Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 5, стр. 770-773

ВВЕДЕНИЕ

В связи с широким использованием и исследованиями наноразмерных материалов с самым разным составом и свойствами актуальным является развитие методов их направленного синтеза, обеспечивающих требуемые характеристики наночастиц. Среди физических методов получения наночастиц с высокой локальной концентрацией энергии важное место занимают методы, основанные на использовании интенсивных ультразвуковых колебаний в жидких средах для синтеза и диспергирования наноматериалов [1–3]. Не менее распространенным является применение для синтеза наночастиц электрических разрядов в различных средах: дуга в газовой фазе, в электролитах и т.д. [4–7].

Однако в последние годы появился ряд экспериментальных работ отечественных и зарубежных авторов, в которых для синтеза наночастиц различного химического состава (металлов и их оксидов, углеродных наночастиц и т.д.) используются одновременно два вида физического воздействия на вещество: электрический разряд в жидкой фазе и ультразвуковые колебания высокой интенсивности [8, 9]. Это представляет значительный интерес и преимущества для создания наноразмерных частиц с особыми свойствами, так как позволяет направленно варьировать электрофизические и акустические характеристики процесса и осуществлять новые плазмохимические реакции. Практическим следствием рассмотрения данного процесса является создание метода направленного синтеза значимых веществ.

Целью данной работы является исследование антибактериальной эффективности синтезированных с помощью такого метода наночастиц в продолжение исследований, опубликованных ранее [10–14].

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ В ПЛАЗМЕННОМ РАЗРЯДЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ

Отличительным признаком и существенным преимуществом данного подхода является то, что одновременное воздействие на зону реакции термически неравновесной плазмой и ультразвуковой кавитацией приводит к созданию условий, недостижимых в других случаях, и обусловливает протекание реакций при локальной концентрации большого количества энергии и активных частиц. В таком разряде впервые можно осуществить большое количество плазмохимических реакций, характеристики которых, очевидно, будут зависеть от параметров плазменного разряда и ультразвукового поля [10–14].

Использование ультразвуковой кавитации позволяет также решить задачу предотвращения агломерации синтезированных в разряде частиц и активирует их поверхность, создавая на ней дополнительные активные центры. Последнее способствует, например, последующему эффективному взаимодействию таких частиц с органическими соединениями и дает возможность создавать гибридные органо-неорганические наноматериалы. Особенно важно, что высокоэнергетические воздействия позволяют синтезировать наночастицы с большим количеством нескомпенсированных связей, зарядов, дефектов и активных центров, способных к быстрому и эффективному взаимодействию с неорганическими и (био)органическими агентами [14].

Повышение активности поверхности наночастиц в результате ультразвуковой обработки имеет большое значение для исследования их антибактериальной активности: очевидно, что, являясь более активными при взаимодействии с органическими полимерами [13, 14], наночастицы после ультразвуковой активации будут более активны и во взаимодействии с клеточными мембранами [15]. Наночастицы и их агрегаты могут прикрепляться к клеточной мембране и взаимодействовать с поверхностными рецепторами, что приводит к внедрению наночастиц в клетки. Механический стресс из-за взаимодействия клеток с наночастицами может нарушить целостность клеточной мембраны и повлиять на гомеостаз ионов и активность связанных с мембраной рецепторов и ферментов [15–17]. Внутриклеточное накопление наночастиц приводит также к повреждению ДНК, изменению конформации ДНК из-за связывания наночастиц и в итоге к гибели клеток.

Получение наноразмерных частиц в настоящей работе осуществлялось при помощи плазмохимических процессов принципиально нового типа, которые определяются сочетанием воздействия на жидкие среды термически неравновесной низкотемпературной плазмы и ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации.

Метод реализации плазмохимических превращений в акустоплазменном разряде – перспективный путь получения различных соединений. Новым экспериментальным подходом в данном направлении является совместное влияние импульсных и стационарных электрических разрядов и ультразвуковой кавитации на жидкофазные среды. Для этого в реакционную камеру экспериментальной установки введены по меньшей мере два стержневых или пластинчатых электрода и хотя бы один ультразвуковой излучатель таким образом, чтобы зона кавитации приходилась на межэлектродное пространство [10].

Кроме того, ультразвуковые колебания высокой интенсивности способствуют возникновению в жидкофазных средах интенсивных акустических течений, что приводит к ускорению диффузионных процессов в зоне реакции и повышает ее скорость. Это энергетически выгодный способ осуществления плазмохимических реакций, стимулированный термически неравновесной плазмой, производящей активные частицы – возбужденные молекулы и радикалы. Активные частицы позволяют инициировать цепные реакции, в том числе и энергетически разветвленные, и за счет этого существенно ускорить процесс синтеза наночастиц и понизить температуру, при которой такая конверсия может происходить.

Синтез наночастиц оксидов меди, титана, железа, цинка и алюминия проводился акустоплазменным методом в водной среде [13]. В качестве исходных материалов использовались металлические стержни, изготовленные из соответствующего металла. Синтез наночастиц серебра и углеродных наноструктур проводился в среде жидких углеводородов – гексане и толуоле. Для возбуждения и поддержания акустоплазменных разрядов с заданными характеристиками в жидкофазных средах была разработана схема, согласно которой поджиг плазменного разряда осуществлялся в экспериментальной установке путем перемещения введенных в камеру разрядных электродов до касания электродов (электрического контакта) и затем разведения их на необходимое для поддержания устойчивого разряда расстояние 1–3 мм. Оптимальными параметрами разряда являются: напряжение 20–80 В, ток 4–8 А, удельная мощность ультразвука 1–2 Вт/см³.

Малый размер и высокая агрегативная устойчивость наночастиц позволяли получать относительно устойчивую водную дисперсную систему без применения каких-либо стабилизаторов. В ходе данной работы были найдены устойчивые к агрегации и седиментации дисперсные системы наночастиц, неизменные в течение достаточно длительного времени (до двух месяцев) и со средним размером частиц менее 50 нм.

Полученные наночастицы были исследованы на просвечивающем электронном микроскопе Carl Zeiss LEO 912 AB OMEGA (рисунок).

Фотографии наночастиц оксида меди (а), оксида железа (б), оксида алюминия (в), серебра (г).

Изучение исходных частиц методом электронной микроскопии показало, что, во-первых, при синтезе получаются частицы в основном сферической формы. Сферическая форма является типичной для наночастиц исследуемых материалов, кроме того, образование частиц сферической формы может быть объяснено минимальной поверхностью сферы по сравнению с другими формами и, следовательно, минимальной энергией поверхности. Это согласуется с данными других работ по получению наноразмерных частиц оксидов металлов сферической формы [18–25]. Во-вторых, методом электронной микроскопии показано, что при агрегации частицы не укрупняются в размерах, а образуют составные агрегаты, что делает возможным дальнейшую работу с ними после обработки суспензии ультразвуком.

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦ

В результате проведенных исследований получены наноразмерные частицы оксидов титана, цинка, алюминия, меди и железа, а также серебра и оксида графена. Антибактериальная эффективность синтезированных наночастиц в виде суспензии исследовалась при температуре 22–27°C и влажности 30–70% в течение двух недель после синтеза. Суспензии хранились в плотно закрытых флаконах из темного стекла. Эффективность бактерицидного действия проверялась в отношении тест-культуры Salmonella enteridis 667.

Микробная суспензия готовилась путем добавления стерильного физиологического раствора в количестве 10 см³ в пробирку со скошенным агаром с культивируемым штаммом. Для проведения опыта в каждую пробирку с 10 см³ суспензии исследуемых наночастиц вносилось 0.1 см³ микробной суспензии. Пробирки с наночастицами и микробной суспензией выдерживались 5, 20, 60 мин при постоянном перемешивании. По истечении указанной продолжительности воздействия 0.5 см³ смеси суспензии наночастиц и культуры высевалось в питательную среду. Культивирование проводилось 24 ч при 37°С. При отсутствии роста при комнатной температуре через 48 ч окончательный результат оценивался через пять суток.

При этом наблюдался рост микроорганизмов при контакте с суспензиями Al₂O₃, CuO, Fe₂O₃, отсутствие роста при контакте с суспензиями TiO₂ и ZnO при времени экспозиции 60 мин и отсутствие роста при контакте с суспензиями Ag и оксида графена (табл. 1).

Для исследования влияния ультразвукового воздействия на антибактериальную активность наночастиц, а также для предотвращения коагуляции наночастиц перед экспериментом суспензии наночастиц были подвергнуты ультразвуковой обработке (2 мин, 1 Вт/см³, 20 кГц) перед контактом с микроорганизмами. В остальном процедура эксперимента не менялась. Результаты представлены в табл. 2.

Из полученных данных видно, что наблюдался рост микроорганизмов при контакте с суспензиями Al₂O₃, CuO, Fe₂O₃ при экспозиции 5 и 20 мин и отсутствие роста при экспозиции 60 мин, а для TiO₂ и ZnO наблюдалось отсутствие роста при времени экспозиции 20 и 60 мин и отсутствие роста при контакте с суспензиями Ag и оксида графена. Таким образом, исследования антибактериальной активности наночастиц при контакте с микроорганизмами позволили подтвердить бактерицидные свойства наночастиц. Выявлено, что ультразвуковое воздействие активирует поверхность наночастиц и усиливает их бактерицидные свойства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе показано, что методы физического воздействия с высокой энергией на процессы получения наночастиц: ультразвуковая кавитация, плазма и, в особенности, их сочетание – являются перспективными путями получения функциональных наночастиц. Наибольшую антибактериальную активность продемонстрировали наночастицы Ag и оксида графена. Показано, что использованное ультразвуковое воздействие активирует поверхность наночастиц и усиливает их бактерицидные свойства.

Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП НИЦ “Курчатовский институт” – ИРЕА.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 2020-1902-01-288 (соглашение № 075-15-2020-775).