Способ получения композитных наночастиц Co/CoO с антимикробными свойствами и наночастицы, полученные данным способом Российский патент 2023 года по МПК C01G51/00 B22F9/14 B82B3/00 B82Y40/00 A61L2/238 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области химии и нанотехнологии, а именно к получению наночастиц с применением метода электрического взрыва проволоки (ЭВП) перспективных для использования в качестве электрокатализаторов, электрохимических сенсоров, суперконденсаторов, а также антимикробных агентов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна возможность применения оксида кобальта в качестве эффективного антибактериального агента, раскрытая в работах [Al-Fakeh M. S., Alsaedi R. O. Synthesis, Characterization, and Antimicrobial Activity of CoO Nanoparticles from a Co (II) Complex Derived from Polyvinyl Alcohol and Aminobenzoic Acid Derivative //The Scientific World Journal. – 2021. – Т. 2021., Singh A. K. A review on plant extract-based route for synthesis of cobalt nanoparticles: photocatalytic, electrochemical sensing and antibacterial applications //Current Research in Green and Sustainable Chemistry. – 2022. – С. 100270.], в которых показана возможность применения наночастиц CoO для дезактивации ряда штаммов, включая Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa.

В работах [Anuradha C. T., Raji P. Citrus limon fruit juice-assisted biomimetic synthesis, characterization and antimicrobial activity of cobalt oxide (Co3O4) nanoparticles //Applied Physics A. – 2021. – Т. 127. – №. 1. – С. 1-9.] показано, что наночастицы CoO, полученные при низкой температуре отжига (200°C и 400°C), проявляют превосходную антибактериальную активность с высокими ингибирующими зонами по сравнению с наночастицами, синтезированными при более высокой температуре отжига.

Авторами в статье [Khalil A. T. et al. Physical properties, biological applications and biocompatibility studies on biosynthesized single phase cobalt oxide (Co3O4) nanoparticles via Sageretia thea (Osbeck.) //Arabian Journal of Chemistry. – 2020. – Т. 13. – №. 1. – С. 606-619.] установлено, что наночастицы CoO со средним размером частиц 20,03 нм проявляют антибактериальную активность в отношении 3-х патогенных штаммов.

В вышеприведенных работах также отмечается, что зона ингибирования синтезированных наночастиц была меньше по сравнению со стандартными антибиотиками.

В статье [Khan, S. T., Wahab, R., Ahmad, J., Al-Khedhairy, A. A., Siddiqui, M. A., Saquib, Q., & Musarrat, J. (2015). CoO thin nanosheets exhibit higher antimicrobial activity against tested gram-positive bacteria than gram-negative bacteria. Korean Chemical Engineering Research, 53(5), 565-569.] показана высокая антимикробная активность тонких нанолистов CoO в отношении двух грамположительных бактерий (Micrococcus luteus и Staphylococcus aureus) и двух грамотрицательные бактерии (Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa).

Однако способы получения наноразмерных частиц, описанные в вышеприведенных источниках достаточно сложны, плохо управляемы, трудновоспроизводимы, что затруднительно для масштабирования.

Как правило, наночастицы Co/CoO получают химическими методами из растворов солей кобальта [Yang, M., Wu, D., & Cheng, D. (2019). Biomass-derived porous carbon supported CoCoO yolk-shell nanoparticles as enhanced multifunctional electrocatalysts. International Journal of Hydrogen Energy, 44(13), 6525-6534.] или путем частичного окисления наночастиц Co [Lozhkomoev A.S., Pervikov A.V., Kazantsev S.O., Suliz K.V., Veselovskiy R.V., Miller A.A., Lerner M.I. Controlled Oxidation of Cobalt Nanoparticles to Obtain Co/CoO/Co3O4 Composites with Different Co Content. Nanomaterials 2022, 12, 2523.].

Однако антимикробные свойства наночастиц Co/CoO, полученных данными способами, не исследовались.

Возможность получения методом электрического взрыва проволоки композитных наночастиц Со/СоО раскрывается в аннотации результатов к проекту «Создание высокочувствительных пленочных сенсоров на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта для магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений» [https://rscf.ru/prjcard_int?18-19-00090], авторы: Курляндская, Г. В., Бляхман, Ф. А., Сафронов, А. П., Щербинин, С. В., Лепаловский, В. Н., Волчков, С. О., Мехдиева, К. Р., Михневич, Е. А., Пасынкова, А. А. & Голубева, Е. В. В этой работе как пишут авторы определены оптимальные условия синтеза магнитных наночастиц (МНЧ) кобальта методом электрического взрыва проволоки (ЭВП). Установлено, что намагниченность насыщения МНЧ кобальта ниже на 5% в сравнении с намагниченностью насыщения объемного кобальта. Отмечено наличие обменного смещения, как и следует ожидать для системы Со/СоО.

К недостаткам вышеприведенного можно отнести то, что в работе не исследовались антимикробные свойства наночастиц Co/CoO и разрабатываемые наночастицы не были предназначены для использования в качестве антибактериального агента.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, одной из задач настоящего изобретения является разработка способа получения композитных наночастиц Co/CoO с улучшенной антибактериальной активностью.

Технический результат – композитные наночастицы Co/CoO с совмещенными антибактериальными и магнитными свойствами в одной частице, что делает их пригодными для магнитной сепарации, например, в процессе обеззараживания жидкостей.

Поставленная задача достигается тем, что как и в известном в предлагаемом способе композитные наночастицы Co/CoO получают методом электрического взрыва кобальтовой проволоки.

Новым является то, что для получения композитных наночастиц Co/CoO со структурой ядро-оболочка, где ядро это Co, а оболочка в основном состоит из оксида кобальта CoO_, в настоящем изобретении электрический взрыв кобальтовой проволоки предлагается проводить в буферном газе – смеси инертного газа и кислорода, содержащей от 1 до 3,5 об. % кислорода.

Кроме того используют кобальтовую проволоку диаметром 0,35 ‒ 0,5 мм и длиной. 70 – 100 мм.

Кроме того электрический взрыв проволоки осуществляют при зарядном напряжении при зарядном напряжении 27 – 32 кВ, предпочтительно 29 кВ, и емкости накопителя энергии 2,5 – 3,2 мкФ, предпочтительно 3,2 мкФ.

Предпочтительно, что в качестве инертного газа используют аргон

Поставленная задача достигается также тем, что полученная вышеописанным способом композитная наночастица Co/CoO, с антибактериальными свойствами, характеризуется структурой ядро-оболочка, где ядро это Co, а оболочка в основном состоит из оксида кобальта CoO при том что оболочка составляет от 6 до 72% по массе наночастицы.

Электрический взрыв Co проволоки в кислородсодержащем буферном газе позволяет получать композитные наночастицы со структурой ядро-оболочка, где ядром является Co, а оболочкой является CoO. При этом, изменяя содержание кислорода в буферном газе, можно регулировать соотношение Co/CoO в синтезируемых частицах нанопорошка. Благодаря наличию оксидной оболочки на поверхности, антибактериальная активность композитных наночастиц по отношению MRSA возрастает по сравнению с наночастицами Co, полученными в аргоне.

Авторами установлено, что с увеличением концентрации оксида кобальта антибактериальная активность композитных наночастиц возрастает, в то же время, магнитные свойства частиц сохраняются. Совмещение антибактериальных и магнитных свойств в одной частице делает их пригодными для магнитной сепарации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведено ПЭМ-изображение наночастиц Co, полученных в аргоне

Co – 0% O₂.

На фиг. 2 приведено ПЭМ-изображение наночастиц Co/CoO, полученных в буферном газе аргон+кислород при содержании кислорода 1,0 об%

Co – 1% O₂.

На фиг. 3 приведено ПЭМ-изображение наночастиц Co/CoO, полученных в буферном газе аргон+кислород при содержании кислорода 1,75 об%

Co – 1.75% O₂.

На фиг. 4 приведено ПЭМ-изображение наночастиц Co/CoO, полученных в буферном газе аргон+кислород при содержании кислорода 3,5 об%

Co – 3. 5% O₂.

На фиг. 5 приведены дифрактограммы образцов, полученных при электрическом диспергировании Co проволочки: 1) в инертной атмосфере (буферный газ Ar); 2) в буферном газе (Ar+O₂), содержащем 1,0 об. % O₂; 3) в буферном газе (Ar+O₂), содержащем 1,75 об. % O₂; 4) в буферном газе (Ar+O₂), содержащем 3,5 об. % O₂

На фиг. 6 приведена гистограмма, показывающая сокращение количества бактерий MRSA в зависимости от содержания CoO в композитных наночастицах Co/CoO.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемые в настоящем изобретении композитные наночастицы Co/CoO получены с помощью устройства электрического взрыва проволоки. Использовали кобальтовую проволоку диаметром 0,5 мм и длиной 80 мм. Электрический взрыв проволоки осуществляли при зарядном напряжении 29 кВ и емкости накопителя энергии 3,2 мкФ. Электрический взрыв проволоки осуществляли в буферном газе, представляющем собой смесь инертного газа аргона и кислорода, при этом содержание кислорода в газовой смеси меняли в пределах от 1,0 до 3,5 об. %.

Электронные изображения наночастиц были получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 (JEOL, Japan).

Средний размер наночастиц рассчитывали по данным электронной микроскопии. Для этого строили гистограммы распределения частиц по размерам. Для построения каждой гистограммы измеряли размеры не менее 1500 частиц. Средний размер частиц рассчитывали по уравнению a_n = Σn_iа_i/Σn_i, где n_i – количество частиц, попавших в выбранный интервал размеров, a_i – средний диаметр частиц в выбранном интервале.

Фазовый состав наночастиц определялся с помощью рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD 6000 (Shimadzu, Japan), полученные данные обрабатывались в программе «Powder Cell 2.4».

Магнитные свойства наночастиц исследовали с помощью спин-магнитометра JR-6 (AGICO, Чехия) при комнатной температуре.

Сущность изобретения поясняется также нижеприведенными примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Проволоку из кобальта (ГОСТ 123-2018) диаметром 0,5 мм и длиной 80 мм помещали в устройство электрического взрыва проволоки. Устройство предварительно вакуумировали для удаления воздуха из реактора, а затем заполняли буферным газом аргоном. После этого осуществляли электрический взрыв проволоки при зарядном напряжении 29 кВ и емкости накопителя энергии 3,2 мкФ. Наработанный порошок представлен сферическими наночастицами кобальта (Co). Характерные изображения наночастиц приведены на фиг. 1. Дифрактограмма наночастиц Co представлена на фиг. 5 (1).

Пример 2.

Проволоку из кобальта (ГОСТ 123-2018) диаметром 0,5 мм и длиной 80 мм помещали в реактор для электрического взрыва проволоки. Устройство предварительно вакуумировали, а затем заполняли буферным газом, представляющим собой смесь аргона и 1,0 об. %. кислорода. После этого осуществляли электрический взрыв проволоки при зарядном напряжении 29 кВ и емкости накопителя энергии 3,2 мкФ. Наработанный порошок представляет собой композитные наночастицы Co/CoO со слабой огранкой. Характерные изображения наночастиц приведены на фиг. 2. Дифрактограмма композитных наночастиц Co/CoO представлена на фиг. 5 (2).

Пример 3.

Проволоку по примеру 2 помещали в устройство электрического взрыва проволоки. Устройство вакуумировали, а затем заполняли буферным газом, представляющим собой смесь аргона и 1,75 об. % кислорода. После этого осуществляли электрический взрыв проволоки при зарядном напряжении 29 кВ и емкости накопителя энергии 3,2 мкФ. Наработанный порошок представляет собой композитные наночастицы Co/CoO со слабой огранкой. Характерные изображения наночастиц приведены на фиг. 3. Дифрактограмма композитных наночастиц Co/CoO представлена на фиг. 5 (3).

Пример 4.

Проволоку по примеру 2 помещали в устройство электрического взрыва проволоки. Устройство вакуумировали, а затем заполняли буферным газом, представляющим собой смесь аргона и 3,5 об. %. кислорода. После этого осуществляли электрический взрыв проволоки при зарядном напряжении 29 кВ и емкости накопителя энергии 3,2 мкФ. Наработанный порошок представляет собой ограненные композитные наночастицы Co/CoO. Характерные изображения наночастиц приведены на фиг. 4. Дифрактограмма композитных наночастиц Co/CoO представлена на фиг. 5 (4).

Пример 5.

Оценка антибактериальной активности композитных наночастиц Co/CoO по отношению к метициллин-резистентному золотистому стафилококку (MRSA).

Для исследования антибактериальной активности композитных наночастиц Co/CoO использовали культуру MRSA ATCC 43300 (Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов). 24-часовую бактериальную культуру смывали со скошенного агара 5 мл стерильного раствором PBS (рН=7.4). Плотность микробной взвеси определяли при помощи денситометра DensiLaMeterII. Плотность суспензии доводили до мутности 0,5 по стандарту мутности МакФарланда (0,5Ч10⁸ КОЕ/мл), путем добавления в суспензию микробной массы или разбавления ее стерильным физиологическим раствором. Окончательная концентрация инокулюма составляла 10⁵ КОЕ/мл. Инокулюм использовали не более 30 минут после разведения для сохранения жизнеспособности клеток. В 96-луночном планшете смешивали 100 мкл суспензии бактерий и 100 мкл исследуемого препарата (100 мкл суспензии, содержащей 100 мг наночастиц) или контрольного раствора. В качестве отрицательного контроля использовали раствор 0,9 % NaCl.

Полученные смеси инкубировали при 37^◦С в течение 1 ч. После инкубирования делали 10-кратные разведения в 0,9 % NaCl и наносили их на чашки Петри со средой Мюллера-Хинтона. Чашки Петри инкубировали в течение 24 часов при 37 °С, затем осуществляли подсчет колоний и определяли количество выживших бактерий после инкубирования с наночастицами Эксперименты проводили в трех технических повторностях. Результаты исследования антибактериальной активности композитных наночастиц Co/CoO приведены на фигуре 6.

Данные, приведенные на фиг. 6 показывают, что композитные наночастицы Co/CoO проявляют более высокую антибактериальную активность по отношению к антибиотикоустойчивому MRSA по сравнению с наночастицами Co. Антибактериальная активность композитных наночастиц Co/CoO зависит от содержания оксида кобальта и увеличивается. Сокращение количества микроорганизмов после контакта с композиционными наночастицами составляет от 75% для Co/CoO (6%маcc. CoO) до 86 % для образца Co/CoO (72%маcc. CoO) с максимальным содержанием оксида кобальта.

ПЭМ-изображения композитных наночастиц, полученных при электрическом взрыве кобальтовой проволоки в атмосфере аргон-кислород по примерам 1-4 соответственно представлены на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлены наночастицы Co сферической формы, полученные в аргоне. При содержании кислорода в буферном газе 1,0 об. % (фиг. 2.) и 1,75 об. % (фиг. 3) наблюдаются наночастицы сферической формы, кроме того появляется небольшое число ограненных частиц со структурой ядро-оболочка. При увеличении содержания кислорода в буферном газе до 3,5 об. % (фиг. 4.), практически все частицы имеют ограненную форму, количество сферических наночастиц относительно мало из-за образования на поверхности частиц оболочки из CoO.

Характеристики композитных наночастиц Co/CoO, полученных при различном содержании кислорода в буферном газе (примеры 1-4), приведены в таблице 1: средний размер наночастиц, магнитные свойства и фазовый состав наночастиц, полученных в буферном газе при содержании кислорода: 1 – 0 об. %, 2 – 1,0 об. %, 3 – 1,75 об. %; 4 – 3,5 об. %.

Таблица 1. Характеристики композитных наночастиц Co/CoO, полученных электрическим взрывом кобальтовой проволоки в кислородсодержащем буферном газе

Пример Содержание кислорода в буферном газе, об.% Размер частиц, нм Содержание фаз в образцах Co/Co, % масс Магнитные свойства частиц Co CoO H_c, Э M_s, эме/г M_r, эме/г 1 0 57±1 100 ‒ 225 89,6 6,4 2 1,0 59±1 94 6 241 78,1 5,0 3 1,75 52±1 61 39 157 47,0 1,6 4 3,5 59±1 28 72 76 25,6 0,4

M_s ‒ намагниченность насыщения, эме/г; M_r – остаточная намагниченность, эме/г;
H_c ‒ коэрцитивная сила, Э

Из данных, приведенных в таблице 1 видно, что среднечисленный размер частиц практически не зависит от содержания кислорода в буферном газ и составляет 52-59 нм. Отсутствие явной зависимости среднечисленного размера частиц от содержания O₂ в буферном газе позволяет сделать вывод, что формирование оксида кобальта происходит в результате окисления поверхности частиц, сформировавшихся при электрическом взрыве кобальтовой проволоки. Таким образом, на поверхности частиц формируется оболочка из оксида кобальта. Увеличение концентрации кислорода в буферном газе приводит к увеличению содержания оксида кобальта в наночастицах от 6 до 72% масс.

Наночастицы кобальта обладают намагниченностью насыщения (M_s) 89,6 эме/г. C увеличением содержания CoO в композитных наночастицах M_s снижается до 25,6 эме/г. Остаточная намагниченности (M_r) снижается с 6,37 эме/г до 0,41 эме/г. Коэрцитивная сила (H_c) композитных наночастиц Co/CoO при увеличении концентрации CoO снижается с 241 Э до 76 Э для наночастиц, содержащих 72% масс CoO.

Таким образом, электрический взрыв Co проволоки в кислородсодержащем буферном газе позволяет получать композитные наночастицы со структурой ядро-оболочка, где ядром является Co, а оболочкой является CoO. При этом, изменяя содержание кислорода в буферном газе, можно регулировать соотношение Co/CoO в нанопорошках. Благодаря наличию оксидной оболочки на поверхности, антибактериальная активность композитных наночастиц по отношению MRSA возрастает по сравнению с наночастицами Co, полученными в аргоне.

Полученные данные демонстрируют потенциал применения композитных наночастиц Co/CoO в качестве перспективных антибактериальных агентов для борьбы с устойчивыми штаммами. С увеличением концентрации оксида кобальта антибактериальная активность композитных наночастиц возрастает, в то же время, магнитные свойства частиц сохраняются. Совмещение антибактериальных и магнитных свойств в одной частице делает их пригодными для магнитной сепарации.

Группа изобретений относится к области химии и нанотехнологии, а именно к получению наночастиц с применением метода электрического взрыва проволоки (ЭВП), перспективных для использования в качестве электрокатализаторов, электрохимических сенсоров, суперконденсаторов, а также антимикробных агентов. Способ получения композитных наночастиц Co/CoO со структурой ядро-оболочка, где ядро - это Co, а оболочка состоит из оксида кобальта CoO, с совмещенными магнитными и антибактериальными свойствами включает электрический взрыв кобальтовой проволоки в буферном газе – газовой смеси аргона и кислорода, содержащей от 1 до 3,5 об.% кислорода. Предложено также применение полученных композитных наночастиц Co/CoO со структурой ядро-оболочка, где содержание CoO составляет от 6 до 72% по массе наночастицы, в качестве средства, имеющего высокую антибактериальную активность по отношению к антибиотикоустойчивому MRSA. Полученные композитные наночастицы Co/CoO обладают совмещенными антибактериальными и магнитными свойствами в одной частице, что делает их пригодными для магнитной сепарации, например, в процессе обеззараживания жидкостей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл., 5 пр.

1. Способ получения композитных наночастиц Co/CoO с совмещенными магнитными и антибактериальными свойствами путем электрического взрыва кобальтовой проволоки (Со), отличающийся тем, что для получения композитных наночастиц Co/CoO со структурой ядро-оболочка, где ядро это Co, а оболочка состоит из оксида кобальта CoO, электрический взрыв кобальтовой проволоки осуществляют в буферном газе – газовой смеси аргона и кислорода, содержащей от 1 до 3,5 об.% кислорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения упомянутых наночастиц используют кобальтовую проволоку c диаметром от 0,35 до 0,5 мм, предпочтительно диаметром 0,5 мм и длиной от 70 до 100 мм, предпочтительно 80 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический взрыв проволоки осуществляют при зарядном напряжении 27-32 кВ, предпочтительно 29 кВ и емкости накопителя энергии 2,5-3,2 мкФ, предпочтительно 3,2 мкФ.

4. Применение композитных наночастиц Co/CoO со структурой ядро-оболочка, где ядро - это Co, а оболочка состоит из оксида кобальта CoO, при том, что содержание CoO составляет от 6 до 72% по массе наночастиц, полученных способом по любому из пп. 1-3 в качестве средства, имеющего высокую антибактериальную активность по отношению к антибиотикоустойчивому MRSA.

5. Применение по п. 4, отличающееся тем, что композитные наночастицы Co/CoO используют в качестве средства для магнитной сепарации в процессе обеззараживания жидкостей.