Получение антибактериальных пленок путем синтеза наночастиц серебра и поливинилового спирта

XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Получение антибактериальных пленок путем синтеза наночастиц серебра и поливинилового спирта

Лепилкина Е.М. 1Макарова С.Ю. 1
1МОУ Лицей №8 "Олимпия"
Стесякова М.В. 1Наход М.А. 2
1МОУ Лицей №8 "Олимпия"
2ДТ "Кванториум ПолиТех"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность. Начиная с февраля 2020 года, пандемия коронавируса начала распространяться по всему миру. Из-за этой проблемы наше государство приняло защитные меры по профилактике и защите от инфекции. В марте граждан отправили на карантин, а начиная с октября 2020 года, людям приходится использовать защитные средства, такие как маски и перчатки. Помимо средств индивидуальной защиты мы также используем антибактериальные средства для обработки и обеззараживания разнообразных поверхностей: дверные ручки, парты в школах, турникеты и тому подобное. Соответственно, мы задумались над вопросом: «Как было бы хорошо придумать универсальное антисептическое средство, которое могло бы сохранять свои антибактериальные свойства на протяжение долгого времени». Ведь обрабатывание поверхности антисептическими средствами после каждого прикосновения другим человеком отнимает гораздо больше времени. Мы нашли верный способ для решения этой проблемы – полимерная пленка с наноструктурированным серебром. Этой пленкой можно покрыть не только турникеты в общественных местах, но и покрывать мелкие личные вещи такие как чехлы для телефонов, ручки, карандаши и т.д.

Цель получение антибактериальных плёнок на основе нано структурированного серебра

Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:

1. Изучить методы синтезирования наносеребра;

2. Синтезировать наночастицы серебра цитратным и боргидридным методами;

3. Получить пленку на основе синтеза поливинилового спирта с наноструктурированным серебром.

Объекты исследования: наночастицы серебра, полученные методом химического эксперимента; антибактериальная плёнка на основе поливинилового спирта.

Предмет исследования: особенности получения пленки из ПВС с содержанием наносеребра.

Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ обзор

1.1 Бактерии, живущие у нас на руках

Дать чёткий перечень живущих на нашей коже бактерий невозможно. Состав микрофлоры у каждого человека свой.

Большинство микробов приносят пользу человеку. Они питаются кожными выделениями, очищая поверхность тела и обогащая организм полезными веществами. Лечение от них не требуется.

Меньшая часть бактерий относится к условно-патогенным. Они не приносит вреда в обычных условиях, но могут стать причиной заражения при ослаблении иммунитета.

Ещё меньше на коже болезнетворных бактерий. Вот они-то и являются причиной многих наших болезней, иногда требующих серьёзного лечения. Желающие «знать врага в лицо» могут рассмотреть эти бактерии на фото, которые сделаны с помощью микроскопа, или на обучающем видео с макетом. Там патогенные бактерии в виде больших моделей расположены на макете руки.

Наибольшую опасность представляют следующие «гости» наших рук:

Сальмонеллы– некоторые виды вызывают острые кишечные заболевания (сальмонеллёзы), например, брюшной тиф.

Кишечная палочка– отдельные штаммы приводят к тяжёлым пищевым отравлениям, могут вырабатывать токсины, смертельные для детей, людей пожилого возраста или с ослабленным иммунитетом.

Шигеллы– вызывают целый ряд инфекционных заболеваний, например, дизентерию.

Бруцеллы– приводят к множественному поражению внутренних органов, вызывают бруцеллёз.

Стафилококк золотистый– наиболее патогенный для человека вид стафилококка. Вызывает целую гамму заболеваний – от лёгких кожных (угри, фурункулы) до смертельно опасных (пневмония, менингит, сепсис). Существуют штаммы, устойчивые к антибиотикам, что ощутимо усложняет лечение.

1.2Бактерицидные свойства ионов серебра

Наносеребро, как и другие наночастицы, характеризуется уникальными свойствами. Они связанны с высоким отношением их площади поверхности к объему, что определяет большую эффективность их действия. Ионы серебра обладаютвыраженным противогрибковым, антисептическим и бактерицидным действием и служит обеззараживающим средством, которое высокоэффективно в отношении патогенных микроорганизмов, вызывающих острые инфекции. Ионы серебра при взаимодействии с микробной клеткой поглощаются ее оболочкой. После этого микроб остаются жизнеспособным, но лишается некоторых функций.

1.3Методы получения коллоидного наносеребра

1.3.1Боргидридный метод получения коллоидного наносеребра

Применение тетрагидридобората натрия (NaBH4) при получении наночастиц серебра имеет большее распространение и эффективность, чем использование цитрат-аниона. Это объясняется высокой восстановительной способностью боргидрида и простотой применения. Как и в цитратном методе, тетрагидридоборат натрия служит одновременно восстановителем и стабилизатором образующихся наночастиц. Исследование механизма роста наночастиц показало, что в случае применения боргидрида, главную роль играет агрегация образовавшихся кластеров. Проведенные исследования показали, что концентрация ионов серебра в растворе не меняется за весь эксперимент с ростом наночастиц. Это доказывает, что рост частиц не может происходить за счет восстановления серебра на поверхности кластеров. Увеличение размера частиц происходит за счет агрегации кластеров при разложении боргидрида, когда действие стабилизации NaBH4 уменьшается.

1.3.2 Цитратный метод получения коллоидного наносеребра

Изначально этот метод, разработанный Туркевичем, применялся для получения наночастиц золота, однако он также применим и к нитрату серебра. Так как серебро является более активным, чем золото, в таком случае синтез наночастиц серебра происходит более сложно из-за способности серебра к агрегации и быстрому окислению. Для усиления устойчивости раствора наночастицы необходимо стабилизировать. В цитратном методе получения частиц наносеребра стабилизатором и восстановителем служит цитрат-анион, получаемый при растворении в воде трехзамещенной натриевой соли лимонной кислоты.

При нагревании раствора и окислении аниона образуется ацетондикарбоновая и итаконовая кислоты. Большое влияние на размеры наночастиц оказывает соотношение концентраций ионов серебра и анионов, а также время кипячения раствора.

1.4 Получения пленок на основе поливинилового спирта (ПВС) с наноструктурированным серебром

Полученные пленки на основе водорастворимого термопластичного поливинилового спирта в дальнейшем могут применяться в медицине, в частности в хирургии для лечения ран, ожогов, повреждений в качестве минимально травматичных, биосовместимых и биорастворимых, антимикробных повязок для поврежденной кожи[5].

В данной работе получали пленки из 10-12% раствора, по массе, поливинилового спирта. Это объясняется тем, что данная концентрация оптимальна с точки зрения вязкости и пленки получаются прочные. При повышении концентрации растекание раствора будет затруднено на поверхность стекла.

Глава 2 Экспериментальная часть

2. 1 Синтез наночастиц серебра цитратным методом

На аналитических весах взвесили 0,01 г.AgNO3. Затем растворили в 25 мл дистиллированной воды и нагрели полученный раствор в термостойком стакане(V=200 мл) на электромагнитной мешалке до кипения. Параллельно приготовили навеску 0,0082 г. цитрата натрия Na3C6H5O7 и растворили в 100 мл дистиллированной воды. По каплям добавляли полученный раствор цитрата натрия в кипящий раствор нитрата серебра. (прил.1)

2AgNO3 + Na3C6H5O7 → 2Ag + CO2 + Na2C5H4O5 + NaNO3 + HNO3

Наблюдали изменение цвета раствора от бесцветного к желтому, что свидетельствует о восстановлении ионов серебра. Нагрев продолжали 15 минут, а затем охладили раствор до комнатной температуры (прил.2)[3].

Вывод: в результате проведения синтеза наносеребра цитратным методом мы получили насыщенный раствор ярко-жёлтого цвета с содержанием коллоидных наночастиц серебра.

2.2 Синтез наночастиц серебра боргидридным методом

На аналитических весах взвесили 0,01г. AgNO3 и приготовили 5 мл раствора в дистиллированной воде в плоскодонной колбе (V= 100 мл). Параллельно приготовили навеску 0,0057г. NaBH4, растворили в 15 мл дистиллированной воды и поставили в морозильный шкаф охлаждаться до температуры 0оС. После чего, охлажденный раствор NaBH4 перелили в колбу с AgNO3 и быстро перемешали, энергично встряхивая, что помогло образованию монодисперсных частиц.

2AgNO3 + 2NaBH4 → 2Ag + 2H + B2H6 + 2NaNO3

Образующийся раствор желтого цвета указывает на сферическую форму наночастиц. (прил.3) Образующиеся частицы стабильны, не осаждались и не меняли окраску в течение нескольких недель[3].

Итоги эксперимента: в результате проведения синтеза наносеребра боргидридным методом мы также получили насыщенный раствор ярко-жёлтого цвета с содержанием коллоидных наночастиц серебра.

2.3 Определение средних размеров частиц

Для определения размеров частиц серебра вначале измерили оптическую плотность D на спектрофотометре приготовленного коллоидного раствора при различных длинах волн λ. После этого построили график в координатах lnD = f(ln λ) (прил.9) и определили показатель степени дисперсности n. Из табличных данных нашли соответствующий параметр Z. Рассчитали средний линейный размер частиц исследуемой системы по уравнению 1 . Размеры полученных коллоидных растворов боргидридным методом получились 60 нм, а цитратным - 20 нм.

2.4 Окраска коллоидного раствора и определение частиц серебра

По окраске раствора можно судить о размере получившихся частиц. Желтая окраска коллоидного серебра в значительной степени определяется явлением рассеяния и поглощения света. У всех золей металлов с уменьшением дисперсности максимум поглощения сдвигается в сторону длинных волн, при увеличении - в сторону коротких. Например, в золях серебра с размерами r = 20-40 нм максимум светопоглощения приходится на λ =400-420 нм. Это соответствует поглощению сине- фиолетовых лучей, поэтому золь серебра кажется зелено- желтым, так как приобретает окраску дополнительную к сине-фиолетовому. Для определения размеров частиц на спектрофотометре измерили оптическую плотность D приготовленного коллоидного раствора при различных длинах волн λ 380- 550 нм. После этого построили график в координатах lnD = f(ln λ) и определили показатель степени дисперсности n. Зная n, нашли значение параметра Z. А затем, используя уравнение: рассчитали средний линейный размер частиц исследуемой системы. Размеры полученных коллоидных растворов боргидридным методом получились 60 нм, а цитратным - 20 нм.

2.5 Влияние концентрации нитрата серебра на стабильность коллоидного раствора

В дальнейшей работе для синтеза наночастиц серебра был использован метод Туркевича. Изучали влияние концентрации нитрата серебра на стабильность коллоидного раствора. Концентрацию раствора цитрата натрия оставили прежней. Размер частиц также определяли турбодиметрическим методом на спектрофотометре, оказалось, что самый наименьший размер частиц достигается при концентрации 0,1 М. Седиментационную устойчивость полученных растворов наблюдали на 1, 7 и 30 сутки. В растворах с концентрацией 0,05 М и 0,001 наблюдалось выпадение осадка через неделю, в то время как раствор с концентрацией 0,1 М остался устойчивым спустя месяц. Результаты исследований приведены в таблице (прил. 8).

Для дальнейших исследований был выбран раствор концентрации 0,01М.

2.6 Оптические свойства

Оптические свойства - это свойства, воспринимаемые в зрительных ощущениях. К основным оптическим свойствам относятся поглощение, преломление, отражение и рассеяние света. Они имеют значение при эстетической оценке качества товаров. Чем более прозрачной будет полученная нами пленка, тем менее заметна она будет на различных поверхностях, улучшая эстетичный вид, покрываемой поверхности. С помощью спектрофотометра были проведены исследования по оценки светопропускания полученных пленок в широком диапазоне длин волн λ= 200-800нм. Так, например, полученные пленки имеют светопропускание 80% при λ= 450нм, что характерно для некоторых марки стекол, а, следовательно, синтезированные нами пленки на основе поливинилового спирта могут быть нанесены и на стеклянные поверхности, не нарушая их прозрачности. Также был рассчитан индекс желтизны. Индекс желтизны - это число, рассчитанное на основе спектрофотометрических данных, которое описывает изменение цвета пробы с бесцветного на желтый. Несмотря на то, что мы добавляли раствор коллоидного серебра желтого цвета, полученные пленки в тонком слое показали достаточно низкий индекс желтизны – 5,59.

2.7 Получение пленки на основе ПВС

Для получения 12% раствора взвесили 6г. ПВС и добавили 44мл дистиллированной воды. Далее поместили стакан на водяную баню (во избежание локальных перегревов) и нагревали до 85-90оС при перемешивании до полного растворения. (прил.4) Полученный раствор охладили до комнатной температуры. Далее при непрерывном перемешивании добавили в полученный раствор ПВС раствор наночастиц серебра в соотношении 1:1. (прил. 5) Далее методом полива на стеклянную подложку нанесли раствор и поместили в сушильный шкаф на сушку при 60оС. Пленки получились равномерными по толщине и имели светло коричневый оттенок (прил.6)[5].

2.8 Получение пленки на основе каппо-каррагинана

Для получения раствора взвесили 5г. каппо-каррагинана, 5г. крахмала, 0,5г. глицерина и добавили 90мл дистиллированной воды. Далее поместили стакан на водяную баню (чтобы разогревание шло равномерно) и нагревали до 85оС при непрерывном перемешивании (прил. 11). После того, как раствор стал однородным, мы методом полива нанесли раствор на стеклянную подложку и поместили в сушильный шкаф при 60оС на 2 часа. После, мы вытащили пленки из подложек. Пленки получились равномерными, мутными.

Итоги эксперимента: пленки из ПВС получились прозрачные и эластичные, а пленки из каппо-каррагинана получились мутные и очень хрупкие (прил.10). Именно поэтому мы решили изучать в дальнейшем пленки, сделанные на основе поливинилового спирта.

Заключение и перспективы проекта

В ходе учебно-исследовательской работы мы решили несколько задач.

При решении первой задачи, изучили литературу об истории использования ионов серебра, как антибактериального средства, в повседневной жизни человека. Познакомились с некоторыми способами получения нано структурированного серебра в лабораторных условиях.

Решая вторую задачу, нами были синтезированы частицы наносеребра боргидридным и цитратным способами в химической лаборатории.

При решении третьей задачи нашего исследования, из полученных частиц наносеребра была изготовлена антибактериальная полимерная пленка на основе синтеза поливинилового спирта с наноструктурированным серебром.

В дальнейшем планируется изучить антибактериальные и физико-химические свойства полученных нами пленок. Благодаря антибактериальным свойствам пленок, ими можно будет покрывать небольшие поверхности, а также мелкие личные вещи такие как: чехлы для телефонов, ручки, карандаши и т.д., и они смогут сохранять свои антибактериальные свойства на протяжении долгого времени.

Список источников и литературы

1. История использования частиц наносеребра [Электронный ресурс].- Журнал Sokolovjewelry.- Режим доступа:https://sokolov-ru.turbopages.org/sokolov.ru/s/blog/about-jewelry/antibacterial-silver/(Дата обращения 14.12.21)

2.Антибактерицидные свойства ионов серебра [Электронный ресурс].- Научная электронная библиотека «КиберЛенинка».- Режим доступа:https://cyberleninka.ru/article/n/antibakterialnye-svoystva-i-mehanizm-bakteritsidnogo-deystviya-nanochastits-i-ionov-serebra/viewer, (Дата обращения 14.12.21)

3. Сигов А.С. Получение и исследования наноструктур: Лабораторный практикум по нанотехнологиям – МИРЭА. -М., 2008.- с. 116

4. Методы получения наночастиц серебра [Электронный ресурс].-Выпускная квалификационная работа.- Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/40542/1/TPU408258.pdf, (Дата обращения 16.01.21)

5. Пат. 2542280 С1(РФ) Способ получения пленок с наноструктурированным серебром/ Баранова О.А., Пахомов П. М. -2013

6. Теоретическое и практическое руководство по дисциплине "Поверхностные явления и дисперсные системы": учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. / Ж. Н. Малышева, И. А. Новаков; ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – 352 с.

7. Физико-механические свойства полимерных пленок, содержащих наносеребро" Катнов В. Е., Вахитов Т. Р., Катнова Р. Р., Степин С. Н.

8.Диссертация Кудряшова М.А. "Морфология, оптические и электрофизические свойства новых композиционных материалов на базе полимеров, содержащих наночастицы серебра"

Приложение

Приложение 1

Фотография 1. Нагревание раствора AgNO3 с добавленным раствором Na3C6H5O7

Приложение 2

Фотография 2. Синтезированный цитратным методом раствор наносеребра

Приложение 3

Фотография 3. Синтезированный боргидридным способом раствор наносеребра

Приложение 4

Фотография 4. Нагревание раствора поливинилового спирта

Приложение 5

Фотография 5. Измерение поливинилового спирта и раствора наночастиц серебра в пропорции 1:1

Фотография 6. Смешивание ПВС с раствором наносеребра

Приложение 6

Фотография 7. Получившаяся пленка в стеклянной форме

Фотография 8. Изготовленные пленки, извлеченные из форм

Концентрация раствора AgNO3

0,005 М

0,01 М

0,015 М

0,02 М

Объем

10 мл

10 мл

10 мл

10мл

Концентрация раствора цитрата натрия

0,05 М

0,05 М

0,05 М

0,05 М

Цвет

Прозрачный

пудровый

Прозрачный желтый

Прозрачный оранжевый

Мутный серо-коричевый

Седиментационная устойчивость

Устойчив

Устойчив

Устойчив

 

Конус Тиндаля

Наблюдали

Наблюдали

Наблюдали

Не наблюдали

Приложение 7

Т аблица 1. Влияние концентрации нитрата серебра на свойства коллоидногораствора

Приложение 8

График 1. Прозрачность пленки ПВС с наночастицами

Приложение9

График 2.Определение средних размеров частиц

П
риложение 10

Фотография 9. Изображение под пленкой из каппо-каррагинана

Фотография 10. Изображение под пленкой из ПВС

Приложение 11

Фотография 11. Перемешивание раствора с каппо-каррагинаном

Просмотров работы: 31