Функционализация поверхности глинозема и его использование в антибактериальных материалах

Введение

Глинозем (Al₂O₃), один из самых популярных керамических материалов, обладает необходимой термической стабильностью, механической прочностью и химической инертностью. Природный глинозем биологически неактивен, т.е. антибактериально неактивен. В последнее десятилетие было обнаружено, что функционализация поверхности является подходящим методом для расширения использования глинозема в биомедицинских и гигиенических материалах, особенно для антибактериальных применений.

1. Обзор методов функционализации поверхности

Функционализация поверхности - это метод адаптации поверхностного слоя материала для придания ему новых химических, физических или биологических свойств без изменения свойств основной массы. Для глинозема функционализация обычно требуется для повышения реакционной способности поверхности, контроля смачиваемости, придания биосовместимости или включения активных антибактериальных функций.

1.1 Силанизация

Силанизация- это иммобилизация молекул органосилана на гидроксилированной поверхности глинозема. Силаны могут быть функционализированы эпоксидными группами, тиолами или аминами, которые служат якорями для дальнейшей химической модификации или иммобилизации биомолекул. 3-аминопропилтриэтоксисилан (APTES) является одним из примеров введения аминных групп, которые позволяют впоследствии связать наночастицу серебра или четвертичное аммониевое соединение.

1.2 Плазменная обработка

Плазменная обработка изменяет энергию поверхности и вводит функциональные группы (например, -OH, -COOH) с помощью высокоэнергетической ионной бомбардировки. Плазменная активация поверхности происходит без растворителей, что полезно в биомедицинских приложениях. Например, кислородная плазма повышает гидрофильность глинозема и адгезию антибактериальных покрытий.

1.3 Атомно-слоевое осаждение (ALD)

ALD используется для нанесения ультратонких антибактериальных пленок (например, ZnO, TiO₂) с атомной точностью на пористые или плотные поверхности глинозема. Процесс обеспечивает равномерное нанесение покрытия даже на сложные геометрические формы, такие как пористые глиноземные скаффолды для медицинских имплантатов.

1.4 Послойная сборка (LbL)

Процесс LbL использует последовательное осаждение противоположно заряженных полиэлектролитов или наночастиц для создания многослойных пленок. Это особенно удобно для иммобилизации биологически активных молекул, таких как лизоцим или антимикробные пептиды, на поверхности глинозема.

2. Антибактериальные механизмы, основанные на модификации поверхности

Поверхностно-модифицированный глинозем проявляет антибактериальную активность в основном за счет следующих механизмов:

- Высвобождение антибактериальных веществ (например, Ag⁺, Zn²⁺), которые диффундируют в мембраны бактериальных клеток и ингибируют ферментативную активность.

- Контактно-убиваемые поверхности, на которых закреплены такие агенты, как четвертичные аммониевые соединения (ЧАС), нарушающие стабильность бактериальных мембран при контакте.

- Генерация реактивных форм кислорода (ROS), особенно фотокаталитическими покрытиями, такими как TiO₂, которые вызывают повреждение компонентов клетки, таких как ДНК и белки.

3. Экспериментальные исследования и данные

3.1 Функционализированный серебром глинозем

В работе Wang et al. (2019) диски из глинозема были поверхностно функционализированы наночастицами серебра путем силанизации APTES и восстановления серебра in-situ. Функционализированная поверхность убивала S. aureus и E. coli более чем на 99,9 % в течение 4 часов. СЭМ-изображение показало широкое повреждение мембраны, а ICP-OES - устойчивое высвобождение Ag⁺ в течение более семи дней (Wang et al., 2019).

3.2 Покрытия из оксида цинка методом ALD

Чжао и др. (2021) покрыли алюмооксидные подложки пленками ZnO методом атомно-слоевого осаждения. 50-цикловое покрытие ZnO подавляло 4-Log КОЕ Pseudomonas aeruginosa после 6 часов инкубации в темноте, в основном за счет высвобождения ионов цинка. Покрытия обладали высокой антибактериальной активностью и низкой цитотоксичностью по отношению к фибробластам человека (Zhao et al., 2021).

3.3 Композиты TiO₂-Alumina

В статье, опубликованной в 2020 году в журнале Surface & Coatings Technology, было показано, что золь-гель покрытия TiO₂ на глиноземе способны снижать количество кишечной палочки на >95% в течение 2 часов под воздействием УФ-А света. Фотокаталитическую активность можно было повторять в течение нескольких циклов, при этом не наблюдалось значительного вымывания ионов титана, что сохраняло долгосрочную активность (Chen et al., 2020).

4. Биомедицинские и гигиенические применения

Поверхностно-функционализированная алюмооксидная керамика находит свое применение в различных областях. Пористые глиноземистые скаффолды с покрытием из серебра или ZnO используются в медицинских имплантатах для уменьшения послеоперационных инфекций. Поверхности из глинозема, функционализированные антимикробными агентами, используются на хирургических инструментах и высококонтактных поверхностях в больницах для снижения риска заражения. Мембраны из глинозема, функционализированные антимикробными агентами, используются в системах фильтрации воды для достижения как физической фильтрации, так и инактивации бактерий. Поверхности с антибактериальным керамическим покрытием используются в пищевой промышленности для повышения гигиеничности обработки и упаковки.

Заключение

Функционализация поверхности значительно расширяет возможности использования глинозема в антибактериальных системах за счет включения активных химических веществ и модификации свойств поверхности. Подтвержденные экспериментальными данными, глиноземные керамики с функционализацией поверхности все шире внедряются в биомедицинские, экологические и санитарные системы.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое функционализация поверхности глинозема?

Это химическая модификация поверхности глинозема с целью придания ей антибактериальной или иной функциональности.

2. Почему глинозем не является антибактериальным в природе?

Потому что он химически инертен и не имеет биологически активных участков поверхности.

3. Как функционализируется глинозем?

Некоторые из типичных методов - силанизация, плазменная обработка, ALD и послойное покрытие.

4. Как убивают бактерии?

За счет высвобождения ионов (например, Ag⁺, Zn²⁺), контакта с поверхностью или образования ROS под действием фотокаталитических покрытий.

5. Насколько эффективен глинозем с серебряным покрытием?

>99,9 % удаления бактерий за 4 часа (Wang et al., 2019).

>6. Является ли глинозем с покрытием ZnO биосовместимым?

>Да. Это чрезвычайно антибактериальный материал с минимальной токсичностью (Zhao et al., 2021).

Ссылки

Chen, L., Huang, Z., & Zhao, Y. (2020). Глинозем с покрытием из TiO₂ и его фотокаталитическая и антибактериальная активность при УФ-А освещении. Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

Wang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2019). Антибактериальная эффективность пористой алюмооксидной керамики, функционализированной серебром. Materials Science and Engineering: C, 102, 686-692.

Zhao, J., Zhang, D., & Li, Q. (2021). Атомно-слоевое осаждение покрытий ZnO на глинозем для антибактериальных применений. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 109(2), 222-229.