СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ БАКТЕРИЦИДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ЧАСТИЦ СЕРЕБРА Российский патент 2025 года по МПК C01F7/02 A01N59/06 A01N59/16 

Изобретение относится к области получения порошкообразных неорганических композиционных материалов, которые могут быть использованы в свою очередь в биомедицинской отрасли в качестве компонентов бактерицидных средств, например, как наполнители для тканей, способных выполнять противомикробные функции, составной части имплантируемых конструктивов. Главными компонентами таких материалов в ряде случаев являются инертные или биосовместимые носители, в частности, частицы оксида алюминия, а также находящиеся на их поверхности высокодисперсные частицы серебра, обладающие ярко выраженным антибактериальным действием по отношению к разного рода патогенным микроорганизмам.

Известны различные методы получения высокодисперсных частиц серебра и его оксидов. К таким методам относятся электрохимические (Габриелян, Л.С. Антибактериальные свойства наночастиц серебра и мембранотропные механизмы их действия / Л.С. Габриелян, АА. Трчунян // Журнал Белорусского государственного университета. Биология. - 2020. - Т. 3. - С. 64-71.); например, гальваническое осаждение (Smolle, M.A. Long-term changes in serum silver concentrations after extremity reconstruction with silver-coated megaprostheses / M.A. Smolle, M. Bergovec, S. Scheipl, W. Gössler, F. Amerstorfer, M. Glehr, A. Leithner, J. Friesenbichler // Scientific Reports. - 2022. - V. 12. - 13041. https://doi.org/10.1038/s41598-022-16707-0); осаждение из водных растворов под микроволновым воздействием, методы с использованием золей с воздействием ультразвука, термического разложения (Мелешко, А.А. Антибактериальные неорганические агенты: эффективность использования многокомпонентных систем / А.А. Мелешко, А.Г. Афиногенова Г.Е. Афиногенов, А.А. Спиридонова, В.П. Толстой // Инфекция и иммунитет. - 2020. - Т. 10. - Вып. 4. - С. 639-654); газофазного осаждения (Dorovskikh, S.I. Heterostructures Based on Noble Metal Films with Ag and Au Nanoparticles: Fabrication, Study of In Vivo Biocompatibility and Antibacterial Activity / S.I. Dorovskikh, E.S. Vikulova, D.S. Sergeevichev, T.Ya. Guselnikova, I.V. Korolkov, A.D. Fedorenko, D.A. Nasimov, M.B. Vasilieva, E.V. Chepeleva, K.V. Zherikova, T.V. Basova, N.B. Morozova // Coatings. - 2023. - V. 13. - 1269. https://doi.org/10.3390/coatings13071269); восстановления реагентами, например, цитратный, боргидридный метод, методы с использованием других, в частности, органических восстановителей, лазерно-абляционные, радиолитические методы, электроконденсационные, биомиметические методы (Крутяков, Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы / Ю.А. Крутяков, А.А. Кудринский, А.Ю. Оленин, Г.В. Лисичкин // Успехи химии. - 2008. - Т. 77. - Вып. 3. - С. 242-269); ионной имплантации (Степанов, А.Л. Оптические свойства металлических наночастиц, синтезированных в полимере методом ионной имплантации (обзор) / А.Л. Степанов // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74. - Вып. 2. - С. 1-12.) и др. Образование высокодисперсных частицы серебра происходит непосредственно на носителях, либо они наносятся на него после получения, что требует проведения дополнительной технологической операции. В ряде методов используется специальное оборудование, относительно дорогостоящие реагенты, это приводит к усложнению технологии и ее удорожанию.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению способом получения дисперсных композиций на основе оксида алюминия и частиц серебра является метод, описанный в опубликованной в открытом источнике (сеть Интернет) бакалаврской работе “Разработка бактерицидных композиционных материалов на основе оксида алюминия и наночастиц серебра” (ссылка https://earchive.tpu.ru/handle/11683/61013, открыта 23.05.2024 в 17.14 московского времени), выполненной в Томском политехническом университете. Автором является Чжоу Линь, научным руководителем Лямина Галина Владимировна. Направление обучения 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», дата сдачи работы 29 мая 2020 года (тема утверждена приказом №59-87/C от 28.02.2020). Описанный в работе метод включает получение оксида алюминия путем реализации спрей-процесса с разбрызгиванием микрокапель водной суспензии термически неустойчивых соединений алюминия в разогретом распылительном реакторе. Главным образом в качестве исходного реагента используется нитрат или сульфат алюминия, к которым добавляют раствор аммиака. Для сбора полученных частиц оксида алюминия используют воздействие потенциально опасного высокого напряжения и собирают их затем механически со стенок колбы. После чего оксид алюминия подвергают термообработке при температуре 600 или 1250°С. Серебро из водного раствора его нитрата восстанавливают при помощи глюкозы, аскорбиновой кислоты, полиэтиленгликоля, глицерина и других реагентов на поверхности полученного оксида алюминия. Количество серебра в получаемых композициях, исходя из расчета по данным, приведенным в работе, составляет от 4 до 16 % по массе, оксида алюминия - от 8 до 30 %. Образцы при этом содержат существенное количество углерода (до 50 и более %), а также серы (до 38 %), источником которой служит, по-видимому, используемый сульфат. Таким образом, полученные дисперсные бактерицидные композиции имеют не совсем определенный состав и примеси. Описанный способ требует проведения отдельных операций по получению оксида алюминия и осаждения на ней серебра, в технологии используется высокое напряжение. Осаждаемое из раствора серебро не полностью садится на носитель из оксида алюминия и необходимо его отделение и переработка для повторного использования, что требует дополнительных затрат.

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении технологии, снижении затрат на ее реализацию, получении воспроизводимых по составу бактерицидных композиций.

Технический результат предлагаемого технического решения состоит в снижении энергоемкости и затрат времени на получение антибактериальных дисперсных композиций, упрощении способа их получения, достижения воспроизводимых результатов с точки зрения состава композиций, уменьшении количества примесей в них при достижении высоких бактерицидных свойств. Предлагаемый способ позволяет проводить синтез антибактериальных дисперсных композиций в одну стадию вместо двух, как это делается в наиболее близком из известных технических решений.

Заявляемый способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра включает:

- синтез частиц оксида алюминия с использованием водных растворов и нанесенных на него частиц высокодисперсного серебра,

- с получением оксида алюминия и серебра путем термического разложения нитрата алюминия при нагревании,

- восстановлением серебра, взятого в виде водного раствора его нитрата с добавлением органического компонента.

От прототипа способ отличается тем, что:

- синтез дисперсной бактерицидной композиции осуществляется в одном реакционном цикле, за счет возможности совместного проведения реакций горения нитрат-органических прекурсоров для получения частиц оксида алюминия и для получения частиц серебра,

- при этом нитрат серебра и нитрат алюминия растворяют в воде с получением одного раствора в заданных пропорциях в стехиометрическом соотношении, определяющемся расчетами по реакциям горения с получением серебра и оксида алюминия соответственно, исходя из содержания серебра и оксида алюминия в итоговой композиции,

- при этом нитрат серебра и нитрат алюминия растворяют в воде с получением одного раствора в пропорциях, определяющихся содержанием серебра и оксида алюминия в итоговой композиции, расчет каждого из компонентов проводится, исходя из уравнений реакций горения нитрат-органических прекурсоров для синтеза серебра и оксида алюминия соответственно, в которых в качестве газообразных продуктов образуются молекулярный азот, диоксид углерода и пары воды,

- затем добавляют водный раствор водорастворимого органического вещества, в качестве которого используют водорастворимый неионогенный полимер, например, поливиниловый спирт или поливинилпирролидон.

- после этого удаляют растворитель путем сушки с защитой от прямого воздействия света,

- в полученном таким образом прекурсоре реализуется процесс горения,

- далее проводится окончательная термообработка композиции на воздухе при температурах 650-850°С в течение 4-8 часов.

Предпочтительно, соотношение оксида алюминия и серебра в композиции составляет от 85 и 15% до 98 и 2% по массе, соответственно.

Удаление растворителя могут проводить путем естественной сушки на воздухе либо при нагревании раствора, содержащего нитрат алюминия, нитрат серебра и органический компонент.

Также к важным техническим результатам предлагаемого технического решения следует отнести повышение чистоты получаемых антибактериальных дисперсных композиций, которые могут быть получены со значительно меньшим количеством примесей углерода и серы по сравнению с известным техническим решением. Указанные примеси могут оказывать негативное действие на среды организма, с которыми контактируют антибактериальные дисперсные композиции, а состав получаемых антибактериальных дисперсных композиций по известному способу является неопределенным. Тогда как по предлагаемому техническому решению состав антибактериальных дисперсных композиций является определенным, они состоят из оксида алюминия и серебра. При этом по известному способу получения антибактериальных дисперсных композиций они содержат 30-35 % серебра по массе относительно оксида алюминия, что показывает расчет по данным в имеющемся источнике информации.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить антибактериальные дисперсные композиции, обладающие высокими бактерицидными свойствами при более низком содержании ценного компонента (серебра), что создает его экономию. Высокая бактерицидная активность антибактериальных дисперсных композиций, получаемых по предлагаемому способу, обеспечивается совокупностью признаков и позволяет получать наноструктурированные частицы оксида алюминия, на которых находятся плотно прилегающие активные пластинчатые наночастицы серебра, активность которых, как известно из существующего уровня развития техники, зависит от их морфологии.

При этом в соответствии с предлагаемым техническим решением не используется дорогостоящее оборудование, такое как распылительный реактор, который применяется по известному способу получения антибактериальных дисперсных композиций. Указанный момент позволяет, таким образом, также достичь экономического эффекта с точки зрения удешевления процесса получения антибактериальных дисперсных композиций, за счет упрощения технических приемов и используемого оборудования, снижения затрат времени и энергетических затрат.

Помимо этого, к техническим результатам относится снижение опасности используемого оборудования, так как по предлагаемому решению не применяется потенциально опасное высокое напряжение для улавливания получаемых частиц. Отсутствует необходимость проведения дополнительной операции по отделению и переработке для повторного использования не полностью осадившегося серебра, как ценного компонента.

Сущность изобретения поясняется фигурами, где изображены:

- Таблица 1 - результаты изучения антибактериальной активности полученных при различных условиях нанокомпозиций Al₂O₃-Ag (примеры);

- Фигура 1 - СЭМ-изображения образцов Al₂O₃-Ag, синтезированных из прекурсоров с различными органическими компонентами: а, б - поливиниловый спирт (ПВС), термообработка при 650 °С 6 часов; в, г - поливинилпирролидон (ПВП), термообработка при 650 °С 6 часов; д, е - глицин, термообработка при 650 °С 6 часов; ж, з - глицерин, термообработка при 650 °С 6 часов;

- Фигура 2 - Результаты энергодисперсионного анализа образца Al₂O₃-Ag, ПВП, 650 °С: а - СЭМ-изображение; карты распределения химических элементов б - Al, в - Ag, г - O; д - энергодисперсионный спектр.

Для подтверждения возможности реализации изобретением своего назначения и достижения заявленного технического результата рассмотрим варианты реализации заявленного способа.

Заявляемый способ получения дисперсных бактерицидных композиций на основе оксида алюминия и частиц серебра характеризуется тем, что в качестве исходного реагента, содержащего алюминий, берут нитрат алюминия, реагентом для получения частиц серебра служит нитрат серебра. Проводится термическое разложение нитрата алюминия.

Для достижения заявленного технического результата в качестве водорастворимых органических компонентов прекурсоров для получения дисперсных бактерицидных композиций могут быть использованы такие полимеры из группы неионогенных, как поливиниловый спирт или поливинилпирролидон.

Указанные реагенты (неорганические и органические) растворяют в воде с получением раствора, включающего одновременно обе соли (нитраты алюминия и серебра). Соотношение нитратов алюминия и серебра, предпочтительно, берется таким образом, чтобы соотношение оксида алюминия и серебра составляло от 98 к 2 % до 85 к 15 % по массе. Это позволяет снизить количество серебра, как более дорогостоящего компонента композиции, по сравнению с известным техническим решением, с обеспечением высокой бактерицидной активности. Технический эффект от содержания серебра в данном диапазоне обусловлен, во-первых, каталитическим действием нитрата серебра в заданном данным диапазоном количестве при получении композиции, что позволяет снизить углеродные примеси и ускорить процесс синтеза, во-вторых, при большем количестве нитрата серебра, выходящем за указанные пределы, синтез протекает с возникновением открытого пламени, что технически усложняет проведение процесса получение композиции, при этом антибактериальная активность получаемой композиции не повышается или повышается незначительно. При этом количество органического компонента и нитратов рассчитывается, исходя из стехиометрического соотношения реакции горения прекурсора с образованием в качестве газообразных продуктов азота, диоксида углерода и паров воды.

Из полученного раствора нитратов и органического компонента удаляется вода путем естественной сушки при комнатной температуре раствора, разлитого на инертный носитель (полимерные или неорганические кюветы или лента) в виде тонкого слоя, либо сушку проводят непосредственно в реакторе (керамической или кварцевой чаше), с ее нагреванием. Указанные способы сушки не требуют дополнительного оборудования, поэтому наиболее простые в реализации. Помимо этого, можно использовать и другие известные методы сушки (удаления растворителя), такие как вакуумная, инфракрасная сушка и пр.

Прекурсоры в процессе сушки защищают от прямого воздействия света непрозрачным экраном для того, чтобы предотвратить преждевременное восстановление серебра.

После удаления растворителя в ходе дальнейшего нагревания реализуется процесс горения с получением в одном реакционном цикле дисперсного оксида алюминия с частицами серебра на его поверхности. Термообработку проводят при температуре 650-850°С в течение 4-8 часов.

В результате состав полученной композиции соответствует заданному, она не содержит ощутимых примесей серы, а содержание углерода не превышает 5%, что показывают результаты элементного анализа полученных композиций.

Введение органических компонентов в растворы прекурсоров способствует за счет комплексообразования подавлению кристаллизации солевых компонентов в ходе удаления растворителя и препятствует возникновению неоднородности состава композиции на этой стадии.

Полимерные компоненты, помимо этого, адсорбируются на поверхности возникающих микрокристаллов, затрудняя диффузию к ним ионов из жидкой фазы, что обеспечивает в ходе дальнейшего процесса горения и термообработки дисперсность материала.

Кроме того, органические реагенты, являются восстановителями по отношению к нитратам как окислителю, что, собственно, и обеспечивает горение (экзотермический окислительно-восстановительный процесс) и синтез материалов с требуемыми свойствами.

Выбор органического полимерного компонента прекурсоров (поливиниловый спирт, поливинилпирролидон) обосновывается тем, что полученные из таких прекурсоров дисперсные композиции обладали существенно более высокими бактерицидными свойствами, в частности, по отношению к Escherichia coli, чем композиции, полученные с глицином, глицерином, т.е. низкомолекулярными веществами, которые в меньшей степени способны создавать сорбционные слои на поверхности синтезируемых частиц, подавляя, таким образом, их укрупнение. При этом с использованием таких низкомолекулярных органических компонентов получаются композиции, включающие в большей степени агрегированные частицы оксида алюминия, также с более крупными частицами серебра, что не обеспечивает достаточно высокую антибактериальную активность. Данный момент подтверждается при исследовании композиций при помощи электронного сканирующего микроскопа и проиллюстрировано на рис. 1.

Количество вводимого в дисперсную бактерицидную композицию серебра (2-15 % по массе) обосновывается следующим. Содержание серебра более 15% по массе приводит к затруднению проведения процесса получения композиций, укрупнению частиц серебра, что снижает бактерицидную активность. Более низкое содержание серебра, менее 2% по массе, не обеспечивает достаточно активного бактерицидного действия. Кроме того, более высокое содержание серебра удорожает композицию без достижения более высоких антибактериальных свойств.

Интервал температур термообработки композиций от 650 до 850°С выбран, исходя из того, что при более низкой, чем 650°С температуре не происходит формирования композиций с низким содержанием примесей (например, углерода) и не формируются композиции с плотным контактом наночастиц серебра на поверхности носителя - оксида алюминия. Эти моменты подтверждаются данными элементного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Более высокие температуры термообработки (выше 850°С), приближающиеся к температуре плавления металлического серебра, приводят к укрупнению его частиц и снижению антибактериальной активности.

Аналогичным образом, длительность термообработки менее 4 часов не обеспечивает формирования композиции с максимальной антибактериальной активностью, плотным контактом серебра на поверхности оксида алюминия, малым количеством примесей. Более длительная выдержка (более 8 часов) на температуре термообработки не дает дополнительного положительного эффекта с точки зрения антибактериальной активности, удлиняет технологический процесс с дополнительным расходом энергии.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для получения дисперсной антибактериальной композиции нитрат алюминия и нитрат серебра растворили в воде в соотношении, обеспечивающем в готовой композиции количество оксида алюминия 90 %, серебра - 10 %. В данный раствор ввели отдельно полученный водный раствор среднемолекулярного поливинилового спирта в расчете его количества по отношению к имеющимся нитратам, которое обеспечивает возникновение в реакциях горения по их химическим уравнениям в качестве газообразных продуктов диоксида углерода (углекислого газа), азота и паров воды. Полученный рабочий раствор поместили в фарфоровую чашу для упаривания, защитив ее от воздействия прямого света непрозрачным экраном. Удаления растворителя провели путем нагревания на электрической плите. После удаления растворителя реализовался процесс горения прекурсора. Полученную массу поместили в алундовые тигли и провели термообработку в муфельной печи при температуре 650°С в течение 8 часов. Полученная дисперсная композиция содержала оксид алюминия в виде смеси его частично гидратированных форм, альфа-оксида и его низкотемпературных модификаций. На поверхности оксида алюминия находились наноразмерные частицы серебра. Содержание примесей углерода не превышало 5 %. Композиция полностью подавляла развитие колоний Escherichia coli при ее содержании по серебру 1 мМ (миллимоль), также, как и раствор нитрата серебра при концентрации 2,5 мМ, который используют как эталонный. Бактерицидные свойства полученной композиции проиллюстрировны в таблице 1.

Пример 2.

Дисперсную антибактериальную композицию готовили аналогичным примеру 1 образом. Вместо поливинилового спирта брали поливинилпирролидон с молекулярной массой 40000. Удаление растворителя проводили в ходе естественной сушки рабочего раствора в пластиковых кюветах с защитой от воздействия света. Изготовленную таким образом пленку полимерно-солевого прекурсора помещали в кварцевый реактор и нагревали на электрической плите до реализации процесса горения. Термообработку композиции проводили при 650°С в течение 8 часов. Полученный материал обладал аналогичными примеру 1 бактерицидными характеристиками. Бактерицидные свойства полученной композиции также проиллюстрировны в таблице 1.

Пример 3. Аналогично Примеру 1, но в качестве органического компонента использовали глицин. Антибактериальная активность была ниже, чем в Примерах 1 и 2, композиция полностью подавляла рост колоний при содержании серебра 2,5 мМ, также, как и раствор нитрата серебра.

Пример 4. Аналогично Примеру 1, но в качестве органического компонента использовали глицерин. Антибактериальная активность была ниже, чем в Примерах 1 и 2, композиция полностью подавляла рост колоний при содержании серебра 2,5 мМ, также, как и раствор нитрата серебра.

Пример 5. Аналогично Примеру 1, но температура окончательной термообработки составляла 850°С. Антибактериальная активность была выше, чем в Примерах 1 и 2, композиция полностью подавляла рост колоний при содержании серебра 0,4 мМ.

Пример 6. Аналогично Примеру 1, но температура окончательной термообработки составляла 850°С. Антибактериальная активность была выше, чем в Примерах 1 и 2, композиция полностью подавляла рост колоний при содержании серебра 0,4 мМ.

Примеры 7-25 аналогично примерам 1-7, с варьированием условий получения, которые отражены в таблице 1.

Результаты изучения антибактериальной активности полученных при различных условиях композиций проиллюстрированы в таблице 1, что позволяет обосновать заявляемые признаки, как наиболее оптимальные условия получения антибактериальных дисперсных композиций. Реализация указанных условий в целом аналогична примерам 1 и 2.

Изобретение относится к получению порошкообразных неорганических композиционных материалов, которые могут применяться в качестве компонентов бактерицидных средств. Способ включает синтез частиц оксида алюминия с нанесенными на него частицами серебра путем термического разложения нитрата алюминия, восстановление серебра, взятого в виде водного раствора его нитрата, с добавлением органического компонента. При этом синтез дисперсной бактерицидной композиции осуществляется в одном реакционном цикле. Нитрат серебра и нитрат алюминия растворяют в воде в заданных пропорциях с получением одного раствора. Затем добавляют водный раствор водорастворимого неионогенного полимера. Удаляют растворитель путем сушки с защитой от прямого воздействия света. В полученном прекурсоре реализуется процесс горения. Проводится окончательная термообработка композиции на воздухе при температурах 650-850°С в течение 4-8 часов. Обеспечивается снижение энергоемкости и затрат времени на получение антибактериальных дисперсных композиций, упрощение способа их получения, достижение воспроизводимых результатов с точки зрения состава композиций, уменьшение количества примесей в них при достижении высоких бактерицидных свойств. 4 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл., 25 пр.

1. Способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра, включающий синтез частиц оксида алюминия с использованием водных растворов и нанесенных на него частиц высокодисперсного серебра с получением оксида алюминия и серебра путем термического разложения нитрата алюминия при нагревании, восстановлением серебра, взятого в виде водного раствора его нитрата, с добавлением органического компонента, отличающийся тем, что:

- синтез дисперсной бактерицидной композиции осуществляется в одном реакционном цикле,

- при этом нитрат серебра и нитрат алюминия растворяют в воде в заданных пропорциях с получением одного раствора,

- затем добавляют водный раствор водорастворимого органического вещества, в качестве которого используют водорастворимый неионогенный полимер,

- после этого удаляют растворитель путем сушки с защитой от прямого воздействия света,

- в полученном таким образом прекурсоре реализуется процесс горения,

- далее проводится окончательная термообработка композиции на воздухе при температурах 650-850°С в течение 4-8 часов.

2. Способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра по п. 1, отличающийся тем, что соотношение оксида алюминия и серебра в композиции составляет от 85 и 15 % до 98 и 2 % по массе соответственно.

3. Способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра по п. 1, отличающийся тем, что удаление растворителя проводят путем естественной сушки на воздухе.

4. Способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра по п. 1, отличающийся тем, что удаление растворителя проводят при нагревании раствора, содержащего нитрат алюминия, нитрат серебра и органический компонент.

5. Способ получения дисперсной бактерицидной композиции на основе оксида алюминия и металлического серебра по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого органического вещества используют поливиниловый спирт или поливинилпирролидон.