способ получения материала с антибактериальными свойствами на основе монтмориллонит содержащих глин

Формула изобретения

Способ получения материала с антибактериальными свойствами на основе монтмориллонитсодержащих глин, заключающийся в модифицировании глины, включающей неорганический минерал - монтмориллонит, раствором нитрата серебра, промывке и последующей сушке, отличающийся тем, что глина, включающая неорганический минерал - монтмориллонит, представлена натрий-кальциевой, и/или кальциевой, и/или железистой формой монтмориллонита; массовое соотношение глина:модифицирующий агент составляет 1:5, при этом концентрация модифицирующего агента - водного раствора нитрата серебра - составляет 0,16-9,9 масс.%; процесс модифицирования проводят при перемешивании в течение от 3 до 7 часов при температуре в интервале от 10°C до температуры кипения, промывку полученного модифицированного материала осуществляют дистиллированной водой до рН 5-6, пока не будет удален избыток нитрата серебра; отстаивают при комнатной температуре и декантируют, после чего материал высушивают при температуре 20-160°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения антибактериальных материалов методами модифицирования природных монтмориллонитсодержащих глин для улучшения их антибактериальных характеристик, что позволяет использовать их в традиционной и ветеринарной медицине при создании комплексных антибактериальных препаратов.

Известен способ получения антибактериального материала (патент RU 2429857, опубл. 2011 г.), в котором предлагается на первом этапе бентонит Na-формы активировать раствором хлористого натрия с последующим удалением анионов хлора при промывке и фильтровании, на втором этапе полученный полуфабрикат интеркалируют ионами металлов бактерицидного действия, например Ag⁺, путем обработки в водных растворах неорганических солей этих металлов. Удаляют соли натрия при промывке продукта деионизованной водой, фильтруют, сушат и измельчают до дисперсности частиц 20-150 нм, где согласно изобретению процессы активации и интеркаляции бентонита осуществляют при использовании ультразвука с частотой 20-50 кГц и интенсивностью 10-100 Вт/см ², а процесс очистки интеркалированного продукта от солей натрия производят в два этапа, на первом - продукт декантируют, а на втором этапе промывают в деионизованной воде, содержащей 30 ppm - 100 ppm комплексообразователя ионов щелочных металлов на основе краун-эфиров с молекулярной массой не более 264. При этом полученный материал содержит 2,35 и 2,95 масс.% серебра.

Известен способ получения антимикробного препарата (патент US 2012093907 (А1), опубл. 2012 г.), согласно которому 1% масс. суспензию из наносиликатных пластин обрабатывают раствором нитрата серебра (AgNO₃) (1% масс.) при соотношении Ag⁺: глина равном 7:93. Добавляют 6~8 мл метанола. Химическое взаимодействие проводят с помощью ультразвукового перемешивания на водяной бане при 70~80°C. Недостатком данного способа является предварительное получение наносиликатных пластин из слоистых глинистых минералов, что значительно влияет на продолжительность процесса. Также используют метанол, который является ядовитым веществом. Содержание серебра в образцах, определенное масс-спектрометрическим методом (ICP-MS), соответствует примерно от 120 до 190 частей на миллиард.

Наиболее близким по существу является изобретение, заключающееся в модифицировании неорганического минерала - монтмориллонита неорганическими солями металла в полярном растворителе и последующей выдержке бентонита в растворе соли, в удалении продуктов модифицирования бентонита из раствора с последующей сушкой при температуре не выше 100°C, при этом согласно изобретению перед модифицированием бентонит обогащают ионами Na⁺ путем обработки его 3-10 масс.% водным раствором хлористого натрия с последующей промывкой и фильтрованием полученного полуфабриката, который затем модифицируют 10-20 масс.% раствором неорганических солей металла, в качестве которых используют нитрат серебра или сульфат меди, производят выдержку модифицируемого бентонита в указанных солевых растворах в течение 12-24 час, а затем очистку промодифицированного бентонита от солей натрия путем его промывки и фильтрации. После сушки полученный препарат измельчают до дисперсности частиц 20-150 нм, при этом обработку неорганического минерала названными растворами производят при соотношении, масс.ч. - бентонит:раствор как 1:(10-40) (А.А. Абрамян, В.И. Беклемышев, И.И. Махонин, П.И. Махонин, В.А. Солодовников. Способ получения антимикробного препарата. [Описание изобретения к патенту RU 2330673 от 22.11.2006]).

Недостатком прототипа, как и вышеуказанных аналогов, является то, что в них используется только Na-форма монтмориллонита, что ограничивает сырьевую базу, т.к. чаще встречаются монтмориллонитовые глины, представленные натрий-кальциевой, и/или кальциевой, и/или железистой формой монтмориллонита. Также к недостаткам прототипа можно отнести длительность процесса и использование при модификации высоких концентраций нитрата серебра.

Задачей настоящего изобретения является создание материала с антибактериальными свойствами на основе недефицитных монтмориллонит содержащих глин, который может эффективно подавлять рост патогенных микроорганизмов.

Техническим результатом изобретения является получение эффективного антибактериального материала на основе недефицитных натрий-кальциевых, и/или кальциевых, и/или железистых монтмориллонитов за счет менее затратного по используемым ингредиентам и продолжительности технологического процесса модифицирования ионами серебра с использованием растворов AgNO₃ более низких концентраций.

Предлагаемое изобретение, заключающееся в модифицировании глины, включающей неорганический минерал - монтмориллонит, раствором нитрата серебра, промывке и последующей сушке, включает следующие новые признаки:

- глина, включающая неорганический минерал - монтмориллонит, представлена натрий-кальциевой, и/или кальциевой, и/или железистой формой монтмориллонита;

- массовое соотношение глина:модифицирующий агент составляет 1:5;

- процесс модифицирования глины водным раствором нитрата серебра AgNO₃ с концентрацией 0,16-9,9 масс.% проводят при температуре в интервале от 10°C до температуры кипения, продолжительность обработки от 3 до 7 часов;

- полученный модифицированный материал промывают дистиллированной водой до тех пор, пока не будет удален избыток нитрата серебра до рН 5-6;

- отстаивают при комнатной температуре и декантируют;

- материал высушивают при температуре 20-160°C, в результате чего получают мягкий, легко измельчаемый глинистый материал от светло-коричневого до темно-коричневого цвета.

Способ реализуют следующим образом.

Минералогический состав исходной недефицитной натрий-кальциевой, и/или кальциевой, и/или железистой глины:монтмориллонит, иллит, каолинит, кварц, мусковит, кальцит, полевые шпаты, где основным сорбционным материалом является монтмориллонит.

Исходную глину заливают модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 0,16-9,9 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5. Перемешивают в течение от 3 до 7 часов при температуре от 10°C до температуры кипения. По завершении процесса полученный продукт промывают до рН 5-6 для удаления избытка нитрата серебра и высушивают при температуре 20-160°C. Сушка при температуре менее 20°C происходит в значительном интервале времени и требует использования охлаждающего оборудования, что экономически нецелесообразно. Материалы, высушенные при температуре более 160°C, имеют более низкое антибактериальное действие.

Примеры выполнения

Пример 1. Исходную глину заливали модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 3,2 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5. Перемешивали в течение 3 часов при температуре 20-30°C. По завершении процесса полученный материал промывали для удаления избытка нитрата серебра до рН 5-6, высушивали при температуре 20-40°C.

Пример 2. Исходную глину заливали модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 3,2 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5. Перемешивали в течение 3 часов при температуре кипения смеси. По завершении процесса полученный материал промывали для удаления избытка нитрата серебра до рН 5-6, высушивали при температуре 80-105°C.

Пример 3. Исходную глину заливали модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 0,16 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5.Перемешивали в течение 7 часов при температуре 20-30°C. По завершении процесса полученный материал промывали для удаления избытка нитрата серебра до рH=5-6, высушивали при температуре 100-160°C.

Пример 4. Исходную глину заливали модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 0,16 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5. Перемешивали в течение 7 часов при температуре кипения смеси. По завершениИ процесса полученный материал промывали для удаления избытка нитрата серебра до рН 5-6, высушивали при температуре 100-160°C.

Пример 5. Исходную глину заливали модифицирующим раствором нитрата серебра с концентрацией 9,9 масс.% в соотношении глина:модифицирующий агент, равном 1:5. Перемешивали в течение 3 часов при температуре 10-15°C. По завершении процесса полученный материал промывали для удаления избытка нитрата серебра до рН 5-6, высушивали при температуре 100-160°C.

В образцах материалов по примерам 1-5 определяли содержание серебра. Для исследований использовался метод количественного анализа, основанный на измерении объема или массы реагента, требующегося для реакции с исследуемым веществом, - титрометрический анализ.

Титрометрический анализ по определению количества серебра в материалах, полученных по примерам 1-5, осуществляли с использованием индикаторов, фиксирующих точку эквивалентности титрования. При проведении титрометрического анализа по определению в исследуемых образцах содержания серебра (масс.%) использовали в качестве реагентов концентрированную азотную кислоту, в качестве раствора титранта - роданид аммония или калия, в качестве индикатора - раствор железоаммонийных квасцов. В результате проведенных исследований установлено, что исследуемый образец по примеру 1 содержит 3,36 масс.% серебра, исследуемый образец по примеру 2 содержит 3,61 масс.% серебра, исследуемые образцы по примеру 3 и 4 содержат серебро в количестве 0,10 и 0,20 масс.% соответственно, исследуемый образец по примеру 5 содержит 4,35 масс.% серебра. Кроме того, химический состав обогащенного и модифицированных образцов материалов по примерам 1-5 определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа на рентгеновском спектрометре ARL OPTIM'X (таблица 1).

Таблица 1
Средний химический состав образцов материалов в пересчете на оксиды, масс.%
Образец материала	SiO2	Al 2O3	Fe2O 3	TiO2	MgO	CaO	K2 O	Na2O	Ag2O
Обогащенная глина	60,12	19,36	5,27	0,94	3,04	8,87	2,40	0,38	-	100,38
Пример 1	59,37	13,40	4,37	0,89	2,05	8,28	4,05	0,26	6,99	99,60
Пример 2	59,69	16,79	4,06	0,92	2,34	6,18	2,16		7,51	99,65
Пример 3	59,87	18,90	4,38	0,85	3,03	8,70	3,76		0,21	99,09
Пример 4	60,31	18,60	5,90	0,82	3,22	8,12	2,30		0,42	99,69
Пример 5	58,78	13,05	4,26	0,83	2,30	7,78	3,33		8,67	100,00

Испытания эффективности бактерицидных свойств материала на основе монтмориллонитсодержащей глины модифицированной ионами серебра проводились в стерильных условиях с использованием стерильного оборудования и материалов. Для испытаний были использованы стерильные чашки Петри, содержащие стерильный мясопептонный агар (МПА) или кровяной агар с рН=7,2-7,4. Толщина слоя охлажденного МПА или кровяного агара - 2,5-3,0 мм. В питательные среды, охлажденные до 45-48°C, вносили навески стерильного материала в диапазоне от 1,56 до 100 мг на 1 мл питательной среды и взвесь исследуемых штаммов микроорганизмов. В контрольные чашки с питательной средой вносили только взвесь исследуемых микроорганизмов. Культивирование Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa. Salmonella dublin, Salmonella enteritidis, Staphylococcus hyicus, Staphylococcus intennedius, Staphylococcus aureus осуществляли на МПА, a Proteus vulgaris и Candida albicans - на кровяном агаре. Определение чувствительности микроорганизмов к материалам, полученным по примерам 1-5, в зависимости от их концентрации в МПА и кровяном агаре, проводили после их культивирования в термостате при температуре 37°C в течение 16-18 часов. Полученные результаты, приведенные в таблице 2, позволили установить их минимальную бактериостатическую концентрацию. Данные об эффективности бактерицидных свойств материала на основе монтмориллонит содержащей глины модифицированной ионами серебра, полученного по примерам 1-5, представлены в таблице 2.

Таблица 2
Чувствительность микроорганизмов к полученным материалам по примерам 1-5
Микроорганизмы	Концентрация материала, мг/мл	Количество КОЕ/мл по McFarland
		пример 1	пример 2	пример 3	пример 4	пример 5	контроль **
Salmonella Dublin	12,50			*	*
	6,25	*	*	3·10 8	2·108		12·108
	3,125	2·10 8	1·108	9·108	8·108	*
	1,56	9·108	6·108	12·108	15·108	3·108
Salmonella enteritidis	12,50			*	*		22·108
	6,25	*	*	2·10 8	1·108
	3,125	2·108	6·108	18·108	20·108	*
	1,56	18·10 8	15·108	22·108	24·10 8	2·108
Staphylococcus hyicus	25,00			*	*		36·108
	12,50			3·108	1·108
	6,25	*	*	9·10 8	8·108
	3,125	6·108	9·108	33·108	30·108	*
	1,56	15·10 8	18·108	39·108	39·10 8	2·108
Proteus vulgaris	12,50			*	*		36·10s
	6,25	*	*	6·10 8	3·108
	3,125	2·108	3·108	30·108	30·108	*
	1,56	18·10 8	21·108	36·108	36·10 8	3·108
Staphylococcus aureus	25,00			*	*		36·108
	12,50	*	*	6·10 8	2·108
	6,25	2·108	1,5·10 8	33·108	30·108	*
	3,125	21·10 8	15·108	39·108	36·10 8	1,5·108
Escherichia coli	25,00			*	*		39·108
	12,50	*	*	3·10 8	1·108
	6,25	2·108	1,5·10 8	36·108	30·108	*
	3,125	18·10 8	9·108	45·108	39·10 8	6·108
Pseudomonas aeruginosa	25,00			*	*		39·108
	12,50	*	*	8·10 8	6·108
	6,25	3·108	6·108	30·108	21·108	*
	3,125	18·10 8	15·108	33·108	33·10 8	3·108
Staphylococcus intermedius	25,00			*	*		30·108
	12,50	*	*	2·10 8	1,5·108
	6,25	2·108	3·108	21·108	18·108	*
	3,125	24·10 8	18·108	33·108	30·10 8	3·108
Candida albicans	25,00			*	*		39·108
	12,50	*	*	6·10 8	3·108
	6,25	8·108	9·108	33·108	30·108	*
	3,125	15·10 8	15·108	45·108	39·10 8	6·108
* Минимальная бактериостатическая концентрация;
** При проведении контрольных экспериментов использовали стерильный мясопептонный или кровяной агар без введения глины.

Из данных, приведенных в таблице 2, видно, что полученные материалы по примерам 1, 2 и 5 обладали более выраженным бактериостатическим действием, чем образцы материала, которые были получены по примерам 3 и 4. Рассматриваемая таблица иллюстрирует и объясняет неодинаковое проявление чувствительности исследуемых микроорганизмов к различным антибактериальным материалам, полученных по примерам 1-5, так как в данных формах соответственно содержится 3,36; 3,61; 0,10; 0,20 и 4,35 масс.% серебра. Исследуемые антибактериальные материалы, полученные по примерам 1 и 2, подавляли рост и образование колоний Salmonella Dublin, Salmonella enteritidis, Staphylococcus hyicus на поверхности МПА и Proteus vulgaris на кровяном агаре уже при концентрации 6,25 мг на 1 мл питательной среды. Более эффективное бактериостатическое действие на эти же бактерии оказывал материал, полученный по примеру 5, при концентрации 3,125 мг/мл питательной среды. В то же время минимальная бактериостатическая концентрация изучаемых антибактериальных материалов, полученных по примерам 1 и 2, для Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Staphylococcus intermedius на поверхности МПА и Candida albicans на кровяном агаре составила 12,50 мг материала на 1 мл питательной среды. Антибактериальный материал, полученный по примеру 5, угнетал рост данных микроорганизмов при концентрации 6,25 мг/мл питательной среды. С целью определения бактерицидной концентрации антибактериальных материалов, полученных по примерам 1-5, со смывов из чашек, где отсутствовал рост исследуемых микроорганизмов, производили посевы на плотные питательные среды МПА и кровяного агара, которые не содержали изучаемого материала. После культивирования этих посевов в термостате при температуре 37°C, в течение 16-18 часов, отсутствовал рост микроорганизмов со смывов МПА и кровяного агара, в которых минимальная бактериостатическая концентрация антибактериального материала составляла 3,125; 6,25 и 12,50 мг/мл питательной среды. Такое же бактериостатическое действие антибактериальные материалы, полученные по примерам 3 и 4, проявили по отношению к Salmonella Dublin, Salmonella enteritidis и Proteus vulgaris, но при концентрации 12,50 мг/мл. На Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Staphylococcus hyicus, Staphylococcus intermedius и Candida albicans данные материалы влияли бактериостатически в концентрации 25,00 мг/мл. В то же время обогащенная форма нативной монтмориллонитовой глины при концентрации 100 мг/мл МПА и кровяного агара не подавляла рост исследуемых микроорганизмов, а наоборот, усиливала. При этом количество колониеобразующих единиц в смывах с поверхности плотной питательной среды опытных чашек Петри было в 1,1-1,9 раза больше чем в контрольных, т.е. не содержащих нативной формы глины. Таким образом, поставленная задача по созданию материала с антибактериальными свойствами на основе натрий-кальциевых, и/или кальциевых, и/или железистых монтмориллонитсодержащих глин, который может эффективно подавлять рост патогенных микроорганизмов с использованием при модифицировании растворов AgNO₃ более низких концентраций по сравнению с прототипом, решена.