Анализ и оптимизация противогрибковых свойств композиционного материала из полиуретана (PUR) и наночастиц серебра (AgNP) в отношении грибка Trichophyton Rubrum. Часть 2

Начало статьи. Часть 1

Инкубация грибков

В соответствии со стандартом чашки Петри помещали в инкубатор при температуре 28-30°C и относительной влажности не менее 85%. Продолжительность стандартного теста составляет 28 дней инкубации. Испытание может быть завершено менее чем за 28 дней для образцов, у которых индекс роста равен двум или более.

Оценка роста грибков

На изображениях, полученных под микроскопом гриба T. rubrum, видна нитевидная форма, которую трудно определить количественно с помощью методов обработки изображений. 

Предлагаемая классификация по стандарту указана в таблице 2.

Таблица 2. Оценка в соответствии с наблюдаемым ростом грибка на образцах. Адаптировано с использованием , защищено авторским правом ASTM International, 2013.

Рисунок 6 иллюстрирует примеры роста грибков в соответствии с классификацией 1, 2, 3 и 4, показанные в таблице 2. На основе этой классификации была проведена оценка каждой обработки и присвоен номер в соответствии с таблицей 2. Полученный классификационный номер представляет собой среднее значение для образцов в трех экземплярах. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Рисунок 6. Примерами наблюдаемого роста грибков являются (a)

следы роста ниже 10% (1), (b) легкий рост от 10 до 30% (2), (c)

средний рост от 30 до 60% (3) и (d) сильный рост от 60% до полного покрытия

***

 Оптимизация с помощью генетических алгоритмов

Генетические алгоритмы (ГА) можно использовать для решения как ограниченных, так и неограниченных задач оптимизации с помощью метода, имитирующего естественный отбор, происходящий в ходе биологической эволюции. Алгоритм неоднократно изменяет совокупность отдельных решений в итерационном процессе, который включает в себя методы отбора, воспроизводства, мутации, скрещивания и миграции. Функция приспособленности — это функция, подлежащая оптимизации, эквивалентная целевой функции в традиционной схеме оптимизации.

Анализ основных эффектов и взаимодействий

Предварительный анализ влияния на факторный дизайн показан на рисунке 7. Существует низкое влияние трех факторов: X1 Размер AgNP, X2 Концентрация AgNP и X3 Ультразвуковая обработка образцов на рост грибков. по качественной оценке. Факторы оказывают аналогичное воздействие на рост грибов, достигая максимального ингибирования при их низких значениях. Этот анализ указывает на более заметное изменение переменной, указывая на то, что ультразвуковая обработка оказывает значительный эффект на ингибирование роста грибков.

График, показывающий основное влияние на средний рост грибов на переменные X1, размер AgNP, X2 концентрацию AgNP и X3 ультразвуковую обработку полиола. Синие точки представляют среднее влияние каждого из контрольных факторов на средний рост грибка при переходе от низкого и высокого уровня соответственно.

График взаимодействий, рисунок 8, показывает эффект взаимодействия между размером наночастиц и концентрацией, учитывая, что обратные наклоны можно наблюдать на их высоких и низких уровнях; следовательно, оба наклона изменяются одновременно. Между размером наночастиц и ультразвуковой обработкой также можно наблюдать эффект взаимодействия, противоположный предыдущему случаю. Размер наночастиц не взаимодействует с ультразвуковой обработкой, поскольку их наклоны равны.

                     Рисунок 8.

График взаимодействия среднего роста грибов между переменными X1, размером AgNP, X2 концентрацией AgNP и X3 ультразвуковой обработкой полиола.

Это означает, что существует сильное взаимодействие между размером наночастицы и используемой концентрацией. Эффект гораздо более значителен в зависимости от концентрации и размера наночастиц, чем от концентрации и ультразвуковой обработки, т. е. если используется высокая концентрация наночастиц при малом времени ультразвуковой обработки, наблюдается меньший рост грибков.

Множество решений Фронта Парето (рис. 9) отвечает требованиям оптимизационной задачи. Для первой цели было выбрано решение, наиболее близкое к нулю, связанное с меньшей вероятностью роста грибов.

На рисунке 9 показано множество

решений между первой и второй задачами, где может быть определена точка, соответствующая решению, наиболее близкому к нулю для первой задачи.

 Рисунок 9.

 Фронт Парето для набора решений между целью 1 и целью 2 для задачи многокритериальной оптимизации. Синие точки представляют возможные решения задачи оптимизации и являются пересечениями векторов (синие линии), сгенерированных в процессе согласно задаче оптимизации

Результат оптимизации показывает, что оптимальное подавление роста грибков можно получить, используя наночастицы большого размера с высокой концентрацией, используя ультразвуковую обработку в течение 2 и 2,5 с. Три экспериментальных фактора показали влияние на ингибирование роста грибков; поэтому они являются факторами, которые следует учитывать при разработке изделий на основе композиционных материалов из полиуретанов и AgNP.

Модель порядковой логистической регрессии более точна для ответов категориального типа и может немного изменить уровни графиков для основных наблюдаемых эффектов.

СЭМ-анализ образцов

СЭМ-микрофотографии показали удовлетворительную дисперсию наночастиц обоих размеров, хотя в небольшом количестве и небольших размерах, обычно образующих агломераты. На рисунке 10 можно увидеть микрофотографии композитных материалов с AgNP размером 15 и 45 нм с ультразвуковой обработкой и без нее.

Рисунок 10. СЭМ-микрофотографии образцов с AgNP

 размером 15 нм (а) без ультразвука,

(b) с ультразвуком и образцов с AgNP размером 45 нм,

 (c) без ультразвука и (d) с ультразвуком.

На микрофотографии с рисунка 10а можно наблюдать агломерат AgNP, образованный более мелкими наночастицами (15 нм), когда к системе не применялась ультразвуковая обработка. При применении ультразвуковой обработки при получении композиционного материала можно наблюдать, что агломераты значительно уменьшаются в размерах, что видно на микрофотографии (рис. 10б). Наночастицы, особенно металлические, такие как серебро, имеют сильную тенденцию к агломерации. Образование агломератов приводит к уменьшению общей поверхности частиц и, следовательно, может снизить биоцидные свойства.

Для образцов AgNP размером 45 нм на микрофотографиях также наблюдаются агломераты; однако агломераты меньше по размеру (см. рис. 10а,в); таким образом, можно ожидать большей площади поверхности и более высокой биоцидной активности по сравнению с композитными материалами, содержащими AgNP размером 15 нм.

Применяя ультразвуковую обработку к композитным материалам, содержащим AgNP размером 45 нм, агломераты уменьшаются в размерах, становясь даже меньшими, чем агломераты, обнаруженные в AgNP размером 15 нм, содержащие композитные материалы, после ультразвуковой обработки. Эти результаты согласуются с оптимизационным анализом изученных параметров, в ходе которого было установлено, что для уменьшения роста грибков T. rubrum следует использовать наночастицы размером 45 нм, высокие концентрации и ультразвуковую обработку.

Эти результаты согласуются с данными, опубликованными в литературе, которые указывают на то, что образование агломератов имеет тенденцию снижать нанотоксичность. Что касается влияния концентрации, то логично, что композиционные материалы демонстрируют большее ингибирование роста грибов, чем выше содержание наночастиц в среде.

Выводы

Приложения AgNP интересны и могут принести человечеству многочисленные преимущества. Исследования биоцидной эффективности AgNP постоянно сообщают об успешных случаях, которые предлагают весьма обнадеживающие сценарии повседневного использования разнообразных продуктов. Указанные изделия могут служить профилактическими средствами против повреждений, вызываемых многочисленными патогенными микроорганизмами, попадающими на кожу. Гриб Trichophyton Rubrum и другие грибы семейства Trichophyton представляют интерес в связи с тем, что они представляют медицинскую опасность, учитывая известный ущерб, который они наносят коже и ногтям инфицированных пациентов, а также высокую стоимость и продолжительность лечения, способного его искоренить, например как длительное использование местных лосьонов и таблеток, которые могут нанести вред организму при употреблении.

В этом исследовании были выявлены существенные эффекты размера AgNP, концентрации и использования ультразвукового звука для диспергирования на ингибирование роста T. rubrum. Оптимизационный анализ показал, что для обеспечения соответствующего противогрибкового свойства размер AgNP должен быть больше, чтобы избежать образования агломератов, и следует использовать подходящую систему диспергирования, такую ​​как ультразвук. Знание этих аспектов может существенно повлиять на дизайн продуктов для потребления человеком, что может принести пользу людям с уязвимой кожей, например, пациентам с сахарным диабетом и людям, страдающим другими заболеваниями.

Этот тип грибов невозможно определить количественно из-за их формы; таким образом, их анализ представляет собой серьезную проблему. В этом исследовании применялась методология качественной оценки роста. Будущие исследования в этом направлении предполагают использование более сложной экспериментальной схемы, анализа эффекта подавления дополнительных факторов и реализации большего количества вариантов количественной оценки роста для получения более точных результатов.

https://www.mdpi.com/2076-3417/13/21/12028 - ссылка на первоисточник.

Ключевые слова: наночастицы, наночастицы серебра, наносеребро, протвогрибковое средство, нанотехнологии, наносеребро и полиуретаны, серебряная вода, серебро, форма наночистиц, влияние серебра