Российские ученые создали текстиль, устойчивый к действию микроорганизмов в тропическом климате
Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С, Курнакова РАН, Исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Института молекулярной генетики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Российско-Вьетнамского научно-технологического центра тропических исследований провел масштабное исследование, посвященное изучению антимикробных свойств хлопковых тканей с покрытиями из оксидов цинка и титана в тропическом климате. Работа опубликована в Journal of Functional Biomaterials.
Как известно, широкое использование антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве уже привело и будет приводить к появлению новых, нечувствительных к ним бактерий, так называемых антибиотикорезистентных штаммов. Размножаясь на различных поверхностях, они могут стать причиной серьезных заболеваний растений и животных, а также человека. Поэтому создание материалов, токсичных для патогенных микроорганизмов, является крайне важной задачей. Например, антимикробные ткани можно использовать для изготовления одежды медицинского персонала или постельного белья в больницах.
Наночастицы некоторых оксидов металлов эффективно подавляют жизнедеятельность бактерий, грибков и простейших. При этом механизм их действия принципиально отличается от известных механизмов действия антибиотиков, что позволяет уничтожать даже микроорганизмы с множественной лекарственной устойчивостью. Интересным свойством таких оксидов является то, что, являясь токсичными по отношению к бактериям, они практически безвредны для клеток и тканей многоклеточных организмов. Например, для человека безвредны оксиды титана и цинка, их используют в солнцезащитной косметике и в составе некоторых пищевых добавок.
При нанесении наночастиц оксидов металлов на ткань очень важно обеспечить прочное связывание наночастиц и волокон. Для увеличения устойчивости антибактериального покрытия исследователи из ИОНХ РАН предложили использовать разработанную ими технологию ультразвуковой обработки. Высокочастотные колебания приводят к появлению в воде огромного количества очень маленьких (несколько десятков микрон) пузырьков разреженного газа. Такой эффект «закипания» воды при комнатной температуре под действием ультразвука называется кавитацией. Кавитационные пузырьки очень нестабильны, и при их схлопывании наночастицы разгоняются до высоких скоростей, проникая глубоко в волокна ткани. Такой метод обеспечивает равномерное распределение наночастиц, допускает крупномасштабное производство и обеспечивает низкую стоимость материала. В результате такой обработки потребительские качества хлопковых тканей практически не меняются, а закрепленные в волокнах наночастицы выдерживают не менее 20 циклов стирки.
Антимикробные свойства полученных тканей испытали в пригороде Ханоя, столицы Вьетнама, на испытательном полигоне Российско-Вьетнамского научно-технологического центра тропических исследований «Хоа Лак». Очевидно, что во влажном и жарком тропическом климате скорость размножения микроорганизмов и их биологическое разнообразие куда выше, чем в привычной нам средней полосе.
Исследование прокомментировала автор статьи, сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН Варвара Веселова: «Негативное воздействие микроорганизмов на ткани – очень большая проблема в странах Юго-Восточной Азии. Например, очень популярны осушители воздуха для гардеробов, потому что иначе одежда буквально гниет в шкафу. Так что антибактериальные ткани, простые в изготовлении и пригодные для использования в повседневной жизни, действительно востребованы. В подавляющем большинстве исследований свойства подобных материалов изучают на одном-двух видах бактерий. Но ведь в реальности на материал могут воздействовать десятки видов бактерий одновременно. Да и не только бактерий – на тканях размножаются одноклеточные грибы и простейшие. Благодаря совместной работе с вьетнамскими коллегами нам удалось восполнить этот пробел и показать, что созданные нами ткани имеют очень высокую антибактериальную и противогрибковую (фунгицидную) активность. Количество микроогранизмов на полученных тканях в течение всех трех месяцев испытаний было в 30–100 раз меньше, чем на тканях без обработки. В ходе работы мы проанализировали, какие типы микроорганизмов появились на тканях за время пребывания на тропическом полигоне. Анализ их генома показал, что главной причиной деградации тканей в тропическом климате являются одноклеточные грибы. Но оксид цинка оказался отличным фунгицидом, и даже через три месяца в тропиках наши ткани оставались на 20% прочнее, чем контрольные образцы без покрытия.»
Использование технологичного способа обработки, невысокая стоимость и доступность исходного сырья, безопасность наночастиц при контакте с кожей позволяют получать ткани, долго сохраняющие высокую прочность в тропических условиях даже на открытом воздухе при относительной влажности более 90%. Такие ткани можно использовать не только для производства медицинского текстиля, но и для изготовления повседневной одежды.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования России (грантовое соглашение № 075-15-2020-782). Полевые испытания проводили в рамках Программы научно-исследовательских и технологических работ совместного Российско-вьетнамского центра тропических исследований и технологий на 2020-2024 годы (ECOLAN T-1.13).