МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЩИТ

Неорганическая химия и ультразвук – сочетание, смертельное для вирусов и бактерий

Борьба с распространением внутрибольничных инфекций – довольно сложный и многокомпонентный процесс. Одно из эффективных средств профилактики, как известно, – дезинфекция и стерилизация, обработка поверхностей, обеззараживание текстильных материалов, использующихся при оказании медицинской помощи: постельного белья, больничной и медицинской одежды. По экспертным оценкам, около 10% ВБИ в лечебных учреждениях передается именно через текстиль. В связи с этим технологии противовирусной и антибактериальной обработки материалов сегодня крайне необходимы системам здравоохранения всего мира.

В январе 2021 года российскими учеными был получен патент на устройство, предназначенное для нанесения наночастиц на текстиль в целях создания стойкой антибактериальной и противовирусной защиты материалов. Родилось ноу‑хау в недрах Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. Заказчиком стала компания «ИнфоМедФарм Диалог». Несомненно, у предложенной технологии есть большие перспективы. Испытания доказали ее высокую эффективность, а разработчики заявляют о приемлемой цене, простоте использования и возможностях масштабирования. Какой же механизм лежит в основе ноу‑хау? Кто проводит испытания и каковы их результаты? Об этом шеф‑редактору газеты «Парадигма» Марии Лядской рассказали директор ИОНХ РАН, д.х.н., член‑корр. РАН Владимир ИВАНОВ и руководитель лаборатории ультразвуковой техники и технологии, д.т.н., профессор Владимир АБРАМОВ.

Владимир ИВАНОВ

– Разработки в области медицины – это традиционное или все же новое направление для института?

В. Иванов: Наш институт традиционно занимается изучением тем, важных для общества и человека, и биомедицинское направление всегда представляло для нас научный интерес. В «копилке» института – разработка противоопухолевых препаратов, кальцийфосфатных материалов для замены костной ткани и применения в стоматологии. Эту линейку продолжает и технология, родившаяся в лаборатории ультразвуковой техники и технологии под руководством Владимира Олеговича Абрамова. Правда, здесь речь идет не о создании биомедицинской технологии, а о применении уже известных методов для решения медицинских задач.

Дело в том, что предложенная нами технология основана на свойствах ультразвукового излучения. Раньше наши разработки были сфокусированы на нефтедобывающей, оборонной промышленности, машиностроении, и именно за эти работы сотрудники лаборатории получили премию Правительства РФ. Теперь мы расширили пул отраслей, включив в зону наших интересов медицину.

– Что представляет собой сама технология: как воздействует ультразвук на ткани?

В. Абрамов: При помощи ультразвука удается ввести, по сути впечатать, в различные виды текстиля наночастицы металлов или оксидов металлов. При воздействии ультразвука на жидкую среду с растворенными наночастицами развивается явление кавитации: образуется большое количество парогазовых пузырьков, при схлопывании которых формируются сильные ударные волны. Эти волны через жидкостную среду «гонят» частицы, буквально вколачивая их в основу ткани. При этом ультразвук не повреждает и не разрушает структуру ткани.

– Материалы с какими свойствами удается получить в результате?

В. И.: Вообще, получение композитных материалов – направление, которое в последнее десятилетие обрело новое дыхание в связи с развитием нанотехнологий. Выяснилось, что некоторые неорганические наночастицы обладают свойствами, напоминающими свойства природных ферментов (энзимов). В частности, они могут выполнять функции ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз, регулирующих окислительно‑восстановительный баланс в клетках. И за счет энзимоподобного действия наночастицы могут оказывать влияние на живые системы, в первую очередь на бактерии и вирусы.

Владимир АБРАМОВ

В каких‑то случаях это действие может быть прямым, где‑то опосредованным.

Например, оксид титана обладает свойствами фотокатализатора. Под воздействием света в частице происходят фотохимические процессы, и тогда органическое вещество, которое находится рядом с частицей, например клеточная мембрана, окисляется и разрушается. Частица может использоваться бесконечное число раз. При этом сам оксид титана не теряет своих свойств и не разрушается. Нужен только постоянный источник света.

В. А.: Для нанесения на текстиль могут быть использованы бактериостатики, их довольно много. Наверное, самый яркий пример – оксид цинка. Он известен как основа детских присыпок. Это классический пример неорганического материала, обладающего антисептическими свойствами. Может быть использован и оксид меди. Но эти материалы, в отличие от оксида титана, будут расходоваться, поскольку здесь действует не фотокатализ, а в процессе разрушения участвует само вещество.

Имитируя свойства природных ферментов, неорганические соединения универсально действуют на клетки, контактирующие с тканью. Окислительный стресс приводит к гибели клеток, и приспособиться к этому бактерии не смогут

– В чем состоит уникальность предлагаемой вами технологии?

В. А.: Вообще, технология модификации тканей наночастицами отнюдь не нова. Но дело в том, что все существующие методики не позволяют веществу держаться на ткани продолжительное время, выдерживать различные обработки, прежде всего стирки. Технология, которую предлагаем мы, стала определенным прорывом: ультразвук, вбивающий наночастицы в структуру ткани, делает конечный продукт пригодным для многоразового длительного использования.

– В испытаниях установлено, сколько времени может прослужить эта ткань? Если, допустим, она не подвергается механическому воздействию, то эффективность покрытия не изменяется?

В. А.:  Ткань, используемая в ЛПУ, не может не подвергаться воздействию. В испытаниях мы установили, что срок службы изделий из ткани с нанонапылением – 70 стирок. Конечно, с каждой стиркой часть частиц вымывается. Но и после 70 стирок концентрация частиц остается на приемлемом уровне.

– Новые технологии обычно очень дороги…

В. А.: Это не касается нашей разработки. И это стало возможным благодаря двум моментам. Во‑первых, предусмотренной еще на этапе разработки возможности масштабировать технологию. И, во‑вторых, использованию в качестве модификаторов недорогих соединений. Мы просчитали, например, стоимость нанесения наночастиц на одноразовую медицинскую маску – примерно 50 копеек. При стоимости маски (в доковидные времена) от 3 до 5 рублей это добавит в цену около 10%, при этом избавит нас от необходимости менять маску каждые 40 минут…

– Кто финансировал проект? И можно ли озвучить объем инвестиций?

В. А.: В 2015 году был получен грант в размере около 12 миллионов рублей от фонда поддержки малых предприятий (фонда Бортника), наш институт по заказу компании «ИнфоМедФарм Диалог» выполнял часть исследовательских работ. Мы предложили технологию, изучили ее, доказали ее эффективность, довели до технологической готовности. Внедрять и доводить ее до технологической готовности предстоит заказчику.

Юрий ВОЙТОВ – один из разработчиков установки, ведущий технолог ИОНХ РАН

– А сколько времени прошло от получения гранта до создания работающей установки по обработке тканей?

В. А.: Полтора года. Мы сделали установку для нанесения вещества на рулоны ткани, из которой уже будут шить медицинскую одежду, белье и т. д.

Причем, пользуясь обширными компетенциями лаборатории в области создания ультразвукового оборудования, мы смогли сделать опытную установку, которая позволяет получать текстиль не в виде небольшого отреза ткани, а в виде рулона, с возможностью изменения его ширины, а значит, и масштабирования, увеличения мощности производства. И здесь нет барьера, который бы отделял технологию от потребителя. В зависимости от потребности заказчика эти материалы могут изготавливаться в достаточных количествах.

В. И.: Я бы хотел подчеркнуть, что столь оперативная работа стала возможной благодаря развитой инфраструктуре нашего института. Академическое учреждение имеет очень серьезную научную базу, отличное оснащение, позволяет создавать подобные разработки, идти по пути от идеи до воплощения, испытаний, подтверждения эффективности в испытаниях и изготовления конечного продукта, который можно предложить рынку.

В. А.: Совершенно верно. Надо понимать, что в работе задействовано не одно подразделение. Наша лаборатория специализируется на создании технологии и аппаратуры. Если нам нужно что‑то синтезировать, проанализировать, мы идем к коллегам из других лабораторий института. Например, чтобы изучить, как легли на ткань наночастицы, где они закрепились, необходима помощь сотрудников других подразделений, нужна самая современная техника – электронные микроскопы с возможностью увеличения изображений в сотни тысяч раз. Вся эта техника у нас есть.

Технология универсальна и позволяет вводить в гибридные материалы те компоненты, какие необходимы, которые будут полезны для решения поставленных задач. Важное значение также имеет приемлемая стоимость технологии и конечного продукта

В. И.: Я бы хотел подчеркнуть, что столь оперативная работа стала возможной благодаря развитой инфраструктуре нашего института. Академическое учреждение имеет очень серьезную научную базу, отличное оснащение, позволяет создавать подобные разработки, идти по пути от идеи до воплощения, испытаний, подтверждения эффективности в испытаниях и изготовления конечного продукта, который можно предложить рынку.

В. А.: Совершенно верно. Надо понимать, что в работе задействовано не одно подразделение. Наша лаборатория специализируется на создании технологии и аппаратуры. Если нам нужно что‑то синтезировать, проанализировать, мы идем к коллегам из других лабораторий института. Например, чтобы изучить, как легли на ткань наночастицы, где они закрепились, необходима помощь сотрудников других подразделений, нужна самая современная техника – электронные микроскопы с возможностью увеличения изображений в сотни тысяч раз. Вся эта техника у нас есть.

Патент на изобретение

Опытная установка по ультразвуковой обработке текстиля

– Насколько я знаю, испытания полученных тканей проводились не только в России. Расскажите подробнее об экспериментальных площадках и полученных результатах.

В. И.: Мы уже можем говорить о результатах не только лабораторных, но и так называемых полевых испытаний. Испытания ведутся и сейчас. Например, образцы тканей, изготовленных на нашей опытной установке, активно исследуются во Вьетнаме, в условиях сложного климата, располагающего к развитию и распространению бактериальных инфекций. Во Вьетнаме исследования проходят на трех полигонах – на юге, в центре и на севере страны. Ткани подвергаются достаточно активным испытаниям, находятся в агрессивной среде под воздействием ультрафиолетового излучения, тепла и холода.

В. А.: Если говорить о России, то испытания активно ведутся в Курчатовском институте, на биологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова, в Институте медико‑биологических проблем РАН. Кстати, первые результаты показывают, что для космических «потребностей» эти ткани пригодны. Возможно, эти материалы вскоре и в космос полетят.

– Говоря о борьбе с ВБИ, нельзя не упомянуть проблему резистентности бактерий. Смогут ли бактерии приспособиться к нанокомпозитным тканям?

В. И.: Нет. Нельзя приспособиться к фотокатализу, нельзя приспособиться к механическому разрушению клеточных мембран. И здесь совершенно неважно, какой это будет штамм. Имитируя свойства природных ферментов, неорганические соединения универсально действуют на те клетки, которые контактируют с тканью. Такие частицы могут вызывать окислительный стресс в живых системах, что приведет к гибели этих клеток. То есть приспособиться к этому бактерии не смогут.

– Кто может выступать заказчиком?

В. А.: Минздрав, госпитали, департаменты здравоохранения, оборонные и военные ведомства, имеющие свою сеть медицинских учреждений, а также заинтересованные в антибактериальной защите военнослужащих на учениях, в полевых условиях, в условиях казарм. Производство должно быть налажено на фабриках, производящих текстиль, который в дальнейшем используется для изготовления медицинских изделий или обмундирования.

– Что дальше? Как будете развивать технологию?

В. И.: Есть еще одна серьезная медицинская проблема – проблема грибковых заболеваний. И она, мягко говоря, недо­оценена. Идентифицировать грибковые заболевания сложно, тест‑систем практически нет. Посмотрите, что происходит в Индии, где борьба с COVID‑19 провоцирует развитие тяжелых грибковых поражений. И не всегда удается распознать вид грибков. И конечно, лучше всего уничтожить всех возбудителей разом. Кстати, во Вьетнаме эти эксперименты тоже проводятся. Одна из испытательных секций установлена там, где активно высеваются грибки. И есть первые данные об эффективности наших тканей с нанесением оксидов металлов. Но пока о каких‑то окончательных результатах говорить преждевременно. Кстати, эту проблему мы обсуждали и с руководством Института медико‑биологических проблем, хотелось бы, чтобы они занялись исследованиями наших материалов на возможность профилактики грибковых инфекций. Конечно, не надо относиться к развиваемому нами направлению как к панацее. Да, это целое направление. Но мы, ученые, люди осторожные, и нам не хочется делать преждевременных выводов. Надо работать дальше.

Электронная микроскопия ткани с вкраплениями оксида цинка

В. А.: Говоря о развитии технологии, хотелось бы подчеркнуть, что начинали мы с тканых материалов, теперь изучаем возможности нанесения наночастиц на нетканые материалы (текстиль, медицинские маски, одноразовые халаты и простыни, СИЗ), думаем о тестировании и возможностях обработки твердых поверхностей. Первые шаги в этом направлении уже сделаны.

В. И.: И еще одна очень важная тема. Лечение ожоговых больных, создание текстильных материалов (бинтов, пластырей), имеющих противовоспалительный эффект и ускоряющих заживление ран и регенерацию тканей. Мы работаем над этим. Есть наноматериал, который при нанесении на ткань может интенсифицировать процесс ранозаживления, – это оксид церия, он обладает бактериостатическим, противовоспалительным и ранозаживляющим действием.

Подобные работы (с использованием наноматериалов в виде мазей) проводятся совместно с НИИ хирургии им. Вишневского. Мы надеемся, что будут появляться перевязочные материалы для этих целей. По сути, это продолжение нашей идеи. Надо отталкиваться от идеи, расширяя сферы ее применения. Весь необходимый арсенал у нас в институте есть.

Исключительно важно то, что технология является универсальной и позволяет вводить в гибридные материалы те компоненты, какие необходимы, которые будут полезны для решения наших задач. И при этом приемлемая стоимость технологии и конечного продукта имеет определяющее значение. Замечу, что расходные ранозаживляющие материалы достаточно дороги.

– Обычно многие исследования в мире ведутся параллельно. Ведь проблема профилактики ВБИ – бич всех без исключения стран. Как обстоят дела у наших конкурентов?

В. А.: Наши европейские коллеги активно работают над похожими технологиями. Там действуют большие научные программы с огромными группами привлеченных исследователей и отличным финансированием, несопоставимым с нашим. Надо сказать, что наша лаборатория – единственная в России группа разработчиков, которая полномасштабно развивает это направление.

В. И.: В любом случае мы приветствуем научную конкуренцию. Конкуренция всегда должна быть. Рынок огромный. И потребность огромная. Так что всем места хватит.

Вспомните, что происходило в начале пандемии, когда были запреты на поставку медицинских материалов через границу, когда не хватало СИЗ для медработников. Поэтому мы должны себя защитить, обеспечить независимость от импорта в этой сфере. То, что сделали «Спутник V» – это гордость. Хотелось бы верить, что и нашей технологией, которая может внести огромный вклад в борьбу с ВБИ, в том числе и в условиях коронавирусной инфекции, тоже будут гордиться. И сейчас это более чем актуально.