Введение
Оксид цинка – ZnO, оптически прозрачный широкозонный полупроводник (ширина запрещенной зоны 3.37 эВ). Нанокристаллический ZnO применяется в производстве компонентов оптоэлектронных устройств, УФ-фильтров, солнечных батарей, газовых сенсоров, пьезоэлектрических преобразователей, люминесцентных материалов, катализаторов (в том числе фотокатализаторов), топливных элементов, различных полупроводниковых устройств и т.д. [2; 7; 14; 15].
В фармакологии ZnO используется в качестве компонента лекарственных средств (оксид цинка оказывает противовоспалительное и адсорбирующее действие). Исследуются дополнительные возможности использования оксида цинка, например для доставки лекарств, в лечении рака и в антимикробных агентах [9; 20]. Результаты исследования [21] бактериальной активности ZnO с характерным размером частиц от 0,1 до 1,0 мкм показали, что наноразмерный ZnO обладает куда более сильными антибактериальными свойствами, чем объёмный ZnO. При этом антибактериальное воздействие обнаруживается даже в том случае, когда оксид цинка применяется в очень небольших количествах [19]. В сравнении с органическими антибактериальными средствами нанокристаллические оксиды металлов обладают большей долговечностью, меньшей токсичностью, лучшей избирательностью и термостойкостью [11; 19].
Оксид цинка получают лазерной абляцией, газофазным осаждением, пиролизом аэрозолей, сольвотермальным синтезом и др. [3; 7; 10; 12]. С целью предотвращения коагуляции и для защиты металлических наночастиц используют их внедрение в полимерные покрытия, например в тонкую плёнку политетрафторэтилена (ПТФЭ), обладающего высокой химической инертностью и биосовместимостью.
В работе предложен новый вакуумный газоструйный метод синтеза и осаждения металлополимеров, содержащих наноструктуры цинка и его оксида. Метод отличается от предложенного ранее в [14] с использованием аргонно-кислородной струи для доставки кластеров металла к месту осаждения и их окисления. Получены металлополимерные пленки, состоящие из цинка, его оксида и фторполимера. Представлены результаты по изучению морфологии и антибактериальных свойств осажденных пленок.
Эксперимент
В представленной работе использован метод газоструйного осаждения [1; 5; 16] (рис. 1). Суть метода состоит в формировании металлополимерного покрытия на поверхности подложки путем попеременного осаждения наночастиц металла и/или его оксида и фторполимерных компонентов из двух сверхзвуковых струй. При этом использование сверхзвуковой струи для доставки компонентов к поверхности подложки, благодаря эффекту экранирования, позволяет защитить область формирования пленки от газов остаточной атмосферы вакуумной камеры. Более детальная информация об особенностях использования сверхзвуковой струи для напыления в вакууме приведена в обзорной работе [17] и расчетной работе [18].
Рисунок 1 – Схема метода вакуумного газоструйного осаждения металлополимеров: (1) – источник сверхзвуковой струи смеси аргона с кислородом и наночастицами металла и оксида; (2) – источник компонентов фторполимерной пленки; (3) – вращающаяся цилиндрическая мишень с подложками.
Источник 1 (рис. 1) сверхзвуковой струи с наночастицами металла и оксида представляет собой резистивно нагреваемый тигель с расплавом металла, снабженный звуковым соплом диаметром выходного сечения 3 мм. В нагретый тигель подается аргон или смесь аргона с кислородом в задаваемой пропорции. Подаваемое нами количество кислорода в смеси было достаточно для полного окисления паров металла. Конструкция источника и метод синтеза на примере наночастиц серебра подробно описаны в работе [1]. В тигле поддерживали постоянное давление P1, варьируя расход смеси Q1 и температуру T1. Данные условия позволяют формировать направленную сверхзвуковую струю и создавать наноструктуры металла и оксида металла в источнике [14] и на поверхности осаждения.
Фторполимерная пленка формировалась в результате осаждения компонентов струи, истекающей из термического реактора 2 (рис. 1). В реакторе при пиролизе газообразной окиси гексафторпропилена (C3F6O, ОГФП) образуются дифторкарбен :CF2 и трифторацетил-фторид C2F4O [8; 13]. Активные радикалы дифторкарбена расширяются из реактора в виде сверхзвуковой струи и взаимодействуют с поверхностью мишени 3 (рис. 1), где происходит полимеризация. Оптимальные параметры для пиролиза ОГФП при газоструйном осаждении были определены ранее и представлены в работе [6]: температура реактора T2= 400 °C, давление продуктов пиролиза ОГФП в реакторе P2 от 13,3 до 1330 Па.
В пяти экспериментах (таблица 1), варьируя расход ОГФП Q2, получили металлополимерные пленки с различной концентрацией цинка и его оксида. Условия экспериментов: T1 = 450 °C; расход смеси аргона с кислородом составлял порядка 200 см3/мин (при нормальных условиях); в тигле P1 ≈ 133 Па; расстояние от источника 1 до цилиндрической мишени 3 L1 = 25 мм; T2 = 400 °C, давление ОГФП в реакторе P2 = 65–650 Па; Q2 = 25–300 см3/мин (при нормальных условиях); расстояние от реактора 2 до цилиндрической мишени L2= 60 мм; время осаждения t= 30 минут. Использовали подложки из стекла, меди, кремния (5×20 мм) и нестерильного бинта (20×20 мм), закрепленные на вращающейся цилиндрической мишени диаметром D=40 мм. Частота вращения мишени ω =2 об/с. Температура подложки в момент осаждения T3 = 150 °C.
Образец 1 был осажден без использования источника цинка и оксида – чистая фторполимерная пленка. Образцы 2, 3, 4, 5 были осаждены с увеличением концентрации цинка и его оксида. Морфология и элементный состав образцов (табл. 1) изучались на сканирующем электронном микроскопе JEOLJSM-6700F, оснащенном аналитической приставкой энергодисперсионного рентгеновского спектрометра (ЭДС) JEOL EX-23000BU. Тип детектора: кремний-литиевый, размер детектора 10 мм2, разрешение 133 эВ. Для количественного анализа рентгеновского спектра использовано специализированное программное обеспечение. Исследование образцов на антибактериальные свойства проводили на штаммах двух видов микроорганизмов: Salmonella typhimurium и Staphylococcus aureus.
Таблица 1. Атомный состав полученных металлополимерных пленок.
|
№ образца |
Атомарный состав, % |
|||
|
Zn, % |
C, % |
F, % |
O, % |
|
|
Образец 1 |
0 |
40,01 |
59,99 |
0 |
|
Образец 2 |
0,3 |
36,98 |
62,72 |
0 |
|
Образец 3 |
44,19 |
34,91 |
17,39 |
3,50 |
|
Образец 4 |
74,88 |
11,28 |
8,46 |
5,37 |
|
Образец 5 |
81,24 |
11,03 |
4,0 |
3,73 |
Результаты и их обсуждение
Данные таблицы 1 показывают возможность эффективного управления составом осаждающейся металлополимерной пленки изменением газодинамических параметров (Q2, P2) в источниках. В пленках с низкой концентрацией цинка концентрация фтора примерно в два раза больше, чем углерода, что характерно для тефлоноподобных пленок. С ростом концентрации цинка концентрация осажденного углерода по сравнению с фтором увеличивается. В результате наночастицы Zn + ZnO покрыты слоем смеси фторполимера и пиролитического углерода. Об этом, в частности, свидетельствует изменение цвета пленки с ростом концентрации цинка от белого до серого.
На рисунке 2 представлены электронно-микроскопические изображения образцов. Видно, что при концентрации цинка 0,3% (рис. 2а) структура поверхности пленок напоминает «чешуйчатую», характерную для фторполимера [16]. Наноструктуры цинка не наблюдаются. С увеличением концентрации цинка до 44% (рис. 2б) структура покрытия становится зернистой. Зерна имеют равноосную граненую форму со средним диаметром 50 нм. При дальнейшем повышении концентрации цинка до 75% (рис. 2в) зерна изменяются в шестигранные наночастицы со средним диаметром 30 нм и длиной до 100 нм. При концентрации цинка 81% (рис. 2г) пленка состоит из граненых пластинок толщиной 10 нм, сросшихся в конгломераты размером от 1 до 5 мкм.
а 
б 
в 
г 
Рисунок 2 – Морфология осажденных покрытий с различной атомарной концентрацией цинка: (а) – 0,3%; (б) – 44%; (в) – 75%; (г) – 81%.
Выбор микроорганизмов для исследованиия антибактериальных свойств был обусловлен их свойствами и распространенностью. Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк) – широко распространенный возбудитель заболеваний верхних дыхательных путей, один из самых устойчивых к действию обеззараживающих веществ. Salmonella typhimurium (возбудитель сальмонеллеза) – наиболее значимые энтеробактерии, используемые в стандартных тестах медицинских учреждений и санэпидстанций для контроля степени микробной загрязненности. Для определения наличия антибактериальных свойств у образцов была использована классическая методика совместного культивирования в жидких средах [4]. Изучался процесс подавления роста микроорганизмов по оптической плотности и биологическому титру в жидкой среде в присутствии полученных образцов, и проводилось сравнение с контрольной группой. Результаты представлены в таблице 2 (колониеобразующие единицы на мл среды (КОЕ/мл)).
Таблица 2. Результаты экспериментального исследования воздействия полученных образцов на рост некоторых патогенных микроорганизмов
|
№ образца |
Титры микроорганизмов после обработки (КОЕ/мл) |
|||||
|
Salmonella typhimurium |
Staphylococcus aureus |
|||||
|
Посев |
Контрольный |
Образец |
Посев |
Контрольный |
Образец |
|
|
1 |
5,0×107 |
>109 |
>109 |
3,3×107 |
>109 |
>109 |
|
2 |
5,0×107 |
>109 |
>109 |
3,3×107 |
>109 |
7,6×107 |
|
3 |
5,0×107 |
>109 |
<102 |
3,3×107 |
>109 |
7,9×105 |
|
4 |
5,0×107 |
>109 |
<102 |
3,3×107 |
>109 |
<102 |
|
5 |
5,0×107 |
>109 |
<102 |
3,3×107 |
>109 |
<102 |
Образец 1 не оказал никакого влияния на процесс роста микроорганизмов, что подтверждает биологическую инертность фторполимерных пленок. Образец 2 показал слабовыраженную антибактериальную активность. Образцы 3, 4, 5 обладают высоко выраженными антибактериальными свойствами по отношению к исследуемым штаммам.
Выводы
Вакуумным газоструйным методом осаждены металлополимерные пленки, состоящие из фторполимера, наночастиц цинка и его оксида. Доказана возможность прецизионного управления структурой и составом осаждаемой пленки путем варьирования газодинамических параметров в источниках. Обнаружена зависимость морфологии наноструктур осажденной пленки от концентрации цинка. Образцы с повышенным содержанием цинка показали высокие антибактериальные свойства по отношению к штаммам патогенных микроорганизмов Salmonella typhimurium и Staphylococcus aureus.
Авторы выражают благодарность Е.А. Максимовскому за анализ образцов на сканирующем электронном микроскопе и И.В. Сараниной за анализ антибактериальных свойств полученных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в рамках реализации мероприятия 1.3.1 (Соглашение № 8539).
Рецензенты:
Ребров А.К., д.ф.-м.н., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе» Сибирского отделения Российской академии наук, г.Новосибирск.
Новопашин С.А., д.ф.-м.н., заведующий лабораторией разреженных газов, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе» Сибирского отделения Российской академии наук, г.Новосибирск.