Ультразвук улучшил антибактериальные свойства наночастиц латуни

Исследователи из Научного центра инфохимии Университета ИТМО и НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера (Санкт-Петербург) описали процессы, происходящие с латунью при ее обработке ультразвуком. Из-за понижения давления в жидкости вокруг сплава появляются пузырьки, которые схлопываются и за счет выброса большого количества энергии приводят не только к появлению вмятин на поверхности, но и к разделению последней на участки с разным химическим составом и отличающимися бактерицидными свойствами. Описанные авторами принципы помогут в разработке новых подходов к лечению инфицированных ран, а именно в создании антимикробных повязок с наночастицами латуни. Результаты работы, выполненной при поддержке гранта Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Ultrasonics Sonochemistry, кратко они описаны в пресс-релизе фонда.

Патогенные микроорганизмы стали приобретать устойчивость всё к большему количеству антибиотиков. Однако против металлов и их оксидов у микробов и грибков пока что нет защитных механизмов. Именно потому эта группа соединений вызывает особый интерес исследователей. Антибактериальные механизмы металлов очень разнообразны. Например, медь изменяет степень окисления, а «лишний» электрон может передать перекиси водорода — вполне обычной и относительно безопасной для клетки. Такое «донорство» приводит к образованию активных форм кислорода, которые разрушают окружающие их молекулы. Цинк же идет другим путем: он взаимодействует с белками, из-за чего те не могут нормально работать, метаболизм бактерии нарушается, и она гибнет.

«Очень перспективно использовать наночастицы сплава меди и цинка — латуни. По сравнению с пластиной той же массы, что и частицы, последние имеют гораздо большую площадь активной поверхности. Нам интересно улучшить их бактерицидные свойства, и мы применили для этого ультразвук. Акустические вибрации высокой частоты позволяют реализовать очень необычные явления. Например, в жидкости мы сталкиваемся с эффектом кавитации, когда получаются пузырьки, при схлопывании образующие крошечные области с давлением в несколько атмосфер и тысячеградусной температурой. Они могут влиять на поверхность латунных частичек, не только создавая особый рельеф и увеличивая поверхность, но и вызывая образование новых веществ и структур, возможно, более сильных в плане уничтожения микробов», — рассказывает профессор Михаил Носоновский, руководитель группы трибоинформатики НОЦ инфохимии Университета ИТМО.

Ученые обнаружили, что обработка ультразвуком латунных частичек привела к своего рода зонированию: поверхность оказалась разделена на фракции, отличные по своей структуре, строению и свойствам. Первая в основном содержала медь и, соответственно выделяла ее ионы, а вторая — цинк.

Эффекты двух металлов сложились и оказались очень действенными в подавлении роста кишечной палочки. Интересно, что фракционным составом частиц можно было управлять, выбирая характеристики ультразвуковых колебаний, — авторы также привели математические модели, объясняющие наблюдаемые явления.

«Это позволяет нам управлять и свойствами латунных частиц. Всё зависит от того, против каких патогенных микроорганизмов мы хотим бороться, какие метаболические пути и структуры нам нужно поразить. Например, ионы меди обладают более обширным действием и эффективны против патогенов, не нуждающихся в кислороде, в то время как ионы цинка более избирательны — они свяжутся только с определенными участками белков. Варьируя соотношение фракций столь простым способом, как ультразвуковая обработка, мы можем создать идеальные антимикробные повязки, ускоряющие заживление инфицированных ран», — подводит итог доцент Светлана Уласевич, руководитель группы биомиметических материалов НОЦ инфохимии Университета ИТМО.