REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Za sintezo nanodelcev srebra (Ag), platine (Pt) in zlata (Au) ter njihovih kompozitov s hidroksiapatitom (HAp) sem razvila nov pristop z uporabo sonokemijske sintezne metode. Glavni cilj mojega doktorskega raziskovalnega dela je bila sinteza nano-kompozitnih materialov, ki se naj odlikujejo z naslednjimi lastnostmi: (i) visoka antibakterijska učinkovitost in (ii) čim manjša strupenost za človeka in njegovo okolje.
Materiale na osnovi srebra, ki se odlikuje z naravnim antibakterijskim delovanjem, sem raziskovala z namenom študija mehanizma antibakterijske aktivnosti in strupenosti. HAp/Ag kompoziti, ki sem jih sintetizirala s sonokemijsko metodo, imajo tri vire protimikrobnega delovanja: i) Ag-ione, ki so vgrajeni v strukturo apatita, ii) manjše nanodelce Ag, vključene v ploščicam-podobne delce apatita, in iii) večje nanodelce Ag, ki so pritrjeni na površino delcev apatita. V teh kompozitih delci Ag kristalizirajo v kubični in heksagonalni strukturi in nastopajo v okrogli oziroma v obliki heksaedrov. Na protimikrobno delovanje HAp/Ag kompozita lahko vplivajo različni dejavniki, kot so oksidacijsko stanje srebra, kristalna struktura, oblika in velikost delcev. V okviru doktorskega dela sem tem materialom povečala antibakterijsko aktivnost z obsevanjem s svetlobo.
Potrdila sem, da je glavni mehanizem protimikrobnega delovanja HAp/Ag kompozita oksidacijski stres. Neselektivnost tega mehanizma je glavni vir zelo visoke strupenosti kovine v tem kompozitu, ki lahko povzroči nekrozo skoraj 100 % človeških celic v eni uri. S temi rezultati sem dejansko potrdila nujno potrebo po iskanju bolj ustreznih antibakterijskih materialov, ki bi lahko nadomestili Ag, ki je na tržišču zelo razširjeno kot antibakterijsko sredstvo. Te ugotovitve so bile osnova za nadaljnje raziskave novih materialov.
Prva strategija, ki sem jo uporabila za razvoj ustrezne zamenjave za srebro, je bila aktiviranje platine, ki je biološko inertna in nestrupena kovina. Za aktivacijo platine sem uporabila biomimetični pristop, pri čemer sem uporabila biološko sprejemljive sestavne komponente in pripravljene materiale obsevala z vidno svetlobo, s čimer sem omogočila proces fotokatalize. Z ustrezno kombinacijo HAp s platino (Pt0 in Ptn+) sem sintetizirala nov fotokatalitsko aktivni material. Tako pripravljen hibridni nanokompozit na osnovi polprevodnik/kovina je bil sestavljen iz ploščic apatita s Pt kovinskimi nanodelci, ki so bili pritrjeni na njihovi površini, pri čemer sem uporabila dve vrsti površinsko adsorbiranih Pt-kompleksov. Ta postopek sinteze predstavlja inovativno rešitev za tvorbo funkcionalnih bioaktivnih materialov. Pridobljeni material se lahko aktivira z obsevanjem z ultravijolično (UV) in/ali vidno svetlobo (VIS). Z UV svetlobo aktiviramo polprevodniško HAp fazo, medtem ko VIS aktivira kovinske komplekse, ki so adsorbirani na površini HAp-a. Pt kovinski nanodelci imajo lastnost, da lahko »skladiščijo« elektrone, kar omogoča, da je takšen material aktiven tudi v temi. Material, ki sem ga razvila, je omogočal intenzivno razgradnjo organskega barvila, kar potrjuje, da tvori v vodnem mediju visoko koncentracijo reaktivnih radikalov. V nasprotju z Ag imajo Pt nanodelci dvojno naravo, ki omogoča, da lahko sprostijo ali sprejmejo elektrone, kar vpliva na nastanek radikalov. Z regulacijo tvorbe radikalov vplivamo na zmanjšanje strupenosti, hkrati pa se zmanjša tudi antibakterijska aktivnost. Tako pripravljen material ima pomembno prednost pred Ag, ker je nestrupen.
V drugem pristopu, ki sem ga uporabila za razvoj novih antibakterijskih materialov, primernih za zamenjavo Ag, sem uporabila zlato (Au) z ustrezno aktivacijo. Podobno kot Pt je tudi Au bioinertna in nestrupena kovina. Bistvo te aktivacije je bila funkcionalizacija površine nanodelcev Au. Raziskave so pokazale, da naravne aminokisline omogočajo najbolj učinkovito aktivacijo. Tako pripravljeni materiali so bili sestavljeni iz delcev HAp v obliki tankih ploščic, na katerih so pritrjeni funkcionalizirani nanodelci Au. Pri teh materialih omogočajo prisotne aminokisline trdno vez kovinskih nanodelcev na površino delcev HAp. Tako formiran material ima amfifilno strukturo, ki je sestavljena iz hidrofobnega zlata in hidrofilnih aminokislin. Za razliko od Ag in Pt kompozitov ta material ne kaže fotokatalitskih lastnosti, ker ne tvori reaktivnih radikalov, ki delno tudi povzročajo strupenost. Vir antibakterijske aktivnosti tega materiala je naboj na površini kovinskih nanodelcev, kar razvršča ta material v skupino analogov antibakterijskih peptidov. Zaradi tega naboja pride v stiku z bakterijami do elektrostatične interakcije z njihovimi celicami, ki uniči njihovo strukturo in spremeni prepustnost njihovih sten. Pozitivno nabite skupine aminokislin, ki so pritrjene na Au nanodelce, imajo visoko nagnjenost k interakciji z negativno nabitimi stenami bakterij. Ta mehanizem je selektiven, saj imajo na primer človeške celice povsem drugačen površinski naboj kot bakterije in zato je reaktivnost materiala s človeškimi celicami povsem zanemarljiva. Zato je ta material za človeka nestrupen za razliko od antibakterijskih materialov na osnovi Ag, hkrati pa material izkazuje večjo antibakterijsko učinkovitost kot Ag.
Novo razviti kompozitni materiali HAp/Pt in HAp/Au so glede na svoje izjemne lastnosti dobra zamenjava za kompozite s srebrom. HAp/Pt izkazuje samočistilno delovanje zaradi svojih fotokatalitskih lastnosti, medtem ko izkazuje HAp/Au intenzivno protibakterijsko delovanje. Lastnosti novih materialov, kot tudi sintezna metoda in uporabljene surovine, ki so del t. i. »zelene kemije«, s čimer se zmanjša strupenost na najnižjo raven, so pomembne izboljšave v primerjavi s strupenimi materiali na osnovi Ag. Te lastnosti novo razvitih kompozitov se lahko uporabijo za izboljšano zdravstveno oskrbo, saj »uporabljajo« pametne mehanizme prepoznavanja celic sesalcev od drugih celic.