Наноматериалы представляют собой новый многообещающий класс материалов для использования их в качестве антибактериальных растворов.

Неоднородность методов синтеза и определения характеристик, а также возникающие в результате этого различные физические и химические свойства, затрудняют выбор надлежащей наноструктуры, при разработке экспериментов с противомикробными препаратами. Настоящее исследование сосредоточено на уже существующих доказательствах, касающихся наночастиц серебра и их антибактериального применения, с акцентом на различные модулирующие факторы заявленной противомикробной эффективности. Настоящая статья посвящена методам синтеза и определения характеристик, факторам, влияющим на антибактериальную эффективность, лабораторным процедурам количественного определения, а также современным знаниям о механизмах антибактериального действия наночастиц серебра. Кроме того, рассматриваются и обсуждаются проблемы и будущие перспективы применения наночастиц серебра в противомикробных целях.

Нанотехнологии - это область технологий, которая работает с материалами, имеющими по крайней мере один размер в диапазоне от 1 до 100 нм, с целью получения новых образцов и объектов. Наноматериалы сильно отличаются от макроскопических материалов из-за их уникальных незаменимых свойств, и в недавнем времени о они стали объектом исследований из-за своих особых характеристик. Одним из ключевых отличий является их высокое соотношение поверхности к объему, а также увеличенное количество атомов, присутствующих на границах частиц. Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы являются важной частью разработок, которые могут быть использованы во многих областях, таких как: медицина, физика, биология, биомедицина, фармация, косметика и различные отрасли производства продуктов. 

Недавно, нанотехнологии доказали большой потенциал и эффективные результаты в лечении бактериальных инфекций. В 1870 году английский врач Джон Скотт Бердон Сандерсон обнаружил связь между плесенью и культивированием бактерий. Вскоре после этого, в 1928 году, Александру Флемингу приписывают случайное открытие пенициллина. Пенициллин впервые был использован в 1942 году, оказав огромное влияние на антибактериальную терапию, поскольку до этого момента большинство инфекционных заболеваний были смертельными. Когда начали использовать пенициллин, он оказывал действие против грамположительных бактерий. В настоящее время многие штаммы бактерий приобрели иммунитет из-за нерационального использования антибиотиков.

После первых сообщений были разработаны различные препараты, обладающие антибактериальными, противогрибковыми и противовирусными свойствами и оказывающие огромное воздействие на спасение человеческой жизни. 

Чрезмерное использование антибиотиков имело два основных эффекта: во-первых, это привело к повышению устойчивости микроорганизмов и, во-вторых, к появлению мультирезистентных бактерий, ставящих под угрозу жизни многих пациентов. Непосредственным следствием этого стала необходимость разработки технологий, позволяющих создавать новые вещества с антибактериальными свойствами при сохранении низкого уровня токсичности, пригодного для применения в медицине. Новейшие антибактериальные препараты были разработаны примерно в 1980-х годах. С тех пор не было зарегистрировано ни одного значительного открытия. Эволюция бактерий с течением времени приводит к появлению большего количества штаммов, устойчивых к антибиотикам. Как следствие, существует постоянная потребность в разработке новых лекарств. Одной из возможных концепций улучшения лекарственного средства является усиление эффекта с помощью наночастиц, что позволяет связывать: металлы, белки, фосфолипиды и антитела.

Такие материалы, как наночастицы металлов, наночастицы оксидов металлов, углеродные наноматериалы и их композиты, интенсивно используются в качестве новых антибактериальных средств из-за их малых размеров, уникальных химических и физических свойств, высокой удельной поверхности.  Сообщалось, что наночастицы серебра обладают превосходными противомикробными свойствами, сниженной токсичностью и лучшей биосовместимостью по сравнению с другими металлическими частицами. Наблюдения и данные об антибактериальной природе AgNP широкого спектра действия, служат основой для более ориентированных на антибактериальные применения. Недавно даже сообщалось, что наночастицы Ag обладают повышенной способностью ингибировать рост бактерий по сравнению с антибиотиками и что воздействие AgNPs не вызывает никаких или ограниченных побочных эффектов.

Синтез наночастиц металлов

Наночастицы металлов могут быть получены с помощью: зеленого метода - с использованием растений, листьев, цветков, экстрактов растений, прокариотических бактериальных клеток и эукариотических грибов или с использованием различных химикатов и реагентов. 

Кроме того, были разработаны физические методы, которые будут включены в наш обзор.

"Зеленые" методы.

Синтез может быть выполнен за один этап с использованием биологических организмов, таких как бактерии, плесневые грибки, водоросли и растения. Синтез наночастиц осуществляется путем восстановления, с использованием молекул растений и микроорганизмов, таких как белки и ферменты. Преимуществом зеленого синтеза металлических наночастиц является использование более экологичных материалов и, как правило, они дешевле химических методов. Вышеупомянутые растения используются в качестве восстановителя для преобразования металлического предшественника серебра в металлические наночастицы. Они также представляют собой возобновляемый источник биоактивных молекул для получения металлических наночастиц. Метод обладает способностью минимизировать возникающую токсичность и оказывает небольшое воздействие на окружающую среду.

Одна из проблем, возникающих при использовании зеленого метода, заключается в контроле формы и размера наночастиц.На форму наночастиц влияет температура, начиная с небольших сферических частиц при более низкой температуре и наночастиц наностержней и тромбоцитов при более высоких температурах. Время реакции - еще одна переменная, которую следует учитывать при проведении синтеза. Нишанти и др. [8] отметили, что наночастицы серебра и платины образуются в течение 10 минут, в то время как наночастицы золота появляются через несколько секунд после добавления экстракта кожуры. В другом исследовании изучалось влияние рН на образование наночастиц. Авторы обнаружили, что при рН 5 синтез наночастиц серебра протекает с низкой скоростью, в то время как при рН 9 производство происходит интенсивно.

 Химические методы

Химические методы, используемые для синтеза наночастиц, включают: химическое восстановление, фотоиндуцированное восстановление, микроэмульсию (см. Рисунок 1), синтез с помощью микроволн, фоторедуцирование, инициированное ультрафиолетом, электрохимический синтетический подход, методы облучения.

Химические методы в целом токсичны и для процесса производства требуется больше энергии, больше химических веществ, и они дороже, чем экологически чистые методы.

Физические методы

Наиболее важными физическими методами синтеза являются: испарение-конденсация и лазерная абляция.

Преимущества использования физического метода по сравнению с химическим заключаются в отсутствии загрязнения растворителем и равномерности распределения наночастиц. Используя метод испарения-конденсации, можно получить очень маленькие наночастицы (6,2–21,5 нм и 1,23–1,88 нм). Однако этот процесс является энергоемким (энергия необходима для повышения рабочей температуры) и требует много времени.

Все исследования показывают, что размер наночастиц напрямую влияет на антибактериальную активность.

 Методы определения характеристик металлических наночастиц

В таблице 2 представлены несколько характеристик наночастиц вместе с методами, которые можно использовать для наблюдения за соответствующими характеристикам. При попытке охарактеризовать наночастицы необходимо учитывать физические и химические свойства наночастиц. Химического состава и концентрации недостаточно для различения наночастиц. Их размер, форма и свойства поверхности также должны быть изображены для адекватной экспериментальной воспроизводимости.

Несколько методов определения характеристик представлены Мурдикудисом и соавторами. Дифракция рентгеновских лучей (XRD) является одним из наиболее используемых методов для получения информации о кристаллической структуре, природе фазы, параметрах решетки и размере кристаллических зерен. Дифракция рентгеновских лучей была предложена только в последние годы для использования при характеристике наночастиц. Хотя это доказало свою полезность, сообщалось о некоторых ограничениях, таких как сложность выращивания кристаллов, возросшие усилия по получению данных о единичной конформации, а также низкая интенсивность.

Кроме того, авторами представлены аналогичные методы, основанные на рентгеновском излучении, такие как: рентгеновская спектроскопия поглощения, подходящая для определения коэффициента поглощения рентгеновского излучения, или рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия для химического анализа поверхности.

Свет, излучаемый молекулами, поглощающими фотоны, измеряется с помощью фотолюминесценции (ФЛ). Она является хорошим методом для изучения квантовых точек и металлических нанокластеров.

Для измерения магнитных свойств наночастиц используется сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID). SQUID может измерять насыщение намагниченностью, остаточную намагниченность и температуру блокирования. 

 Наночастицы серебра и их антибактериальная роль

Последние 30 лет фармацевтическая промышленность сосредоточилась на разработке новых антибиотиков, способных лучше бороться с репликацией ДНК, синтезом белка и клеточной стенки бактерий. Несмотря на этот прогресс, по-прежнему сохраняется высокий уровень летальности из-за роста устойчивости к противомикробным препаратам при бактериальных инфекциях. Устойчивость бактерий к традиционным антибиотикам является серьезной проблемой здравоохранения, имеющей огромное влияние во всем мире.

Использование наноматериалов растет, и они становятся важной частью нашей жизни. Предпринимаются усилия по поиску нетоксичных и экономически эффективных материалов, которые могут быть использованы для различных применений в промышленности, медицине, фармацевтике и косметологии. Важным применением таких материалов является борьба с лекарственно устойчивыми бактериями и болезнями. Наночастицы, полученные из серебра, золота, платины и полупроводников, могут с успехом использоваться в качестве агентов доставки для переноса небольших молекул, таких как лекарства. Наночастицы стали высокоэффективными против бактерий благодаря своей антимикробной активности из-за большой площади поверхности, обеспечивающей высокий синергизм, возникающий в результате многовалентных взаимодействий.

Среди множества сконструированных наночастиц, которые использовались в антибактериальных процедурах, наночастицы серебра (Ag) являются наиболее широко используемым антибактериальным наноагентом из-за его антимикробных свойств широкого спектра действия и высокой антимикробной эффективности против множества бактерий, вирусов и грибков. Первые свидетельства использования серебра в медицине относятся к 1881 году, когда оно использовалось для профилактики глазных инфекций у новорожденных, а позже, в 1901 году, в качестве внутренней антисептики. В настоящее время препараты, содержащие серебро, такие как нитрат серебра и сульфадиазин серебра, широко используются для лечения кожных ожогов, ран и удаления бородавок.

Ученые согласны с тем, что наночастицы Ag взаимодействуют с оболочкой бактериальных клеток, однако до сих пор неизвестно, какова первичная клеточная мишень. Наночастицы серебра - это антибактериальные агенты, способные бороться с 650 типами заболеваний! Недавно во многих публикациях были обнаружены доказательства антибактериальной активности наночастиц Ag в сочетании с обычными антибиотиками, особенно против бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, включая золотистый стафилококк и кишечную палочку. Повышенная антибактериальная активность может наблюдаться при сочетании наночастиц Ag и антибиотиков, особенно в отношении бактерий, устойчивых к лекарственным средствам. В последнее время эта комбинация рассматривалась как потенциальный метод преодоления лекарственной устойчивости бактерий. Было предложено связывание с различными антибактериальными средствами для получения более высокой антимикробной активности. В нескольких исследованиях изучался ванкомицин, покрытый наночастицами Ag. В то время как некоторые авторы демонстрируют улучшенный эффект как в отношении грамположительных (S. aureus), так и грамотрицательных (E. coli). Недавние исследования показывают, что наноматериал способен проявлять лучшую антибактериальную активность в отношении грамположительных бактерий, но не в отношении грамотрицательных.

Наночастицы серебра доказали высокую антимикробную активность и низкий уровень цитотоксичности по сравнению с частицами, полученными из других тяжелых металлов, таких как золото, платина и цинк. Они могут связываться с клетками и ограничивать активность ферментов, дестабилизировать клеточную мембрану и в конечном итоге приводить к гибели клеток.

Размер наночастиц

Многочисленные исследования показывают, что существует обратная корреляция между размерами наночастиц серебра (5-9 нм) и их антибактериальной активностью. Было обнаружено, что значительное повышение антибактериальной активности, особенно ниже

10 нм. Меньшие размеры наночастиц связаны с более легким проникновением в стенки бактериальных клеток и более интенсивным разрушением за счет накопления активных форм кислорода (АФК). Кроме того, недавние исследования показывают, что функционализированные наночастицы серебра малого и среднего размера серьезно влияют на перенос электронов в митохондриях, фагоцитоз, аутофагию, целостность и организацию органелл (например, микротрубочек). Выраженные транскрипционные реакции также наблюдались для наночастиц серебра среднего размера.

Благодаря их малому гидродинамическому диаметру (менее 6 нм) наночастицы серебра могут легко проходить через почки, выводясь из организма через мочевыделительную систему, что значительно снижает риск долговременной токсичности

 Форма наночастиц

Форма, также, играет важную роль в антибактериальной активности. Проанализировано три формы: сферическая, палочковидная, усеченно-треугольная и их эффективность против кишечной палочки в растворах в чашках с агаром. Исследование показало, что с точки зрения биоцидной активности усеченные треугольные наночастицы серебра занимают первое место, за ними следуют сферы и, наконец, стержни.

Наблюдение за целостностью мембраны привело к выводу, что все типы форм были способны связываться и в конечном итоге повреждать клеточную мембрану. Однако усеченная треугольная форма имеет наибольшее количество граней, которые способствуют взаимодействию с бактериями и повышенному связыванию с поверхностью, поглощению клетками и гибели бактерий.

Химия поверхности наночастиц

Поверхностный заряд также играет важную роль в антибактериальной активности. Для тестирования антибактериальной активности против видов Bacillus использовались наночастицы серебра с различными покрытиями со значениями в диапазоне от -38 мВ до +40 мВ. Важным этапом является очистка для точного измерения уровней токсичности, которые снижают антибактериальную активность.

Высвобождение ионов серебра влияет на антибактериальную активность наночастиц серебра. Это высвобождение может быть вызвано окислительными растворениями, объединяющими наночастицы серебра с кислородом. Ионы серебра также обладают высоким сродством к электронодонорным группам, которые можно легко обнаружить в мембранах и белках. Ионы серебра способны соединяться с ДНК, РНК и пептидами, образуя барьер, останавливающий деление и размножение клеток. 

Продолжение статьи. Часть 2