Проекты

Антибактериальное покрытие на алюминии

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии»

Направление работы: Неорганическая химия, Биомедицинские технологии
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1236
Предметы: Биология, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

На окружающих предметах и поверхностях зачастую обитают различные микроорганизмы. В случае, если эти микроорганизмы являются патогенными, наблюдается распространение различных инфекционных заболеваний, что существенно ухудшает качество жизни человечества. В условиях повышенной плотности населения и активного развития стойких штаммов бактерий и вирусов эта проблема становится крайне актуальной.

Одним из направлений решения данной проблемы является придание поверхностям окружающих нас предметов антибактериальных свойств путём модификации поверхности. Существует множество способов модификации поверхностей, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Цель

Разработка нанокомпозитного материала с антибактериальными свойствами.

Задачи

  1. Провести обзор литературы.
  2. Получить супергидрофобные покрытия на алюминии.
  3. Закапсулировать антибактериальный компонент в полученное покрытие.
  4. Оценить антибактериальные свойства полученного нанокомпозита.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Оборудование:

  • Технические весы
  • Аналитические весы
  • Сушильный шкаф
  • Ультразвуковая ванна
  • Установка для определения углов смачивания
  • Сканирующий электронный микроскоп
  • Источник тока
  • Реактор для гидрофобизации
  • УФ-лампа
  • Спинкоутер
  • Химическая посуда

Реактивы и расходные материалы:

  • Фтороксисилан
  • Изопропиловый спирт
  • Дистиллированная вода
  • Ортофосфорная кислота
  • 1,3-бис(2-этилгексил)гексагидро-5-метил-5-пиримидинамин
  • Алюминий листовой
  • Вата
  • Фильтровальная бумага

Описание

1. Электрохимическая обработка алюминия

Для создания шероховатой поверхности автор использовал метод анодного оксидирования. В качестве электролита была выбрана разведенная ортофосфорная кислота, 15 %. Обработка образца проводилась двумя способами: со стабилизацией по току и со стабилизацией по напряжению. Во втором случае ток устанавливался из текущего сопротивления системы, что упрощало дизайн эксперимента. В основном в работе использован второй способ. Далее автор собрал электрохимическую ячейку, в которой катодом служила стальная или графитовая пластина, а анодом — алюминиевый образец. Затем автор подключил проводники тока и выставил напряжение 32–35 В. Эксперимент выполнялся при комнатной температуре в течение 25–30 минут.

В ходе процесса на поверхности анода образуется кислород, а на поверхности катода — водород. Кислород приводит к окислению поверхности алюминия с образованием оксида алюминия. Параллельно с этим процессом на поверхности анода протекает процесс растворения алюминия и оксидной пленки под действием кислотного электролита, при котором образуются фосфаты алюминия. Совокупность двух этих процессов и обеспечивает образование текстуры на поверхности.

Для полученных образцов были сделаны микрофотографии, представленные на рисунке. Снимки были получены в демонстрационном центре TESCAN.

2. Гидрофобизация полученных покрытий

Полученные в данной работе покрытия после текстурирования обладают супергидрофильными свойствами из-за крайне высокой поверхностной энергии. Для достижения супергидрофобных свойств необходимо понизить поверхностную энергию — нанести гидрофобный агент. В качестве гидрофобного агента был использован метокси-{3-[2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-пентадекафтороокстил)-окси]-пропил}-силан. Данный гидрофобный агент обладает не только крайне низкой поверхностной энергией (6,6-6,7 мДж/м2), но и имеет 3 функциональные группы, с помощью которых он хемосорбируется на поверхность и образует поперечные связи с соседними молекулами гидрофобизатора.

Для активации хемосорбционных центров образцы выдерживались под УФ-облучением в присутствии озона и паров воды из воздуха в течение 1 часа. В качестве хемосорбционных центров выступали гидроксильные группы на поверхности. Нанесение гидрофобного агента осуществлялось из безводного раствора фтороксисилана в декане (2 об. %). Раствор наносился непосредственно на образцы тонкой смачивающей пленкой, после испарения растворителя образцы промывались в этиловом спирте и высушивались при 130 ℃ для удаления нехемосорбированного гидрофобного агента и остатков растворителя.

3. Капсулирование антибактериального агента

В связи с тем, что получаемое покрытие является пористым, в него можно закапсулировать антибактериальный агент, который будет высвобождаться из пор при контакте с водой. За счёт супергидрофобных свойств высвобождение будет происходить медленно и закапсулированный компонент будет сохраняться в порах достаточно долгое время. При этом, регулируя размер пор и смачиваемость, можно регулировать и высвобождение закапсулированного агента.

В качестве антибактериального агента мы решили использовать 1,3-бис(2-этилгексил)гексагидро-5-метил-5-пиримидинамин.

Противомикробное действие данного агента связано с подавлением окислительных реакций метаболизма бактерий (антагонист тиамина).

Капсулирование проводилось из водно-спиртового раствора под вакуумом. Для этого образец помещался в вакуумную камеру, и на него поэтапно наносился водно-спиртовой раствор антибактериального агента. Затем создавался вакуум, позволяющий удалить растворитель. Данный метод позволяет полностью заполнить поры антибактериальным агентом.

В итоге работы было получено супергидрофобное покрытие с закапсулированным в порах антибактериальным агентом. Исследования по высвобождению агента и по его антибактериальному эффекту из-за физических ограничений не проводились.

4. Определение характеристик смачивания полученного покрытия

Характеристики смачивания оценивались методом сидячей капли — фотографировалась капля на поверхности образца, по границе раздела из точки трёхфазного контакта определялся угол смачивания и методом скатывания капли на гониометрической платформе определялся угол скатывания. Таким образом автор получал угол смачивания и угол скатывания для капли воды с разбросом по образцу, которые составили 153,72 ± 0,32 градусов и 4,25 ± 2,58 градусов соответственно.

Результаты работы/выводы

Были получены образцы супергидрофобного алюминия, для которых были определены углы смачивания водой и углы скатывания капель воды, а также получены микрофотографии поверхности.

В полученное покрытие удалось закапсулировать антибактериальный агент.

Перспективы использования результатов работы

Результаты проекта указывают на возможность использования супергидрофобных покрытий с закапсулированными в них добавками в качестве антибактериальных нанокомпозитов. Совокупность этих факторов придает поверхности алюминия безопасные для человека антибактериальные свойства.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет», детский технопарк «Альтаир»