Способ получения систем на основе цеолита beta и наноразмерного диоксида церия с антимикробными свойствами

Изобретение относится к получению антимикробных агентов и может быть использовано в медицине в качестве добавки в противомикробные мази, раневые повязки, противовоспалительные препараты и т.д. Способ получения систем CeO₂-Beta с антимикробными свойствами в темноте при концентрации CeO₂ в составе системы 30-70% заключается в том, что получают реакционную смесь твердофазным смешением реагентов Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta, с последующим отжигом полученной смеси 1 час при температуре 420°С. При этом полученная система имеет конструкционную основу Beta и функциональную основу – наноразмерный CeO₂. Изобретение позволяет получить систему CeO₂-Beta, проявляющую высокие бактерицидные свойства в отношении условно-патогенной грамотрицательной бактерии Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка) в темноте, а также упростить процесс получения систем CeO₂-Beta, значительно уменьшив количество стадий и используемых реагентов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к способу приготовления систем с наноразмерным диоксидом церия и цеолита Beta с разной концентрацией CeO₂ и разной температурой отжига образцов, применяемых в качестве антимикробных агентов в отношении грамотрицательных бактерий в отсутствии излучения.

По величине диаметра задержки зоны роста (Д, мм) бактерий антимикробные агенты делят на 4 группы [L. A. Blatun, The Prof. B.M. Kostyuchenko J., 2015, 2(3), 36]: Д< 10 мм - отсутствие чувствительности, Д = 11-15 мм - малая чувствительность, Д = 15-25 мм - средняя чувствительность, Д > 25 мм - высокая чувствительность к микроорганизмам

В работе [H. Yuliani, R. D. Mayasari, E. Kalembang, Y. Deni, D. R. Santi, P. W. Pangestika, S. Purwanto, B. Sugeng, S. M. Setyadji. Analysis of structure and antimicrobial activity of CeO₂ and Nd₂O₃ nanoparticles. Jurnal Fisika dan Aplikasinya. 2019. V. 4, Is. 2. PP. 105-112] описан метод получения наноразменого CeO₂ с антимикробными свойствами, заключающийся в осаждении наночастиц CeO₂ из 0.03 М водного раствора Ce(NO₃)₃×6H₂O гидрокарбонатом натрия NaHCO₃ (0.03 M) и гидроксидом аммония NH₄OH (0.02 M) при 55°С в течение 15 минут, с последующей сушкой осадка 2 часа при температуре 220°С и отжигом в печи 3 часа при 600°С. Показано, что полученный нанокристаллический CeO₂ с размером кристаллита ~20 нм, демонстрировал слабую антимикробную активность (АМА) с диаметром задержки зоны роста бактерий Candida albicans, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Salmonella entericatyphi, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa: диапазон диаметров Д=0.67-4.28 мм (в темноте). Однако, согласно вышеописанной классификации, полученные образцы не проявляли АМА.

Недостатком данного метода является большое число используемых реагентов и низкая антимикробная активность в отношении патогенных бактерий.

Описан способ получения наноразмерного диоксида церия с антимикробными свойствами в отношении грамотрицательной бактерии E. Coli [R.P.Senthilkumar, V. Bhuvaneshwari, V. Malayaman, G. Chitra, R. Ranjithkumar, K.P.B. Dinesh, B. Chandarshekar. Biogenic method of cerium oxide nanoparticles synthesis using wireweed (Sida acuta Burm.f.) and its antibacterial activity against Escherichia coli. 2019 Mater. Res. Express, doi.org/10.1088/2053-1591/ab37b9], заключающийся в смешении 10 мл экстракта растения S. acuta со 100 мл водного раствора Ce(NO₃)₃ с концентрацией 1 ммоль/л, выдерживании смеси при 80°C при интенсивном перемешивании 3 часа до выпадения осадка белого цвета и окрашивания его в желтый цвет. Готовый порошкообразный продукт промывали дистиллированной водой в течение 10 минут, высушивали 1 час при 80°С и после отжигали 2 часа при 300С. В присутствии полученных образцов с наноразмерным CeO₂ диаметр задержки зоны роста Гр^- бактерии E. coli Д=12 мм при облучении УФ-светом.

Недостатком данного метода является низкая антимикробная активность в отношении бактерии E. coli и необходимость в использовании излучения для активации антимикробных свойств наночастиц CeO₂.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения наноразмерного диоксида церия, заключающийся в отжиге солей Ce(III) (Ce(NO₃)₃, Ce(OH)₃, Ce₂(C₂O₄)₃, Ce(ClO₄)₃) при температуре 260-340°С в течение 10-20 часов. Способ позволяет получить катализатор с удельной поверхностью S_БЭТ=35-101 м²/г и объемом пор V_пор=0.08-0.2 см³/г, обеспечивающие высокие показатели каталитических свойств в реакции сульфуризации [Bo Guo, Sai Li, Yu Tian. Performance of Cerium Oxides from Different Preparation Methods for Desulfurizing Hot Coal Gas. ACS Omega 2019, 4, 9301-9305]. Установлено, что образцы с CeO₂, полученные отжигом Ce(NO₃)₃, характеризовались наибольшим объемом пор V_пор=0.2 см³/г и демонстрировали наилучшие показатели каталитических свойств, по сравнению с остальными образцами с CeO₂. Антимикробные свойства наноразмерного CeO₂, полученного данным способом, изучены не были.

Для увеличения площади удельной поверхности и показателей функциональных свойств оксидные наночастицы (CeO₂, TiO₂, Fe₂O₃, ZnO и т.д.) наносят на конструкционную основу с высокой удельной поверхностью (например, мезопористый SiO₂, оксид графена - GO, алюмосиликатные цеолиты и т.д.)

Описан способ получения систем с наноразмерным оксидом церия(IV) и оксидом графена - CeO₂/GO, заключающийся в добавлении по каплям водного раствора оксида графена с концентрацией 0.9 г/л в реакционную смесь 0.01 М Ce(NO₃)₃, 0.03 M K₂CO₃ и воды (рН=8), с последующим старением полученной смеси. Готовый порошкообразный продукт фильтровали, промывали водой и высушивали при 60°C 12 ч [Garvit Sharma, D. Prema, K.S. Venkataprasanna, J. Prakash, S. Sahabuddin, G. Devanand Venkatasubbu. Photo induced antibacterial activity of CeO₂/GO against wound pathogens. Arabian Journal of Chemistry. 2020. V. 13. Is. 11. PP. 7680-7694]. Показано, что диаметр задержки зоны роста бактерий Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Salmonella typhi выше в присутствии систем CeO₂ - GO и равен Д=6-12 мм (в темноте и при облучении люминесцентной лампой с λ=450 нм и мощность 5 Вт), по сравнению с оксидом графена (Д=6-8 мм), и практически не отличается от диаметра Д=6-12, достигнутого на наноразмерном CeO₂ (с учетом погрешности метода определения АМА, метод «колодцев»).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является метод получения фотокатализаторов и антимикробных агентов с наноразмерными CeO₂ и ZnO методом горения, основанный на смешении прекурсоров Ce(NO₃)₃, Zn(NO₃)₂ и 30 мл сока фрукта дерева Acacia nilotica (содержащий аминокислоты, играющих роль связующего звена между Ce³⁺ и Zn²⁺ и топлива для горения смеси), с последующим отжигом полученной реакционной смеси 4 часа при 400°С [A. Syed, L. Sagar Reddy Yadav, A. H. Bahkali, A. M. Elgorban, D. A. Hakeem, N. Ganganagappa. Effect of CeO2-ZnO Nanocomposite for Photocatalytic and Antibacterial Activities. Crystals. 2020. V. 10. doi 0817; doi:10.3390/cryst10090817]. Полученные образцы CeO₂/ZnO демонстрировали малую АМА с диаметром Д=11-14 мм (в темноте) в отношении K. aerogenes и S. aureus, но большую, по сравнению с чистыми CeO₂ и ZnO (диаметры авторами не указаны).

Недостатком вышеописанных методов получения композитов с CeO₂ является низкая антимикробная активность с Д<15 мм и токсичность для организма человека конструкционных материалов (оксид графена, наноразмерный ZnO) [Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao. Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms. Particle and Fibre Toxicology. 2016. V. 13, Is. 57], что делает невозможным их применение.

Технический результат изобретения заключается в получении новых наноразмерных систем CeO₂-Beta, основанный на нанесении наночастиц CeO₂ на алюмосиликатный биосовместимый цеолит Beta с развитой удельной поверхностью (S_БЭТ = 640-680 м²/г, общий объем пор V_Σ=0.403 см³/г) и составом H_n[Al_nSi_64-nO₁₂₈]×wH₂O c Si/Al=12, 19, проявляющих высокие бактерицидные свойства в отношении условно-патогенной грамотрицательной бактерии (Гр^-) Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка) в темноте при упрощении процесса получения и уменьшения количества используемых реагентов, снижения стадийности и затратности.

Технический результат достигается смешением и перетиранием в течение 1-2 минут порошкообразных реагентов, гексагидрата нитрата церия Ce(NO₃)₃×6H₂O с цеолитом Beta состава H_n[Al_nSi_64-nO₁₂₈]×wH₂O c Si/Al=12 и 19, с последующим отжигом при температуре t_отж=420°С в течение 1 ч при варьировании концентрации CeO₂ в составе систем CeO₂-Beta c(CeO₂)=30-70%.

Образцы CeO₂-Beta получали смешением и перетиранием порошкообразных гексагидрата нитрата церия(III) и цеолита Beta, с последующим отжигом смеси при температуре 420°C в течение 60 минут. В этих условиях образуется образцы с конструкционной основой - Beta с модулем Si/Al=12-19, и функциональной основой - наноразмерным CeO₂, в разных соотношениях CeO₂ : Beta = 30% : 70% - 70% : 30%.

Фазовый состав образцов контролировали традиционным рентгенографическим методом (фиг.1, 2). Показано, что образцы содержат наноразмерный диоксид церия (2θ~28.5°, 33°, 47.5°; JCPDS №34-0394) и цеолит Beta с Si/Al=12 (фиг. 1а) и Beta c Si/Al=19 (фиг. 2а) в разных соотношениях. Для определения средних размеров областей когерентного рассеяния (D, нм) CeO₂ использовалась формула Шеррера: D=Кλ/βcosΘ: λ - длина волны, 2Θ~28.5°, β - интегральная ширина пика, эмпирический коэффициент К=0.9. Стандартное отклонение ±5%.

Изучение антимикробной активности (АМА) систем CeO₂-Beta проведено методом «колодцев» по отношении к грамотрицательной (Гр^-) бактерии Pseudomonas aeruginosa (Синегнойная палочка). Тест-бактерию засевали “газоном” в чашки Петри на агар Мюллера-Хинтона. С помощью тонкостенного цилиндра (диаметром 6-8 мм) на поверхности агара делали лунки, в которые вносили тестируемые образцы в порошкообразном виде (с добавление 2-3 капель физраствора - водного раствора NaCl). Далее чашки Петри помещали в термостат при 37°C на 24 ч. Оценка чувствительности микроорганизмов осуществлена по зоне задержки роста бактерий (величина Д, мм) вокруг лунки с помощью линейки.

Пример 1. Образец Ce-420 получен в качестве образца сравнения: Ce(NO₃)₃×6H₂O (Cas:10294-41-4; EINECS:233-297-2) отжигали 1 час при температуре 420°С. Рентгенографическое исследование образца Ce-420 (фиг.1б) показывает, что в его составе присутствует наноразмерный диоксид церия со средними размерами кристаллитов D=8.7(3) нм. Диаметр задержки зоны роста (Д, мм) бактерии Pseudomonas aeruginosa в присутствии образца Ce-420 Д=0 мм, то есть наноразмерный CeO₂, полученный в примере 1 не демонстрировал АМА (фиг.3).

Пример 2. Образец Ce-Beta-1 получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta (Si/Al=12) в соотношении CeO₂ : Beta = 30% : 70%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1в) присутствуют отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO₂ с размером кристаллита D=5.6(2) нм. В присутствии Ce-Beta-1 диаметр задержки зоны роста Pseudomonas aeruginosa равен Д=17 мм (в темноте) (фиг. 3).

Пример 3. Образец Ce-Beta-2 получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta (Si/Al=12) в соотношении CeO₂ : Beta = 50% : 50%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1г) есть отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO₂ с размером кристаллита D=5.5(2) нм. В присутствии Ce-Beta-2 диаметр задержки зоны роста Pseudomonas aeruginosa равен Д=30 мм (в темноте) (фиг. 3).

Пример 4. Образец Ce-Beta-3 получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta (Si/Al=12) в соотношении CeO₂ : Beta = 70% : 30%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1д) присутствуют отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO₂ с размером кристаллита D=7.2(3) нм. На образце Ce-Beta-3 достигнут диаметр задержки зоны роста Pseudomonas aeruginosa Д=30 мм (в темноте) (фиг. 3).

Пример 5. Образец Ce-Beta-4 получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta (Si/Al=19) в соотношении CeO₂ : Beta = 30% : 70%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 2б) присутствуют отражения цеолита Beta (фиг. 2а) и наноразмерного CeO₂ с размером кристаллита D=7.2(3) нм. На образце Ce-Beta-4 достигнут диаметр задержки зоны роста Pseudomonas aeruginosa Д=12 мм (в темноте) (фиг. 3).

На образцах системы CeO₂-Beta, полученных в примерах 2-5, достигнута значительно большая АМА, чем на наноразмерном CeO₂ (фиг. 3).

Наблюдается зависимость диаметра Д от содержания CeO₂: величина Д растет с увеличением количества CeO₂ в составе образцов Ce-Beta-1 и Ce-Beta-2, что согласуется с полученными ранее данными в [K. Mohan Kumar , M. Mahendhiran, M. Casales Diaz, N. Hernandez-Como, A. Hernandez-Eligio, Gilberto Torres-Torres, S. Godavarthi, L. Martinez Gomez. Green synthesis of Ce³⁺ rich CeO₂ nanoparticles and its antimicrobial studies. Materials Letters. 2018. V. 214, PP. 15-19]. Но при дальнейшем увеличение содержания CeO₂ до 70% (Ce-Beta-3) не наблюдалось увеличения диаметра Д (фиг. 3). Диаметр Д выше при значениях цеолитного модуля Si/Al=12 (образец Ce-Beta-1, пример 2), чем при модуле Si/Al=19 (образец Ce-Beta-4, пример 5) при равном содержании CeO₂ 30%.

1. Способ получения систем CeO₂-Beta с антимикробными свойствами в темноте с конструкционной основой Beta и функциональной основой – наноразмерным CeO₂ при концентрации CeO₂ в составе системы 30-70%, заключающийся в том, что реакционную смесь получают твердофазным смешением реагентов Ce(NO₃)₃×6H₂O и цеолита Beta, с последующим отжигом полученной смеси 1 час при температуре 420°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяли в качестве конструкционной основы цеолит Beta с разным цеолитным модулем Si/Al=12-19.

3. Способ по п. 1, отличающийся разным соотношением CeO₂ : Beta = 30% : 70% – 70% : 30%.