Зависимость антимикробной активности нанодисперсий оксида цинка от формы и размера частиц
823
Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 6
УДК 541.18, 579
ЗАВИСИМОСТЬ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОДИСПЕРСИЙ
ОКСИДА ЦИНКА ОТ ФОРМЫ И РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
© Г. Т. Мазитова*, К. И. Киенская, И .А. Буторова**
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева,
125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9
E-mail: *mazi-tova@mail.ru; **colloid@muctr.ru
Поступила в Редакцию 5 августа 2019 г.
После доработки 4 декабря 2019 г.
Принята к публикации 4 декабря 2019 г.
Синтезированы нанодисперсии оксида цинка с клиновидной и стержнеобразной формой частиц, опре-
делены их основные коллоидно-химические характеристики и антимикробные свойства. Установлено,
что наночастицы стержнеобразной формы обладают более высокой антимикробной активностью в
отношении ряда тест-микроорганизмов. Полученные результаты исследования могут быть исполь-
зованы для создания моющих средств с антибактериальным действием.
Ключевые слова: наночастицы; оксид цинка; антимикробная и антибактериальная активность
DOI: 10.31857/S0044461820060079
Повышение устойчивости микроорганизмов к ан-
Экспериментальная часть
тибактериальным препаратам является тревожным
знаком для широкого круга специалистов — врачей,
Нанодисперсии частиц ZnO клиновидной формы
косметологов, биологов, а также работников пищевой
получали гидролизом нитрата цинка; нанодисперсии
и фармацевтической промышленности. Это стиму-
ZnO стержнеобразной формы — методом осаждения
лирует поиск новых препаратов широкого спектра
нитрата цинка [2]. Для стабилизации нанодисперсий
действия. Перспективным и быстро развивающимся
использовали катионные поверхностно-активные
направлением является разработка препаратов на
вещества — цис-ди-н-бутил-(2-(5-хлор-2-гидроксифе-
основе высокодисперсных систем. Это, с одной сто-
нил)-2-фенилвинил)-фенилфосфонийхлорид (ПАВ 1),
роны, открывает новые возможности для создания
синтезированный в ИОФХ им. А. Е. Арбузова
препаратов нового поколения, с другой — появляют-
(г. Казань) по методике [3], и 1,2-этилен-бис-(N,N-
ся дополнительные вопросы, требующие тщательного
диметилкарбдецилоксиметил)аммония дихлорид
изучения, в частности, влияния препаратов, содержа-
(ПАВ 2), синтезированный в Институте органической
щих наночастицы, на живые организмы [1].
химии НАН Украины (г. Киев).
В отличие от хорошо исследованных дисперсий
Измерения поверхностного и межфазного на-
металлических наночастиц серебра и золота, прояв-
тяжения растворов поверхностно-активных ве-
ляющих высокую антимикробную активность, на-
ществ проводили на тензиометре Krus (Германия)
нокомпозиции оксидных систем, например оксида
методом висячей капли по стандартной методике.
цинка, изучены недостаточно. Несмотря на то что
Форму и размер наночастиц определяли с исполь-
антибактериальные свойства ZnO обнаружены дав-
зованием сканирующей электронной микроскопии.
но, в литературе практически отсутствуют данные
Антимикробную активность наночастиц ZnO оце-
о зависимости антимикробных свойств от формы и
нивали диско-диффузионным методом по величине
размера частиц ZnO.
зоны отсутствия роста тест-организмов на твердых
Цель работы заключалась в выявлении зависимо-
питательных средах.
сти антимикробной активности нанодисперсий окси-
Фазовый состав частиц дисперсной фазы устанав-
да цинка от формы и размера частиц, содержащихся
ливали с помощью рентгенофазового анализа (рас-
в дисперсных системах.
шифровка проводилась с использованием картотеки
824
Мазитова Г. Т. и др.
JCPDS). Концентрацию дисперсной фазы определяли
Обсуждение результатов
термогравиметрическим анализом.
Расшифровка рентгенограммы (рис. 1) с использо-
Содержание ионов цинка в дисперсионной сре-
ванием картотеки JCPDS позволила утверждать, что
де контролировали кондуктометрическим анализом
фазовый состав частиц дисперсной фазы представлен
пермиата, полученного концентрированием нанодис-
ZnO модификации вюрцит. Аналогичные результаты
персий на полисульфоновой мембране (УПМ-20, ЗАО
были получены для дисперсии со стержнеобразными
НТЦ «Владипор» с минимальной производительно-
частицами.
стью по дистиллированной воде 0.60 дм3·м-2·ч-1 и
Независимо от способа получения нанодисперсий
рабочим диапазоном рН 2-12).
частицы дисперсной фазы представляют собой ZnO
В качестве тест-культур использовали следующие
(табл. 1) различной формы (рис. 2), однако концентра-
штаммы микроорганизмов: Staphylococcus aureus
ция дисперсий невелика, что предполагает использо-
subs. aureus FDA 209P, Escherichia coli ATCC 25922,
вание стабилизатора.
Candida albicans АТСС 885-653, Bacillus subtilis
В качестве стабилизаторов нанодисперсий ZnO
ВКПМ В-13183, Pseudomonas aeruginosa ВКПМ
были выбраны азот- и фосфорсодержащие поверх-
В-8243.
ностно-активные вещества. Выбор катионных ПАВ,
Приготовление инокулята тест-культур микроор-
содержащих атомы азота и (или) фосфора, обуслов-
ганизмов проводили путем смыва предварительно
лен их антисептическими свойствами и биологиче-
выращенных микроорганизмов физиологическим
ской активностью [4]. Присутствие этих соединений
раствором, доводя плотность суспензии стерильным
в нанодисперсиях ZnO может привести к проявлению
физиологическим раствором до концентрации клеток
синергического эффекта и повышению антимикроб-
1.5·108 КОЕ·мл-1, сравнивая ее с соответствующим
ной активности.
стандартом мутности по шкале Мак-Фарланда.
Для определения антимикробной активности под-
готовленные суспензии тест-организмов в количестве
0.1 мл вносили в чашки Петри на поверхность плот-
ной питательной среды и равномерно распределяли
по поверхности стерильным шпателем Дригальского.
Диски готовили из стерильной фильтровальной бу-
маги диаметром 0.6 см, пропитывали образцами и
накладывали на поверхность питательной среды с по-
сеянными тест-культурами. Для обеспечения диффу-
зии активных компонентов образцов в питательную
среду чашки Петри оставляли на 1 ч при комнатной
температуре, затем помещали в термостат и инкуби-
ровали при температуре 37°С в течение 24 ч. После
инкубации в термостате измеряли зоны угнетения
роста тест-культур микроорганизмов.
Оценку воздействия нанодисперсий ZnO на ма-
Рис. 1. Рентгенограмма порошка, полученного сушкой
кроорганизмы проводили по выживаемости прес-
золя ZnO при 25°С.
новодных ракообразных тест-организмов Daphnia.
magna Straus. Критерием токсического действия
Таблица 1
высокодисперсных систем служила гибель 50% и
Основные характеристики синтезированных
более биотест-объекта за 48 ч в исследуемой пробе
нанодисперсий ZnO
по сравнению с контрольным образцом, в котором
Форма частиц дисперсной фазы
все Daphnia. magna Straus сохраняли жизнеспособ-
Характеристика
ность. Для исследований использовали дафнии в
стержне-
клиновидная
образная
возрасте 6-24 ч. Опытные и контрольные стаканы с
дафниями оставляли на 96 ч при комнатной темпе-
Фазовый состав
ZnO
ZnO (вюрцит)
ратуре. Регистрацию выживаемости пресноводных
Концентрация, мас%
0.015-0.10
0.030-0.30
ракообразных тест-организмов Daphnia. magna Straus
ζ-Потенциал, мВ
2-3
9
в анализируемых пробах относительно контроля про-
Размер частиц d, нм
50-60
60-70
водили каждые 24 ч.
826
Мазитова Г. Т. и др.
Рис. 2. Изображения высокодисперсных частиц ZnO клиновидной (а) и стержнеобразной формы (б), полученные
методом сканирующей электронной микроскопии.
Для стабилизации нанодисперсий использовали
ZnO со сферическими частицами размером 50 мкм.
растворы ПАВ с концентрациями, равными крити-
Стабилизация нанодисперсий ZnO растворами ПАВ
ческой концентрации мицеллообразования (ККМ).
позволяет получать системы с максимальной концен-
Величины ККМ определяли по изотермам поверх-
трацией 0.5 мас%. Содержание частиц ZnO во всех
ностного натяжения, начальные участки которых
исследуемых дисперсиях поддерживалось постоян-
обрабатывали по уравнению Шишковского (табл. 2).
ным и составляло 0.1 мас%.
Для сопоставления адсорбционных характеристик
В ходе исследования было установлено (табл. 3),
растворов поверхностно-активных веществ иссле-
что водный раствор ПАВ 1 проявил антимикроб-
дования проводили на двух границах раздела фаз:
ную активность в отношении бактерий S. aureus.
раствор-воздух и жидкость-жидкость.
B. subtilis и дрожжей C. albicans; раствор ПАВ 2 —
Полученные для исследованных ПАВ эксперимен-
в отношении всех исследуемых тест-штаммов
тальные значения поверхностной активности на обе-
бактерий и не проявил активность в отношении
их границах раздела фаз делают возможным исполь-
C. albicans. Грубодисперсная система, содержащая
зование их в качестве эффективных стабилизаторов
сферические частицы микрометрового размера, не
(табл. 2). Большая величина площади, приходящаяся
обладает антимикробной активностью по сравне-
на полярную группу молекулы ПАВ 1 в насыщенном
нию со всеми остальными исследуемыми система-
адсорбционном слое, обусловлена, по-видимому, сте-
ми. Нанодисперсия с клиновидными наночастицами
рическими затруднениями объемной молекулы.
ZnO оказала ингибирующее действие только на рост
Для выявления антимикробного действия были
B. subtilis, а нанодисперсия со стержнеобразными
исследованы растворы ПАВ (при концентрациях,
частицами ZnO была активна в отношении B. subtilis
равных ККМ), нанодисперсии ZnO с клиновидными
и S. aureus.
частицами (НД 1), со стержнеобразными частицами
Стабилизация нанодисперсии 1 растворами ПАВ 1
(НД 2), а также такие же нанодисперсии, стабили-
и ПАВ 2 увеличила антимикробный эффект систе-
зированные растворами ПАВ. В качестве сравне-
мы в отношении B. subtilis. Нанодисперсия 2, стаби-
ния была выбрана грубодисперсная суспензия (ГС)
лизированная ПАВ 1, не проявила антимикробного
Таблица 3
Размер зоны ингибирования роста тест-организмов
Размер зоны ингибирования, мм, для исследованных систем*
Тест-организм
ПАВ 1
ПАВ 2
НД 1
НД 2
НД 1 + ПАВ 1
НД 1 + ПАВ 2
НД 2 + ПАВ 1
НД 2 + ПАВ 2
ГС
S. aureus
15-20
10-12
—
15-20
—
—
—
—
—
P. aeruginosa
—
10-12
5
—
—
—
—
—
—
E. coli
—
7-10
—
—
—
—
—
—
—
B. subtilis
20
7-12
10
10-11
10-15
15-20
—
10-20
5
C. ailbicaus
10-12
—
—
—
—
—
—
—
—
* Концентрации ПАВ как в индивидуальных растворах, так и в композициях соответствуют величинам ККМ.
Зависимость антимикробной активности нанодисперсий оксида цинка от формы и размера частиц
827
действия в отношении всех исследуемых тест-орга-
Конфликт интересов
низмов. Можно предположить, что стержнеобразные
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-
частицы и молекулы фосфорсодержащего ПАВ дей-
ресов, требующего раскрытия в данной статье.
ствуют как антагонисты, и в полученном сочетании
их активность подавляется.
У нанодисперсии НД 2, стабилизированной
Информация об авторах
ПАВ 2, было обнаружено усиление антимикробного
Мазитова Гульнара Тагировна,
действия в отношении B. subtilis и уменьшение анти-
микробного действия в отношении S. aureus. Кроме
Киенская Карина Игоревна, к.х.н., доцент,
того, стабилизированная система НД 2 проявила ан-
тимикробное действие в отношении P. aeruginosa.
Буторова Ирина Анатольевна, к.б.н.,
Исследование воздействия нанодисперсий ZnO на
тест-организм Daphnia. magna Straus показало, что во
всех опытных образцах в течение 96 ч выживаемость
пресноводных ракообразных Daphnia. magna Straus
Список литературы
составила 80%, что является показателем низкой ток-
[1] Бовина Е. М., Романов Б. К., Казаков А. С.,
сичности.
Вельц Н. Ю., Журавлева Е. О., Букатина Т. М.,
Аляутдин Р. Н., Меркулов В. А. Наноразмерные ле-
карственные средства: особенности оценки безопас-
Выводы
ности // Безопасность и риск фармакотерапии. 2019.
В ходе проведенных исследований установлено,
Т. 7. № 3. С. 127-138.
что высокодисперсные частицы ZnO диаметром 50-
[2] Кузовкова А. А., Большаков А. П., Калмыков А. Г.,
70 нм проявляют более высокую антимикробную ак-
Яровая О. В., Киенская К. И., Авраменко Г. В.,
тивность по сравнению с грубодисперсным образцом
Назаров В. В., Хорошилов А. В. Влияние условий
с диаметром частиц ZnO 50 мкм. Наночастицы ZnO
синтеза на свойства гидрозоля оксида цинка // Хим.
стержнеобразной формы обладают антимикробной
технология. 2012. Т. 13. № 5. С. 268-272.
активностью более широкого спектра действия в
[3] Tatarinov D. A., Kuznetsov D. M., Voloshina A. D.,
отличие от наночастиц ZnO клиновидной формы.
Lyubina A. P., Strobykina A. S., Mukhitova F. K.,
Введение катионных ПАВ в нанодисперсии ZnO
Polyanсev F. M., Mironov V. F. Synthesis of
приводит как к повышению, так и снижению анти-
2-(2-hydroxyaryl)alkenylphosphonium salts from
микробной активности стабилизированных систем в
phosphine oxides via ring-closing ring-opening
зависимости от вида тест-организма.
approach and theirantimicrobial evaluation //
Tetrahedron. 2016. V. 72. P. 8493-8501.
Благодарности
[4] Вагапова Г. И., Валеева Ф. Г., Ибрагимова А. Р.,
Гайнанова Г. А., Захарова Л. Я., Сякаев В. В.,
Авторы выражают глубокую благодарность д.х.н.
Галкин И. В., Тундрий Е. В., Романов А. О.
В. Ф. Миронову (Институт органической и физи-
Амфифильные алкилтрифенилфосфоний бромиды:
ческой химии имени А. Е. Арбузова) за предостав-
агрегационные свойства и каталитическая актив-
ление образца поверхностно-активного вещества
ность // XIV Молодежная конференция по органи-
цис-ди-н-бутил-(2-(5-хлор-2-гидроксифенил)-2-фе-
ческой химии. Екатеринбург, 2011. С. 54-56.
нилвинил)-фенилфосфонийхлорида.
