Полимерные нанокомпозиты с антимикробными свойствами для защиты от биоповреждений

Впервые предложена технология модификации полимерных носителей – эпоксидной смолы (ЭС), сополимеров сложных эфиров метакриловой кислоты БМК-5Б и ионообменных смол – биогенными наночастицами (НЧ) Ag и Ag-Se с целью создания биоцидных полимерных нанокомпозитов (ПНК), востребованных в борьбе с биообрастанием. Биогенные НЧ Ag и Ag-Se, синтезированные в присутствии микробных клеток, охарактеризованы по ряду параметров (морфология, ζ-потенциал, содержание металла) и использованы как биоцидный компонент полимерных матриц. Введение биогенного препарата с НЧ Ag в ЭС и пленки БМК-5Б, содержащие дополнительные биоцидные компоненты (комплексные соединения Cu и Zn с нитрилотриуксусной кислотой (CuNTA и ZnNTA)), повышает уровень биоцидной активности ПНК. Модельные эксперименты по оценке влияния раствора морской соли в течение 30 сут на биоцидность образцов ПНК (НЧ Ag-ЭС и НЧ Ag-БМК-5Б) подтверждают сохранение их антимикробной активности. Показана возможность иммобилизации НЧ Ag-Se на некоторые типы ионитов с проявлением полученными ПНК биоцидного эффекта. Сохранение биоцидности наноматериала в составе полимерных матриц имеет значение при создании противообрастающих покрытий для техники, эксплуатируемой в морской среде.

1. Garibay-Valdez E., Martínez-Córdova L.R., Vargas-Albores F., Emerenciano M.G.C., Miranda-Baeza A., Cortés-Jacinto E., Ortiz-Estrada Á.M., Cicala F., Martínez-Porchas M. The biofouling process: The science behind a valuable phenomenon for aquaculture // Rev. Aquacult. 2023. V. 15, No 3. P. 976–990. https://doi.org/10.1111/raq.12770.

2. Mitra D., Kang E.-T., Neoh K.G. Polymer-based coatings with integrated antifouling and bactericidal properties for targeted biomedical applications // ACS Appl. Polym. Mater. 2021. V. 3, No 5. P. 2233–2263. https://doi.org/10.1021/acsapm.1c00125.

3. Berne C., Ellison C.K., Ducret A., Brun Y.V. Bacterial adhesion at the single-cell level // Nat. Rev. Microbiol. 2018. V. 16, No 10. P. 616–627. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0057-5.

4. Ghazzy A., Naik R.R., Shakya A.K. Metal–polymer nanocomposites: A promising approach to antibacterial materials // Polymers. 2023. V. 15, No 9. Art. 2167. https://doi.org/10.3390/polym15092167.

5. Nisar P., Ali N., Rahman L., Ali M., Shinwari Z.K. Antimicrobial activities of biologically synthesized metal nanoparticles: An insight into the mechanism of action // J. Biol. Inorg. Chem. 2019. V. 24, No 7. P. 929–941. https://doi.org/10.1007/s00775-019-01717-7.

6. Hosnedlova B., Kepinska M., Skalickova S., Fernandez C., Ruttkay-Nedecky B., Peng Q., Baron M., Melcova M., Opatrilova R., Zidkova J., Bjørklund G., Sochor J., Kizek R. Nano-selenium and its nanomedicine applications: A critical review // Int. J. Nanomed. 2018. V. 13. P. 2107–2128. https://doi.org/10.2147/IJN.S157541.

7. Liu Y., Zeng S., Liu Y., Wu W., Shen Y., Zhang L., Li C., Chen H., Liu A., Shen L., Hu B., Wang C. Synthesis and antidiabetic activity of selenium nanoparticles in the presence of polysaccharides from Catathelasma ventricosum // Int. J. Biol. Macromol. 2018. V. 114. P. 632–639. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.03.161.

8. Huang X., Chen X., Chen Q., Yu Q., Sun D., Liu J. Investigation of functional selenium nanoparticles as potent antimicrobial agents against superbugs // Acta Biomater. 2016. V. 30. P. 397–407. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.10.041.

9. Nguyen T.H.D., Vardhanabhuti B., Lin M., Mustapha A. Antibacterial properties of selenium nanoparticles and their toxicity to Caco-2 cells // Food Control. 2017. V. 77. P. 17–24. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2017.01.018.

10. Vera P., Echegoyen Y., Canellas E., Nerín C., Palomo M., Madrid Y., Cámara C . Nano selenium as antioxidant agent in a multilayer food packaging material // Anal. Bioanal. Chem. 2016. V. 408, No 24. P. 6659–6670. https://doi.org/10.1007/s00216-016-9780-9.

11. Vera P., Canellas E., Nerín C. New antioxidant multilayer packaging with nanoselenium to enhance the shelf-life of market food products // Nanomaterials. 2018. V. 8, No 10. Art. 837. https://doi.org/10.3390/nano8100837.

12. Al-hakimi A.N., Asnag G.M., Alminderej F., Alhagri I.A., Al-Hazmy S.M., Abdallah E.M. Enhanced structural, optical, electrical properties and antibacterial activity of selenium nanoparticles loaded PVA/CMC blend for electrochemical batteries and food packaging applications // Polym. Test. 2022. V. 116. Art. 107794. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107794.

13. Ibrahim M.A., Nasrallah D.A., EL-Sayed N.M., Farag O.F. Selenium loaded sodium alginate/polyvinyl alcohol nanocomposite film as wound dressing: Structural, optical, mechanical, antimicrobial properties and biocompatibility // Appl. Phys. A. 2024. V. 130, No 8. Art. 560. https://doi.org/10.1007/s00339-024-07697-z.

14. Applerot G., Lipovsky A., Dror R., Perkas N., Nitzan Y., Lubart R., Gedanken A. Enhanced antibacterial activity of nanocrystalline ZnO due to increased ROS-mediated cell injury // Adv. Funct. Mater. 2009. V. 19, No 6. P. 842–852. https://doi.org/10.1002/adfm.200801081.

15. Song X., Chen Y., Sun H., Liu X., Leng X. Physicochemical and functional properties of chitosanstabilized selenium nanoparticles under different processing treatments // Food Chem. 2020. V. 331. Art. 127378. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.127378.

16. Ahmad W., Shams S., Ahmad A., Wei Y., Yuan Q., Khan A.U., Khan M.S., Rahman A.U., Iqbal M. Synthesis of selenium–silver nanostructures with enhanced antibacterial, photocatalytic and antioxidant activities // Appl. Nanosci. 2020. V. 10, No 4. P. 1191–1204. https://doi.org/10.1007/s13204-019-01213-z.

17. The effect of Tsivileva O.M., Perfileva A.I., Ivanova A.A., Pozdnyakov A.S., Prozorova G.F. seleniumor metal-nanoparticles incorporated nanocomposites of vinyl triazole based polymers on fungal growth and bactericidal properties // J. Polym. Environ. 2021. V. 29, No 4. P. 1287–1297. https://doi.org/10.1007/s10924-020-01963-w.

18. El Gohary H.G., Asnag G.M., Tarabiah A.E., Qahtan T.F., Abdelrazek E.M., Cevik E., Al-Hakimi A.N., Abdulwahed J.A.M., Madkhli A.Y., Alajmi F., Saeed A . Modification and development of optical, thermal, dielectric properties and antibacterial activity of PVA/SA blend by Ag/Se nanofillers: Nanocomposites for energy storage devices and food packaging applications // Polym. Test. 2023. V. 129. Art. 108258. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2023.108258.

19. Hussain C.M. (Ed.) Handbook of Polymer Nanocomposites for Industrial Applications. Amsterdam: Elsevier, 2021. 782 p.

20. Zhang H., Zhu S., Yang J., Ma A. Advancing strategies of biofouling control in water-treated polymeric membranes // Polymers. 2022. V. 14, No 6. Art. 1167. https://doi.org/10.3390/polym14061167.

21. Gahlawat G., Choudhury A.R. A review on the biosynthesis of metal and metal salt nanoparticles by microbes // RSC Adv. 2019. V. 9, No 23. P. 12944–12967. https://doi.org/10.1039/c8ra10483b.

22. Nyabadza A., McCarthy É., Makhesana M., Heidarinassab S., Plouze A., Vazquez M., Brabazon D. A review of physical, chemical and biological synthesis methods of bimetallic nanoparticles and applications in sensing, water treatment, biomedicine, catalysis and hydrogen storage // Adv. Colloid Interface Sci. 2023. V. 321. Art. 103010. https://doi.org/10.1016/j.cis.2023.103010.

23. Zhuravliova O.A., Voeikova T.A., Vlasova A.Yu., Malakhov S.N, Patsaev T.D., Vasiliev A.L., Bulushova N.V., Debabov V.G . Biosynthesis of silver nanoparticles using the Shewanella oneidensis MR-1 strain. Technological approaches to increasing the production and creating of preparative forms of biogenic nanomaterial // Nanobiotechnol. Rep. 2023. V. 18, No 3. Р. 384–396. https://doi.org/10.1134/S263516762370026X.

24. Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., Kaynig V., Longair M., Pietzsch T., Preibisch S., Rueden C., Saalfeld S., Schmid B., Tinevez J.-Y., White D.J., Hartenstein V., Eliceiri K., Tomancak P., Cardona A. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis // Nat. Methods. 2012. V. 9, No 7. P. 676–682. https://doi.org/10.1038/nmeth.2019.

25. ГОСТР 55845-2013. Реактивы и особо чистые вещества. Определение примесей химических элементов атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой. М.: Стандартинформ, 2014. 18 с.

26. Лурье А.А. Сорбенты и хроматографические носители: справочник. М.: Химия, 1972. 320 с.

27. Журавлева О.А., Воейкова Т.А., Власова А.Ю., Килочек А.И., Никулина Е.А., Цирульникова Н.В., Малахов С.Н., Егоров А.С. Разработка новых биоцидных нанокомпозитных материалов для защиты подводных конструкций от биообрастания // Вопросы материаловедения. 2025. № 1(121). С. 59–70. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2025-121-1-59-70.

28. ОФС. 1.2.4.0010.15. Определение антимикробной активности антибиотиков методом диффузии в агар // Государственная фармакопея Российской Федерации. XIII изд. M.: Министерство здравоохранения РФ, 2015. С. 1272–1303.

29. Воейкова Т.А., Журавлева О.А., Булушова Н.В., Вейко В.П., Исмагулова Т.Т., Лупанова Т.Н., Шайтан К.В., Дебабов В.Г. «Белковая корона» наночастиц сульфида серебра, полученных в присутствии грамотрицательных и грамположительных бактерий // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2017. Т. 35, № 4. С. 151–156. https://doi.org/10.18821/0208-0613-2017-35-4-151-156.

30. Журавлева О.А., Воейкова Т.А., Хаддаж М.Х., Булушова Н.В, Исмагулова Т.Т., Бахтина А.В., Гусев С.А., Грицкова И.А., Лупанова Т.Н., Шайтан К.В., Дебабов В.Г. Бактериальный синтез наночастиц сульфидов кадмия и цинка. Характеристика и перспектива их применения // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2018. Т. 36, № 4. С. 191–198. https://doi.org/10.17116/molgen201836041191.

31. Воейкова Т.А., Кожухова Е.И., Журавлева О.А., Ретивов В.М., Чигорина Е.А., Кулигин В.С., Дебабов В.Г. Микробный синтез наночастиц сульфида кадмия. Влияние бактерий различных видов на характеристики биогенных наночастиц // Российские нанотехнологии. 2020. Т. 15, № 2. С. 194–204. https://doi.org/10.1134/S199272232002020X.

32. Mughal B., Zaidi S.Z.J., Zhang X., Hassan S.U. Biogenic nanoparticles: Synthesis, characterisation and applications // Appl. Sci. 2021. V. 11, No 6. Art. 2598. https://doi.org/10.3390/app11062598.

33. Bhati M. Biogenic synthesis of metallic nanoparticles: Principles and applications // Mater. Today: Proc. 2023. V. 81, Pt. 2. P. 882–887. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.04.272.

34. Alsharif S.M., Salem S.S., Abdel-Rahman M.A., Fouda A., Eid A.M., Hassan S.E.-D., Awad M.A., Mohamed A.A. Multifunctional properties of spherical silver nanoparticles fabricated by different microbial taxa // Heliyon. 2020. V. 6, No 5. Art. e03943. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03943.

35. Titov E.A., Sosedova L.M., Novikov M.A., Zvereva M.V., Rukavishnikov V.S., Lakhman O.L. The analysis of acute and subacute toxicity of silver selenide nanoparticles encapsulated in arabinogalactan polymer matrix // Polymers. 2022. V. 14, No 15. Art. 3200. https://doi.org/10.3390/polym14153200.

36. El-Behery R.R., El-Sayed E.-S.R., El-Sayyad G.S. Gamma rays-assisted bacterial synthesis of bimetallic silver-selenium nanoparticles: Powerful antimicrobial, antibiofilm, antioxidant, and photocatalytic activities // BMC Microbiol. 2023. V. 23, No 1. Art. 224. https://doi.org/10.1186/s12866-023-02971-1.