Антибактериальные нано-покрытия с высокой эффективностью против микробных и грибковых патогенов — до 99.99% — представили материаловеды Университета МИСИС. Материал на основе нитрида бора и ультрадисперсного металлизированного серебра или наночастиц оксида железа может стать безопасной альтернативой антибиотикам в травматологии, хирургии и имплантологии, поскольку не имеют характерных негативных побочных эффектов. Результаты работы представлены в международном научном журнале Applied Surface Science.
История человечества неразрывно связана с борьбой с инфекциями, и до сих пор эта проблема по-прежнему стоит остро. Два основных фактора — значительное увеличение количества хирургических операций по всем миру и одновременно растущая резистентность (устойчивость) бактерий к антибиотикам мощно осложняют решение проблемы подавления воспалений, вызванных бактериальными и грибковыми возбудителями. Например, по данным авторитетного научного журнала Lancet, в 2019 году около пяти миллионов человек умерли от различных инфекций. По данным того же издания, смертность от резистентности бактерий к антибиотикам сейчас уступает только инсульту и ишемической болезни сердца.
Помимо этого, во всем мире ученые решают проблему микробных инфекций, вызванных установкой имплантатов при хирургическом вмешательстве. Особенно серьезно эта проблема проявляется при проведении ортопедических и стоматологических операций. Не секрет, что сопутствующая медикаментозная терапия воспалений вокруг имплантатов часто приводит к побочным эффектам из-за негативных свойств антибиотиков, а также их высоких доз.
Группа ученых Университета МИСИС в кооперации с коллегами из Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии предложили нестандартное решение проблемы — комплексное тройное воздействие на инфекционный возбудитель: физическое повреждение мембраны бактериальных клеток, бактерицидный эффект за счет высвобождения ионов металлов и образование активных форм кислорода, уничтожающих болезнетворные организмы.
«Чтобы решить задачу, мы синтезировали покрытия, состоящие из наночастиц нитрида бора, модифицированные ультрадисперсными наночастицами серебра, или оксида железа. Носители нитрида бора обладают уникальной сферической формой с игольчатой поверхностью, позволяющей повреждать разрывать мембрану бактериальных клеток при физическом контакте с ними. Сами покрытия выделяют ионы металлов в зависимости от концентрации. Наши исследования показали, что при минимальной ингибирующей концентрации, наночастицы оксида железа (74 мкг/см2) эффективно подавляют рост грамотрицательных бактерий кишечной палочки, а также золотистого стафилококка и пневмококков уже в течение первых трех часов. Покрытия с серебром в минимальной концентрации 12 мкг/см полностью инактивируют бактерии», — рассказала один из авторов исследования, сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» Университета МИСИС Кристина Гудзь.
Оказалось, что такое покрытие уничтожает 100% исследованных микроорганизмов: бактериальные штаммы и грибок Candida parapsilosis погибают в течение суток воздействия. По словам исследователей, саму сферическую и игольчатую, «лохматую» форму наночастиц нитрида бора умеют получать только они, ее уникальность зарегистрирована в виде российского ноу-хау на «Способ получения наноструктурированных покрытий гексагонального нитрида бора с антибактериальным эффектом».
Усиленная бактерицидная и фунгицидная активность полученных образцов связана с образованием большого количества активных форм кислорода: свободные радикалы активно повреждают стенки микроорганизмов, в результате чего последние погибают.
Разработчики подчеркивают, что в результате испытаний было доказано отсутствие цитотоксичности покрытия, то есть оно безопасно для организма пациента, в то время как его действующее вещество эффективно против патогенов. Преимущественным отличием покрытия от аналогов стали минимальные дозы бактерицидных компонентов и полное отсутствие наполнителя-антибиотика, что исключает резистентность.
Коллектив проводит испытания полученных образцов в качестве покрытий для имплантатов. Следующим шагом станет работа по масштабированию разработки в качестве перевязочного материала для применения в травматологии и хирургии. Также в будущем планируется провести исследования in-vitro, сейчас в приоритете проведение исследований на особо опасных штаммах бактерий и вирусов (Vibrio cholerae, Covid-19 и др.).
Работа была выполнена в рамках проекта РНФ
и программы «Приоритет 2030».
