ANTIBACTERIAL EFFECTS OF NANOPARTICLES OF METALS

Full Text

На сегодняшний день чрезвычайно актуальным является вопрос поиска принципиально новых лекарственных средств с высокой антибактериальной активностью, которые позволили бы значительно снизить масштабы применения антибиотиков в практике врача и тем самым уменьшить дальнейшее распространение антибиотикорезистентности. Сейчас в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии используется широкий спектр антибиотиков, которые входят в состав материалов для местного лечения одонтогенных инфекционных заболеваний. Однако активность антибактериальных компонентов в составе этих препаратов кратковременна. Кроме того, придать стойкие антибактериальные свойства цементам, композитам и адгезивам не удалось. Использование светоотверждаемых композиционных материалов последнего поколения не гарантирует в дальнейшем защиту твёрдых тканей зуба от возникновения вторичного (рецидивирующего) кариеса. По этой причине актуальными являются исследования, связанные с перспективами использования коллоидных растворов наночастиц металлов в качестве антибактериального компонента в составе реставрационных материалов. Высокий уровень pH ротовой жидкости, большое разнообразие биохимических процессов, наличие широкого спектра естественных и патогенных микроорганизмов полости рта, особенности структуры, химического состава тканей зуба - всё это диктует следующие требования к пломбировочным материалам и адгезивным системам: 1. Широкий спектр бактерицидного действия. 2. Пролонгированное бактерицидное действие. 3. Отсутствие местного и системного токсического воздействия. 4. Адгезия к твёрдым тканям зуба и поверхностям ортопедических конструкций. 5. Нерастворимость в ротовой жидкости. 6. Сохранение физико-химических свойств при взаимодействии с другими стоматологическими материалами. В последнее время изучаются возможности применения нанопрепаратов в медицине. Бактерицидная активность наночастиц серебра по различным индивидуальным штаммам микроорганизмов изучена достаточно хорошо. С практической точки зрения, необходимо исследовать антимикробные свойства водных дисперсий серебра и других металлов непосредственно с микрофлорой зубного налёта. Существует два способа получения гидрозолей металлов и их оксидов: 1) химический: получение нанодисперсных систем, основанных на восстановлении ионов; 2) физический: получение ультрадисперсных растворов металлов и их оксидов. Первый способ имеет ряд существенных недостатков. Водная дисперсия металла, полученная химическим восстановлением, имеет ограниченную по величине суммарную поверхностную энергию частиц, кроме того, данные растворы высокотоксичны, что связано с наличием ионов, и делает нежелательным их применение в живых организмах [5]. Поэтому наиболее перспективными способами получения ультрадисперсных растворов металлов и их оксидов для использования в живых системах являются физические. Один из них -электрокорозионное диспергирование металлических электродов посредством вольтовой дуги. Суть метода состоит в электрической эрозии электродов под действием искро-дугового разряда, возникающего между ними. Образующаяся низкотемпературная плазма (до 40000 К) в вольтовой дуге охлаждается жидкостью (водой), находящейся в конденсированном состоянии при температуре окружающей среды. В результате огромного перепада температур происходит конденсация материала электродов (металла) в жидкости с образованием полидисперсной коллоидной системы, состоящей из дисперсной фазы: кластеров атомов и наноразмерной фазы металлов (оксидов металлов) в аморфном и кристаллическом состоянии; и дисперсионной среды, представленной жидкостью, в которой и происходит конденсация. Полученные таким способом коллоидные растворы являются устойчивыми (от нескольких месяцев до нескольких лет) системами со средней массовой концентрацией от 0,1 до 30 мг/л. Анализ микрофотографий просвечивающей электронной микроскопии показывает, что коллоидные системы отличаются между собой различным распределением частиц и соотношением кристаллической и аморфной фаз, что позволяет предположить высокую потенциальную поверхностную энергию частиц этих систем (рис. 1, 2; рис. 3, 4 на вклейке). Потенциальная энергия будет передаваться дисперсионной среде длительное время из-за кристаллизации аморфной фазы, коагуляции и коалесценции частиц, перекристаллизации кристаллической фазы и окислительно-восстановительных процессов, связанных с изменением химического состава самой дисперсной фазы. Антибактериальные свойства наночастиц серебра, титана, меди, кобальта, никеля и циркония обусловлены наличием двойного электрического слоя вокруг наночастиц, который обладает высокой реакционной активностью и взаимодействует с адсорбционными центрами пептидогликанов клеточной оболочки [2, 3]. Нарушая целостность микробной стенки и цитоплазматической мембраны, наночастицы металлов проникают в клетку и участвуют как катализатор в окислительных процессах с высвобождением и кумуляцией свободных радикалов, разрушением клеточных структур, что завершается гибелью клетки [7, 1]. Уже есть исследования, доказывающие высокую антибактериальную активность композитных соединений наночастиц серебра с оксидами меди и цинка в отношении микроорганизмов P. gingivalis, F. nucleatum и P. intermedia [9]. Исследования бактерицидных свойств коллоидных растворов металлов и оксидов металлов дискодиффузионным методом показывают наличие ярко выраженного бактерицидного эффекта для концентраций растворов от 1 до 10 • 10-7 мг/л (рис. 5, 6 на вклейке). При оценке антимикробной активности использовали смешанную культуру биопленки зубного налёта. На поверхность БТ-агара на основе перевара Хоттингера в чашки Петри с посевом индикаторных микробов были помещены бязевые тест-объекты, предварительно стерилизованные и пропитанные исследуемыми растворами. Инкубирование чашек Петри с посевами индикаторной культуры и исследуемыми образцами проводили при температуре 37°С в течение 24 ч. Исследуемые водные коллоидные растворы серебра, оксида железа (II), оксида никеля (II), диоксида титана, диоксида тантала и смешанного раствора диоксида титана и диоксида молибдена в соотношении 19:1, с концентрациями соответственно 12,2 мг/л, 12,4 мг/л, 8,2 мг/л, 10,3 мг/л, 7,5 мг/л, 6,8 мг/л кратно разбавлялись в 10, 102, 103, 104, 105, 106 и 107 раз соответственно. По окончании инкубирования под тест-объектами для всех растворов и при всех разбавлениях обнаружено отсутствие бактериальной среды. Наличие значительной радиальной диффузии свидетельствует о возникновении вокруг частиц в дисперсионной среде пространства, в котором будет сохраняться бактерицидный эффект, причём площадь этого пространства несоизмеримо больше, чем размер самих частиц. Сохранение бактерицидного эффекта коллоидных растворов оксида никеля, диоксида титана, серебра и оксида железа (II) (рис. 7, 8 на вклейке) отмечается на 9-е сутки и более, что даёт нам возможность предположить, что наночастицы металлов и оксидов металлов, внесённые в состав стоматологических композиционных материалов, придадут им пролонгированные бактерицидные свойства. Кроме того, для растворов серебра, оксида железа (II), оксида никеля (II) и диоксида титана наблюдаются диффузионные зоны ингибирования бактериального роста, которые сохраняются до 19 сут. Бактерицидная активность бязь-тестов по зубному налёту, пропитанных комбинированным коллоидным раствором диоксида титана, оксида алюминия с диоксидом молибдена и коллоидным раствором диоксида тантала, отличалась от других образцов ингибированием роста только под фрагментами бязи, и в некоторых разведениях - выходом за их пределы (рис. 9 на вклейке). Таким образом, максимальные показатели антибактериальной активности в отношении бактерий зубного налёта показали растворы: - серебра с концентрацией 1,22, 1,22 • 10-3 и 1,22 • 10-5 мг/л; - оксида железа (II) с концентрацией 1,24, 1,24 •10-2 и 1,24 •10-6 мг/л; - оксида никеля (II) с концентрацией 8,2, 0,82 и 8,2 • 10-6 мг/л; - диоксида титана с концентрацией 10,3, 1,03 и 1,03 • 10-6 мг/л. Заключение По результатам проведённых нами исследований можно утверждать, что полученные коллоидные растворы наночастиц металлов и оксидов металлов могут стать хорошей альтернативой антибактериальным препаратам при лечении местных инфекционных процессов. Об этом свидетельствуют пролонгированный бактерицидный эффект этих полидисперсных коллоидных систем, широкий спектр антибактериальной активности. В стоматологии возможно применение данных коллоидных растворов в качестве антибактериального компонента композиционных пломбировочных материалов, адгезивных систем и протравочных гелей, а также силлеров и временных пломбировочных материалов, что позволит улучшить результаты лечения и профилактики кариеса и его осложнений.

About the authors

V. K Leont'ev

Russian Academy of Sciences

119991, Moscow

D. V Kuznetsov

National research technological University «MISIS»

119049, Moscow

G. A Frolov

National research technological University «MISIS»

119049, Moscow

I. P Pogorelskiy

Vyatka state University

610000, Kirov

N. V Latuta

«I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of Russia (Sechenovskiy University)

119991, Moscow, Russia

Yakov Nikolaevich Krasenkov

ROSDENT

Email: rosdent@mail.ru
Cand. Med. Sci, senior specialist of the clinic ROSDENT Russia, 117342, Moscow

References

Supplementary files