Антибактериальные поверхности и наночастицы

Бактерии широко распространены в природе, быстро адаптируются к новым условиям, заселяют новые ниши, в том числе и такие, которые появились благодаря человеческой деятельности. Вырастая на поверхности тех или иных материалов, бактерии могут вызвать их коррозию. Растущие на поверхностях бактерии образуют особые сообщества – биоплёнки. В состав биоплёнок входят полисахариды, ДНК и ферменты. Биоплёнки устойчивы к химическому повреждению, радиации, ультрафиолетовому излучению, антибиотикам, механическому воздействию. Таким образом, проще предотвратить формирование биоплёнок, чем бороться с ними, когда они уже образовались, но для этого нужны материалы, препятствующие адгезии бактерий. Особенно опасно заселение поверхностей бактериями, если это поверхности медицинского оборудования, такого, как различные катетеры. Немного о разработках материалов, которые не заселялись бы бактериями и обладали бы бактерицидными свойствами рассказано ниже.

 Помимо химических свойств (присутствие в составе бактерицидных веществ), возможность адгезии определяется ещё и физическими особенностями поверхности. Например, поверхности, обладающие отрицательным зарядом, будут антибактериальными из-за затруднения взаимодействия с бактериальными клетками, поверхность которых тоже заряжена отрицательно. Влияет на возможность заселения и структура поверхности - наноструктурированная поверхность (имеющая наноразмерные выступы и углубления) не достаточно плотно контактирует с поверхностью микроорганизма и сигнальные пути, ведущие к активации адгезии, не запускаются. Помимо этого, наноструктурированная поверхность имеет существенно большую площадь, поэтому, материал способен выделять ионы, обладающие бактерицидными свойствами, после наноструктурирования это процесс значительно усилится и сможет оказать значимый бактерицидный эффект, что не происходит на обычной поверхности из-за низкой концентрации выделяемых бактерицидных ионов.

Некоторые вещества обладают бактерицидными свойствами сами по себе, другие становятся такими только в форме наночастиц.  Причины этого могут быть различны, поскольку разные механизмы лежат в основе бактерицидных свойств наночастиц из того или иного вещества. Химический состав, размер, изгиб и дзета-потенциал больше всего влияют на антибактериальный эффект частиц. Частицы меньшего размера и положительно заряженные частицы имеют более выраженный бактерицидный эффект. Дзета-потенциал, электрический потенциал, возникающий при движении частиц между адсорбционным слоем ионов, располагающимся на поверхности частиц, и диффузионным слоем ионов среды, окружающим частицу, определяет взаимодействие наночастицы с мембраной бактериальной клетки, повреждение мембраны и бактерицидный эффект. Например, хитозановые наночастицы, и хитозановые наночастицы, содержащие ионы меди ингибируют рост бактерий. Токсичесий эффект выражается в нарушении структуры мембран и агрегации клеток. Агрегация бактерий происходит и в присутствии наночастиц хитозана с положительным дзета-потенциалом, но в отсутствии меди.

В случае таких веществ, которые сами по себе обладают бактерицидным эффектом, в частности серебра или цинка, существенную роль играет увеличение поверхности, когда вещества представлены в виде наночастицам. Наночастицы меди также более активно выделяют ионы, чем обычная поверхность. Но это не исключает и другие механизмы воздействия. Наночастицы серебра проникают в клетки, взаимодействуют с белками, особенно – с содержащими серу, и ДНК, блокируя процесс деления и вызывая гибель клеток. В то же время под воздействием ионов серебра происходит повреждение мембран. Выделяющиеся под их действием свободные радикалы могут повреждать ДНК. Антибактериальный эффект ZnO связан также с выделением перекиси водорода и повреждением мембран, и это - основная причина их токсичности. Для серебряных наночастиц основной механизм воздействия – повреждение ДНК. В обоих случаях, наночастицы нарушают структуру мембраны путём физического взаимодействия. ZnO ингибирует рост бактерий, прежде всего, Грам-положительных. Напротив, наночастицы из серебра более активны против Грам-отрицательных.

Оксид железа сам по себе не токсичен для бактерий. Наночастицы оксида железа способны проникать в клетку и вызывать образование активных форм кислорода, поэтому они могут приводить к гибели бактерий. В случае наночастиц из оксида железа, для борьбы с микроорганизмами можно использовать не только их антибактериальные свойства, но и возможность воздействовать на их передвижение в организме, благодаря их заряду. С ними частицами могут быть связаны антимикробные агенты, а основной функцией наночастиц в этом случае будет их доставка.

Наночастицы более сложного состава могут иметь более выраженный эффект за счёт сочетания физико-химических свойств разных веществ. Например, наноразмерные силикатные пластинки сами по себе не являются бактерицидными, хотя взаимодействие с ними может вести к обратимым изменениям мембраны клетки. В то же время, они обеспечивают более интенсивное взаимодействие наночастиц серебра, если связать их друг с другом,  с поверхностью бактериальных клеток, чем это происходило бы, если бы наночастицы серебра находились бы во взвешенном состоянии.

В концентрации, приводящей к гибели бактерий, наночастицы могут не влиять на эукариотические клетки, однако прежде чем использовать их для лечения, нужно убедиться в отсутствии токсических свойств для каждого отдельного случая. Наночастицы сохраняют ряд своих свойств и будучи связаны с носителем. Покрытие катетера наночастицами серебра обеспечивает антибактериальную активность его поверхности и защищает его от колонизации. Поверхности из полиуретана, связанные с серебряными наночастицами, также обладают бактерицидным эффектом. Для лечения раневой инфекции применяются пластыри с серебряными наночастицами. Чтобы какой-либо носитель, используемый в медицинских целях, лучше переносился организмом предпочтительно использовать биосовместимые материалы, то есть созданные на основе веществ, встречающихся в живом организме или мимкрирующих под компоненты тканей. Задачей, требующей решения, является связывание таких носителей с наночастицами.