные с хитозаном, показали свою бактерицидную эффективность в опытах "in vitro" по отношению к культуре "Enterococcus faecalis".

Стабилизированные наночастицы меди, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокой усвояемостью по сравнению с солевыми формами меди, эффективными антибактериальными свойствами и могут быть использованы в виде сухой биологически активной добавки для введения в комбикорма, так и в виде раствора для добавки в выпойку (в том числе через дозатор медикатор).

Показателем усвояемости, а значит и биодоступности наночастиц меди, стабилизированных полимером, являются результаты исследования переваримости и использования питательных веществ корма цыплятами-бройлерами при добавлении в корма композиции. Основные показатели представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные показатели переваримости и использования питательных веществ корма у цыплят-бройлеров в возрасте 30-35 суток (проверено по 6 опытным животным) Показатель Группа контроль опытная Переваримость протеина, % 88,0±0,32 91,1±0,46 Использование азота, % 50,5±0,21 52,7±0,20 Доступность, %: лизина
метионина 81,9±0,39
80,8±0,30 82,9±0,36
81,9±0,33 Переваримость жира, % 75,2±0,19 76,7±0,29 Использование, %: кальция и фосфора 35,2±0,12
47,1±0,15 38,5±0,16
48,8±0,14

Показателем бактерицидности наночастиц меди, стабилизированных полимером, служит анализ количества патогенов из пробы ЖКТ цыплят-бройлеров (Фиг. 3). Наименьшее относительное содержание патогенов было отмечено в пробах от птиц из группы, рацион которой включал в себя наночастицы меди, стабилизированные хитозаном.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет ускорить процесс синтеза наночастиц меди (максимальное время синтеза - 15 минут), при отсутствии токсичных компонентов в качестве восстановителей и стабилизаторов.

Полученные растворы стабилизированных наночастиц меди можно использовать непосредственно после синтеза в выпойке (в том числе через дозатор медикатор), так и в высушенном виде для добавки в комбикорма.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению наночастиц меди. Может использоваться в сельском хозяйстве в качестве биологически активной добавки. Смешивают водный раствор, содержащий хлорид или ацетат меди в количестве 0,05-3 мас. %, в качестве стабилизатора хитозан или поливинилпирролидон в количестве 1-7 мас. %, в качестве восстановителя аскорбиновую кислоту в количестве 0,1-6 мас. %, а в качестве растворителя 0,1-10 мас. % раствора уксусной кислоты, или молочной кислоты, или янтарной кислоты, или их смеси. Полученную смесь облучают микроволновым излучением до образования наночастиц меди. Обеспечивается сокращение времени синтеза стабилизированных наночастиц меди, повышение усвояемости и антибактериальных свойств наночастиц. 3 ил., 1 табл., 6 пр.

Способ получения наночастиц меди, включающий смешение раствора, содержащего соль меди, стабилизатор, восстановитель и растворитель, и облучение полученной смеси микроволновым излучением до образования наночастиц меди, отличающийся тем, что смешивают водный раствор, содержащий 0,05-3 мас. % хлорида меди или ацетата меди, 1-7 мас. % хитозана или поливинилпирролидона в качестве стабилизатора, 0,1-6 мас. % аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя и 0,1-10 мас. % раствора уксусной кислоты, или молочной кислоты, или янтарной кислоты, или их смеси в качестве растворителя.