Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На I этапе проекта была реализована задача по синтезу бикомпонентных металлических наночастиц Al/Cu, Al/Ag, Al/Zn, Cu/Zn, Cu/Ag, Zn/Ag с различным соотношением металлов методом совместного электрического взрыва двух проволочек. Установлены основные параметры метода, позволяющие получать бикомпонентные наночастицы с заданным фазовым и дисперсным составом. Полученные результаты позволили выявить общие закономерности формирования структурно-фазовых состояний бикомпонентных частиц, формирующихся при электрическом взрыве двух проволочек из различных металлов. Результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования метода совместного электрического взрыва двух проволочек для получения бикомпонентных частиц с заданным структурно-фазовым состоянием. Проведены комплексные исследования физико-химических и антимикробных свойств бикомпонентных металлических наночастиц, металлы которых способны к образованию систем с широкой областью твердых растворов (Al/Ag), склонны к образованию интерметаллических соединений (Al/Cu, Cu/Zn, Zn/Ag), склонны к разделению компонентов в твердой фазе (Al/Zn, Cu/Ag). Проведены исследования антимикробной активности синтезированных бикомпонентных металлических наночастиц. В совокупности реализуемых методов микробиологического анализа выделены образцы, обладающие выраженным антимикробным действием. Наибольшей антимикробной активностью обладают образцы Cu-47 масс. % Zn, Cu-19 масс. % Zn, Cu-74 масс. % Zn, Cu-22 масс. % Ag, Cu-65 масс. % Ag и Cu-94 масс. % Ag. При этом для образцов Cu/Ag и Cu/Zn наблюдается синергетический антимикробный эффект. С помощью методов молекулярно-динамического моделирования проведены теоретические исследования взаимодействия бикомпонентных наночастиц и их оксидов с различным структурно-фазовым состоянием с мембранами грамположительных и грамотрицательных бактерий. Показано, что липополисахаридная мембрана, являющаяся внешней мембраной грамотрицательных бактерий, непроницаема для модельных наночастиц Ag70/Cu30 (аморфная) и Cu70/Ag30 (с ГЦК и ГПУ упаковкой), имеющих близкую к сферической форму и диаметр ~40 Å. При этом результаты моделирования взаимодействия рассмотренных наночастиц с цитоплазматической мембраной грамположительных бактерий позволяют предположить, что они способны проникать внутрь мембраны за счет механизма спонтанной диффузии. Также было показано, что модельная металлоксидная наночастица при взаимодействии с мембраной образует нековалентные связи в области полярных головных групп липидов, что затрудняет ее проникновение внутрь мембраны. Также на примере образца Al-49 масс. % Ag было показано, что они способны взаимодействовать с водой при температуре 60 °С с образованием пористых агломератов, состоящих из складчатых нанолистов бемита размером до 200 нм и толщиной 2-5 нм, на поверхности и в объеме которых распределены частицы серебра размером 3-30 нм. При этом было установлено, что синтезированные структуры эффективнее подавляют рост бактерий по сравнению с бикомпонентными металлическими наночастицами Al/Ag. Продемонстрированный подход открывает новые возможности для получения металлооксидных нанокомпозитов из биметаллических наночастиц. Проведения исследований в данном направлении запланированы на II этапе проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках выполнения проекта на отчетном этапе были проведены серии экспериментов по выявлению факторов, обуславливающих антимикробное действие биметаллических наночастиц Cu/Ag и Cu/Zn с различным соотношением металлов. Было установлено, что для биметаллических наночастиц Cu/Zn антимикробное действие заключается в совокупности таких факторов как изменение проницаемости бактериальной мембраны за счет ионов цинка и окислительный стресс, вызываемых ионами меди. Для наночастиц Cu/Ag характерно суммарное действие ионов меди и серебра, выделяющихся при растворении наночастиц и вызывающих окислительный стресс при взаимодействии с компонентами цитоплазмы бактерий. Были проведены исследования формирования композитных наночастиц с различным соотношением компонентов при совместном электрическом взрыве двух проволочек в кислородсодержащей атмосфере. Были рассмотрены такие пары как Al/Cu, Al/Zn, Al/Ag, Cu/Zn, Cu/Ag, Zn/Ag исследованы их физико-химические и антибактериальные свойства. Проведенные исследования показали, что в результате совместного электрического взрыва могут быть получены композитные наночастицы различного состава. Установлено, что композитные наночастицы обладают более выраженной антимикробной активностью, чем наночастицы, полученные в аналогичных условиях при взрыве одиночных проволочек соответствующих металлов. При этом для некоторых систем прослеживается синергетическое антмикробное действие, это системы (CuxAgx-1)O, (CuxZnx-1)O, (ZnxAgx-1)O. Также следует отметить, что повышенная антимикробная активность, может быть связана с увеличением площади поверхности активного компонента, за счет формирования более мелких частиц и приобретения совокупного положительного заряда, как в случае с системами (AlxAgx-1)O. Также были проведены исследования по изучению возможностей формирования нанокомпозитных частиц при окислении водой биметаллических наночастиц в различных условиях (окисление во влажном воздухе, гидротермальное окисление, окисление в избытке воды при 60 С). Установлено, что окислению водой в исследуемых условиях подвержены все биметаллические наночастицы, содержащие алюминий. Были проведены сравнительные исследование особенностей формирования композитных наночастиц при окислении биметаллических наночастиц алюминия, определены кинетические закономерности реакции окисления водой биметаллических наночастиц Al/Cu, Al/Zn и Al/Ag. Выделены характерные стадии процесса окисления и исследованы промежуточные продукты реакции. Показано, что наиболее перспективными с точки зрения антимикробных свойств являются нанокомпозиты, полученные при окислении водой биметаллических наночастиц Al-10at.%Cu, Al-15at.%Zn и Al-8at.%Ag. Для расширения представлений о возможных механизмах антимикробного действия исследуемых наночастиц с использованием методов молекулярной-динамики, разработана новая МД модель биметаллических наночастиц Ag-Cu, учитывающая. C использованием расчетов на квантовомеханическом уровне (теория функционала плотности в применении к биметаллическим нанокластерам из 24 атомов в вакууме) исследовано влияние состава биметаллических Ag-Cu наночастиц на их электростатические свойства. На основе этих данных разработана новая модель биметаллических Ag-Cu НЧ (с различным соотношением компонент), учитывающая перераспределение электронной плотности между металлами. С использованием уточненных моделей биметаллических НЧ, построены МД модели взаимодействия Ag70-Cu30 и Cu70-Ag30 с бактериальным ферментом β-лактамазой и бактериальными ионными каналами NavAb и KscA, интегрированных в фосфолипидную мембрану.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На отчетном этапе проведены исследования, позволяющие определить наиболее перспективные образцы бикомпонентных наночастиц с точки зрения антимикробной активности, а также установить факторы, определяющие их антимикробную активность. Установлено, что наибольшим антимикробным действием обладают серебросодержащие биметаллические наночастицы Ag/Cu, металлоксидные наночастицы Ag-ZnO, и частицы, полученные при гидротермальном окислении биметаллических наночастиц Zn/Ag. При этом их антимикробная активность превышает активность коммерческих препаратов коллоидного серебра. Эффективность антимикробного действия полученных образцов обусловлена совокупностью факторов: способностью проникать внутрь бактерий, изменять проницаемость клеточной мембраны и вызывать окислительный стресс. При этом, в зависимости от компонентов, содержащихся в наночастицах, один из механизмов антмикробного действия может преобладать над другим, либо дополнять его. Так например, наночастицы содержащие цинк и его соединения способны за счет большого количества выделяющихся ионов цинка изменять проницаемость бактериальной мембраны, что способствует как проникновению наночастиц, так и ионов внутрь бактерий. Медь и серебро и их соединения преимущественно вызывают окислительный стресс бактерий за счет генерации активных форм кислорода. Не смотря на менее выраженную антимикробную активность некоторых синтезированных наночастиц, они также могут найти свое применение в качестве антимикробных агентов. Нами показано, что фотоактивация наночастиц способствует их окислительной способности, что может значительно повышать антимикробную активность. Фотоактивация наночастиц Cu26/Zn74(O) при инкубировании с бактериями снижает их минимальную ингибирующую концентрацию до 4 раз. Нанокомпозиты AlOOH/Ag, AlOOH/CuO, AlOOH/ZnO могут найти своё применение в различных процессах, где требуется удаление большого количества бактерий из жидкостей. Это реализуется за счет сильной адгезии бактерий к поверхности нанолистовых структур бемита - AlOOH и их последующей инактивации за счет биоактивных соединений Ag, CuO, ZnO интегрированных в наноструктуры бемита.Используя молекулярную динамику с анализом потенциала средней силы, на основе классических силовых полей, было исследовано взаимодействие чистой и оксидной биметаллических наночастиц состава Ag70Cu30 и Cu70Ag30O4 с био-молекулами Ala и Asp, являющихся компонентами белков и полипептидов, а также с наиболее распространенными внеклеточными ионами – Na и Cl.