Способ получения бактерицидных золей на основе наноразмерных оксидов титана(IV) с контролируемыми размерами наночастиц Российский патент 2024 года по МПК C01G23/04 B82Y30/00 B82B3/00 

Изобретение относится к способу приготовления коллоидных растворов с наноразмерными оксидами титана(IV), применяемых в качестве бактерицидных агентов в отношении патогенных и условно-патогенных бактерий.

Наноразмерные диоксиды титана – перспективные объекты исследования, благодаря сочетанию свойств, обусловленных размерными эффектами [Moritz T., Reiss J., Diesner K. et al. Nanostructured crystalline TiO2 through growth control and stabilization of intermediate structural building units // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 41. P. 8052].

Получение наноразмерных оксидов титана(IV) в виде коллоидного раствора (золя) с размерами наночастиц <10 нм позволяет наносить (распылять) TiO₂ тонкой пленкой или слоем на различные поверхности без дополнительной термической обработки [Wang, X.; Hou, X.; Luan, W.; Li, D.; Yao, K. The Antibacterial and Hydrophilic Properties of Silver-Doped TiO2 Thin Films Using Sol–Gel Method. Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 8241–8246. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.05.028; Liu, Y.-J.; Aizawa, M.; Wang, Z.-M.; Hatori, H.; Uekawa, N.; Kanoh, H. Comparative Examination of Titania Nanocrystals Synthesized by Peroxo Titanic Acid Approach from Different Precursors. J. Colloid Interface Sci. 2008, 322, 497–504. DOI: 10.1016/j.jcis.2008.03.034]. Однако титан-оксидные наночастицы в золях <10 нм (как правило, 3-5 нм) со временем агломерируют и выпадают в осадок, в виду высокой поверхностной энергии наночастиц, что приводит к ухудшению или к исчезновению эксплуатационных свойств.

Все методы синтеза коллоидных растворов с наноразмерными оксидами титана(IV) можно разделить на 2 группы: «сверху вниз» – диспергирование готового порошкообразного наноразмерного диоксида титана (см. например [Wen-Bin Tsai et. al. Dispersion of Titanium Oxide Nanoparticles in Aqueous Solution with Anionic Stabilizer via Ultrasonic Wave. J. Nanoparticles. 2016. V. 2016. Article ID 6539581. https://doi.org/10.1155/2016/6539581; Ceballos-Chuc, M.C.; Ramos-Castillo, C.M.; Rodríguez-Pérez, M.; Ruiz-Gómez, M.Á.; Rodríguez-Gattorno, G.; Villanueva-Cab, J. Synergistic Correlation in the Colloidal Properties of TiO₂ Nanoparticles and Its Impact on the Photocatalytic Activity. Inorganics 2022, 10, 125. https://doi.org/10.3390/inorganics10090125]) и «снизу вверх» – гидролизом титан-содержащих прекурсоров (см. [З.Р. Исмагилов. Синтез и стабилизация наноразмерного диоксида титана. Успехи химии. 2009. Т. 78, № 9, С. 943-955]). В обоих случаях золи синтезируют с использованием сурфактантов и/или при воздействии ультразвукового излучения. В подавляющем большинстве работ золи с оксидами титана(IV), полученные подходом «снизу вверх» (гидролизом титан-содержащих прекурсоров), используют как промежуточный этап для синтеза порошкообразного TiO₂ или тонких пленок на различных носителях в рамках золь-гель метода, поэтому сами золи (характеристики и функциональные свойства) мало изучаются.

В работе [Ceballos-Chuc, M.C.; Ramos-Castillo, C.M.; Rodríguez-Pérez, M.; Ruiz-Gómez, M.Á.; Rodríguez-Gattorno, G.; Villanueva-Cab, J. Synergistic Correlation in the Colloidal Properties of TiO₂ Nanoparticles and Its Impact on the Photocatalytic Activity. Inorganics 2022, 10, 125. https://doi.org/10.3390/inorganics10090125] описан способ получения коллоидных растворов с TiO₂, основанный на диспергировании готового порошка TiO₂ со структурой анатаза, полученного гидротермальным методом с микроволной обработкой. Полученные коллоидные растворы демонстрировали высокие показатели фотокаталитических свойств в реакции деградации красителя метиленового синего с константой скорости k=0.0503 мин^-1 (УФ-излучение). Недостатком данного метода синтеза, равно как и остальных методов группы «сверху вниз», являются высокие значения гидродинамических диаметров титан-оксидных наночастиц в золях (>200 нм), что снижает стабильность коллоидного раствора.

Описан способ синтеза коллоидных растворов с оксидами титана(IV) гидролизом TiCl₄ в присутствии глицерина как стабилизатора [Н. А. Аминева, Р. А. Мустакимов, М. В. Базунова. О возможности получения стабильных гидрозолей диоксида титана в присутствии глицерина. Вестник Башкирского университета. 2018. Т. 23. №4. C. 1051-1055]. Авторами показано, что размеры наночастиц оксида титана(IV) в золях (данные реологического исследования) симбатно зависят от исходной концентрации прекурсора TiCl₄, температуры и длительности гидролиза золей. Стабильность золей и их функциональные свойства авторами не изучались. Недостатком данного метода являются большие размеры наночастиц TiO₂ (>50 нм) и использование стабилизирующего реактива, способного подавлять параметры функциональных свойств.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения золей с наноразмерными оксидами титана(IV) [A. Katoch et. al. J. Sol-Gel Sci. Tech. 2011. doi:10.1007/s10971-011-2593-6], основанный на гидролизе изопропоксида титана Ti(OCH(CH₃)₂)₄ в присутствии этанола и азотной кислоты как стабилизирующего агента в мольном соотношении Ti⁴⁺ : HNO₃ = 1:1. Варьируемым параметров с синтезе золей являлось только мольное соотношение H₂O : Ti⁴⁺ = 0.67-15 : 1, причем стабильный золь (стабильность ~6 месяце) с размерами наночастиц TiO₂ 3-5 нм (данные просвечивающей электронной микроскопии – ПЭМ) получен при соотношении H₂O : Ti⁴⁺ = 4. Однако авторами отмечалось, что данный золь мутнел через 1 сутки после получения, что свидетельствует об увеличении размеров наночастиц, что является недостатком метода синтеза. Функциональные свойства золей авторы не изучали. Также к недостаткам можно отнести невозможность контроля размеров наночастиц, играющих ключевую роль в реализации функциональных свойств, в том числе антимикробных.

Технический результат изобретения заключается в получении бактерицидных коллоидных растворов с наноразмерными оксидами титана(IV) с контролируемыми размерами наночастиц при упрощении процесса получения.

Технический результат достигается гидролизом титан-алкоксидных прекурсоров (тетраизопропоксид титана – Ti(OCH(CH₃)₂)₄, тетрабутоксид титана – Ti(C₄H₉O)₄) водой в присутствии спирта (изопропанола или n-бутанола) с добавлением стабилизирующей кислоты HNO₃ в разных соотношениях Ti⁴⁺ : H⁺ = 3 : 0.05, в интервалах температур T=20 – 80°C и длительности гидролиза t=10 – 130 мин.

Коллоидные растворы с наноразмерными оксидами титана(IV) получали в 2 этапа: смешение титан-алкоксидного прекурсора со спиртом R-OH (тетраизопропоксид титана с изопропанолом, тетрабутоксид титана с n-бутанолом) в объемном соотношении Ti⁴⁺ : R-OH = 6 – 1 : 1, далее полученную спиртовую смесь вносили в водный раствор азотной кислоты по каплям или единовременно при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке с последующей выдержкой смеси при T=20 – 80°C в течение t=10 – 130 мин. Готовый золь охлаждали до комнатной температуры. Старение золя осуществляли при комнатной температуре в вытяжном шкафу. Золь считали стабильным до выпадения осадка или до его опалесценции.

Гидродинамические диаметры частиц наноразмерного оксида титана(IV) и распределение по размерам определяли методом динамического рассеяния света (ДРС) на фотонном анализаторе частиц Zetasizer NanoZS фирмы «Malvern» (Великобритания): диапазон измерений частиц от 0.6 до 6000 нм; рабочий интервал температур – от 2 до 120°С; угол детектирования рассеянного света 173°; источник света – гелий-неоновый лазер с длиной волны 633 нм; мощность источника света 4 мВт. Погрешность измерения – 0.1%. Распределение гидродинамических диаметров наночастиц (d, нм) выбирали по числу частиц, поскольку зачастую данное распределение используют для реализации практических целей, в том числе, и для биологических исследований [Эскин В.Е. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул. Л.: Наука. 1986. 286 с].

Антимикробные свойства золей с оксидами титана(IV) изучены методов «колодцев» в темноте в отношении грам-отрицательных (E. coli и P. aeruginosa) и грам-положительной (S. aureus) бактерий. Тест-бактерию засевали “газоном” в чашки Петри на агар Мюллера–Хинтона. С помощью тонкостенного цилиндра (диаметром 6-8 мм) на поверхности агара делали лунки, в которые вносили тестируемые образцы в порошкообразном виде (с добавление 2-3 капель физиологического раствора – водного раствора NaCl). Далее чашки Петри помещали в термостат при 37°C на 24 ч. Оценка чувствительности микроорганизмов осуществлена по зоне задержки роста бактерий (величина Д, мм) вокруг лунки с помощью линейки.

Пример 1. Смешение тетраизопропоксида титана (далее TiIPO) с изопропанолом (далее IPOOH) в объемном соотношении TiIPO : C₃H₈O = 6:1 с дальнейшим внесением полученной смеси по каплям в концентрированный водный раствор азотной кислоты при интенсивном перемешивании, причем мольное соотношение Ti⁴⁺ : HNO₃ = 0.2 : 4. Выдерживание реакционной смеси на магнитной мешалке при 50°С 20 минут. Золь 1 оставался стабильным в течение 16 суток (таблица 1), мономодальным с гидродинамическими диаметрами (d, нм) наночастиц оксидов титана(IV) d=1712 нм.

Примеры 2, 3, 7, 11, 12, 14. Условия синтеза золей 2, 3, 7, 11, 12, 14 аналогичны условиям примера 1, за исключением варьируемых параметров синтеза (см. таблицу 1). Более стабильными оставались те золи (16 суток), которые синтезировались в с добавлением большего количества азотной кислоты (мольное отношение Ti⁴⁺ : HNO₃ = 0.2 : 4).

Примеры 4-6, 8-10, 13. Золи с TiO₂ (условия синтеза приведены в таблице 1) разрушились с выпадением белого осадка либо в процессе синтеза (золь 13), либо в течение суток. Отметим, что данные золи получены в растворах с меньшим содержанием азотной кислоты (0.26-0.3 моль).

Таблица 1. Условия синтеза и характеристика золей с диоксидом титана (прекурсор TiIPO)

№ золя Объемное отношение
Ti⁴⁺ / IPOOH Мольное отношение
Ti⁴⁺ / HNO₃ T*, ºC t**, мин d***, нм Стабильность золей, сутки 1 6 : 1 0.2 / 4 50 20 1712 16 2 6 : 1 0.2 / 4 50 30 889.6 16 3 6 : 1 0.2 / 4 80 20 1.7 16 4 6 : 1 0.14 / 0.3 45 60 –**** 1 5 6 : 1 0.14 / 0.3 60 60 – 0.5 6 6 : 1 0.14 / 0.3 60 15 – 0.5 7 6 : 1 0.28 / 0.1 45 130 8.3 9 8 6 : 1 0.14 / 0.26 45 83 – 1 9 6 : 1 0.14 / 0.26 25 61 – 1 10 6 : 1 0.14 / 0.26 45 56 – 1 11 6 : 1 0.14 / 0.53 25 60 832.4 6 12 6 : 1 0.14 / 0.53 20 58 716.2 4 13 6 : 1 0.14 / 0.1 80 60 – 0 14 6 : 1 0.28 / 0.1 45 130 5.4 4

* – температура гидролиза титан-алкоксидных прекурсоров, ** – длительность гидролиза прекурсоров, *** – гидродинамические диаметры титан-оксидных наночастиц, **** – гидродинамические диаметры d золя не определяли в виду разрушения золя (выпадение осадка).

Примеры 15, 16, 28, 29. Смешение тетрабутоксида титана (далее TiBut) с n-бутанолом (далее ButOH) в объемном соотношении Ti⁴⁺ : ButOH = 6:1 с дальнейшим внесением полученной смеси по каплям в водный раствор азотной кислоты при интенсивном перемешивании. Выдерживание реакционной смеси на магнитной мешалке при температуре 45-80°С в течение 20-30 минут. Золь 15 оставался стабильным в течение 17 суток (таблица 2), бимодальным. Золи 16, 28 и 29 мономодальные с меньшими размерами d (таблица 2) и более стабильные (90 суток). При большем количестве азотной кислоты (>2 моль) при синтезе золей стабильность коллоидных растворов сильно возрастает до 90 суток.

Таблица 2. Условия синтеза и характеристика золей с диоксидом титана (прекурсор TiBut)

№ золя Объемное отношение
Ti⁴⁺ / ButOH Мольное отношение Ti⁴⁺ / HNO₃ T*, °C t**, мин d***, нм Стабильность золей, сутки 15 6 : 1 0.3 / 4 50 30 2159 (41.6%)
487.2 (58.4%) 17 16 6 : 1 0.3 / 4 80 20 1021 90 17 6 : 1 0.35 / 0.3 45 60 –**** 2 18 6 : 1 0.35 / 0.3 60 60 – 2 19 6 : 1 0.35 / 0.3 60 30 – 2 20 6 : 1 0.17 / 0.3 60 60 – 0 21 6 : 1 0.17 / 0.3 80 20 – 0 22 6 : 1 0.17 / 0.3 60 40 – 0.5 23 6 : 1 0.17 / 0.8 45 70 – 0.5 24 6 : 1 0.15 / 1.58 20 50 – 2 25 6 : 1 0.15 / 1.58 20 80 – 2 26 6 : 1 0.15 / 2.38 20 60 – 2 27 6 : 1 0.15 / 2.38 25 60 – 2 28 6 : 1 0.47 / 4 45 20 0.7 90 29 6 : 1 0.47 / 4 45 20 2.628 90 30 2 : 1 0.22 / 4 45 20 3096 10 31 1 : 1 0.42 / 2 35 60 1.11 90 32 1 : 1 0.40 / 3 35 20 1.71 90 33 1 : 1 0.38 / 2 35 90 3.46 90

* – температура гидролиза титан-алкоксидных прекурсоров, ** – длительность гидролиза прекурсоров, *** – гидродинамические диаметры титан-оксидных наночастиц, **** – гидродинамические диаметры d золя не определяли в виду разрушения золя (выпадение осадка).

Примеры 17-27. Золи с наноразмерными оксидами титана(IV) (условия синтеза приведены в таблице 2) разрушились с выпадением белого осадка либо в процессе синтеза (золи 20, 21), либо в течение 2-х суток.

В описанных выше примерах золи синтезированы при соотношении Ti⁴⁺ : ButOH и Ti⁴⁺ : IPOOH = 6 : 1, а реакционная смесь титан-алкоксида и спирта вносилась в водный раствор азотной кислоты по каплям.

Пример 30. Смешение TiBut с ButOH в мольном соотношении Ti⁴⁺ : ButOH = 2:1 с дальнейшим внесением полученной смеси единовременно в водный раствор азотной кислоты при интенсивном перемешивании. Выдерживание реакционной смеси на магнитной мешалке при температуре 45°С в течение 20 минут. Золь 30 характеризовался мономодальностью и стабильностью 10 суток.

Примеры 31-33. Смешение TiBut с ButOH в мольном соотношении Ti⁴⁺ : ButOH = 1:1 с дальнейшим внесением полученной смеси единовременно в водный раствор азотной кислоты при интенсивном перемешивании. Выдерживание реакционной смеси на магнитной мешалке при температуре 35°С в течение 20-90 минут. Золи 31-33 характеризовались мономодальностью и высокой стабильностью 90 суток (соотношение Ti⁴⁺ : HNO₃ ~ 0.4 : 2-3).

Количество n-бутанола, вносимое в реакционную смесь, смещает равновесие реакции (Ti(СH₃(CH₂)₂CH₂O)₄ + 2 H₂O → TiO₂ + 4 СH₃(CH₂)₂CH₂OH) в сторону реагентов, гидролиз тетрабутоксида титана ингибируется, чем объяснимо уменьшение гидродинамических диаметров наночастиц оксидов титана(IV) и увеличение стабильности золей.

Антимикробные свойства изучены на золях 29 и 33 (таблица 2) в темноте.

Оба золя проявили высокие антимикробные свойства, с диаметром задержки зоны роста бактерий Д>38 мм (таблица 3).

Таблица 3. Диаметр задержки зоны роста бактерий на золях с оксидами титана(IV)

Золи d, нм Д, мм E. coli S. aureus P. aeruginosa Золь 29 2.63 41(±2) 38(±2) 40(±2) Золь 33 3.45 67(±2) 55(±2) 67(±2)

Отметим, что немного большая антимикробная активность достигнута на золе 33, полученному с использованием большего количества n-бутанола, но меньшего содержания HNO₃, в сравнении с золем 29 (таблица 2).

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ получения антимикробных коллоидных растворов с наноразмерными оксидами титана (IV) из титаналкоксидных прекурсоров, включающий гидролиз тетраизопропоксида титана или тетрабутоксида титана водой в присутствии стабилизирующей азотной кислоты при температуре в интервале 20-80°C, длительности гидролиза 10-130 мин; при этом при гидролизе тетраизопропоксида титана применяли азотную кислоту в мольном соотношении Ti⁴⁺: HNO₃ = 0,14-0,28 : 0,1-4, в качестве ингибитора скорости гидролиза применяли изопропанол в объемном соотношении TiIPO : C₃H₈O = 6:1; при гидролизе тетрабутоксида титана (TiBut) применяли азотную кислоту в мольном соотношении Ti⁴⁺: HNO₃ = 0,15-0,47 : 0,3-4, в качестве ингибитора скорости гидролиза - сопряженный спирт n-бутанол в объемном соотношении TiBut : n-C₄H₉OH = 1-6 : 1. Изобретение обеспечивает расширение арсенала средств, применяемых в качестве бактерицидных агентов в отношении патогенных и условно-патогенных бактерий. 3 табл., 33 пр.

Способ получения антимикробных коллоидных растворов с наноразмерными оксидами титана (IV) из титаналкоксидных прекурсоров, включающий гидролиз тетраизопропоксида титана или тетрабутоксида титана водой в присутствии стабилизирующей азотной кислоты при температуре в интервале 20-80°C, длительности гидролиза 10-130 мин; при этом при гидролизе тетраизопропоксида титана применяли азотную кислоту в мольном соотношении Ti⁴⁺: HNO₃ = 0,14-0,28 : 0,1-4, в качестве ингибитора скорости гидролиза применяли изопропанол в объемном соотношении TiIPO : C₃H₈O = 6:1; при гидролизе тетрабутоксида титана (TiBut) применяли азотную кислоту в мольном соотношении Ti⁴⁺: HNO₃ = 0,15-0,47 : 0,3-4, в качестве ингибитора скорости гидролиза - сопряженный спирт n-бутанол в объемном соотношении TiBut : n-C₄H₉OH = 1-6 : 1.