top of page

Комплексное исследование адсорбентов на основе наночастиц гексагонального нитрида бора для очистки сточных вод от лекарственных средств

В настоящее время разработка новых лекарств и их производство превратились в важнейшую отрасль отечественной науки и промышленности. Создание локальных фармацевтических производств в РФ является одной из приоритетных задач развития страны. В России утверждена Стратегия развития фармацевтической промышленности («ФАРМА-2020»), которая была продлена на период до 2024 года [1]. Среди важных задач стратегии – увеличение доли продукции отечественного производства на внутреннем рынке до 50%. При таком росте фармацевтической промышленности и широком применении лекарственных препаратов неизбежно их попадание в окружающую среду. В связи с этим, поиск эффективных методик и новых способов удаления антибиотиков из водных объектов является в настоящее время важной научной и практической задачей. Стремительное развитие нанотехнологий, в частности области низкоразмерных наноматериалов способно внести значительной вклад в развитие данной области и улучшение описанной ситуации. Адсорбирование молекул лекарственных препаратов на безопасный носитель является наиболее предпочтительными способами очистки, поскольку они предлагают возможность использования простых химико-физических процессов при очистке воды, воздуха, поверхностей от органических загрязнителей, что делает этот процесс экологически чистым и экономичным. Наноматериалы с высокой удельной поверхностью, являются идеальными платформами для разработки и получения недорогих и высокоэффективных биосенсоров, биофильтров и носителей антибактериальных агентов. К таким материалам относится гексагональный нитрид бора (h-BN). Этот материал обладает уникальным комплексом свойств: низкой удельной плотностью, высокой термической и химической стабильностью, жаростойкостью, биосовместимостью, хорошей адсорбционной способностью и широкой запрещенной зоной. Таким образом, наноструктурированный h-BN является идеальным кандидатом в качестве абсорбирующего материала. Однако, эффективность адсорбции на идеальную поверхность гексагонального нитрида бора затрудняется небольшим количеством активированных центров, что требует её модификации. Новизна проекта заключается проведении систематического экспериментально-теоретического исследования и построении общей модели сорбции/десорбции различных антибактериальных препаратов на поверхности модифицированных наночастиц нитрида бора. Основной задачей данного проекта является изучение процессов сорбции и десорбции различных типов антибиотиков применительно к наноструктурам h-BN как теоретическими, так и экспериментальными методами. Такой системный подход позволит глубоко изучить процесс сорбции/десорбции антибиотиков различного класса, дать описание типу связывания аналита с адсорбентом, определить характер сорбции и изучить ее зависимость от внешних условий. Будут изучены наночастицы на основе h-BN с различной модификацией поверхности – внесение дефектов, декорирование атомами и/или наночастицами металлов, внесение сторонних атомов в структуру и пр. В качестве аналитов будут выбраны антибиотики различных групп, включая макролиды (эритромицин), сульфаниламиды (сульфаметоксазол), диаминопиримидины (триметоприм), аминогликозиды (ципрофлоксацин), тетрациклины (тетрациклин) и β-лактамы (пенициллин). Такое комплексное исследование позволит в конечном итоге изготовить эффективные адсорбенты и мембраны на их основе для очистки сточных вод от загрязнений фармацевтическими препаратами.

вода

Основные исполнители

fhgfg.jpg

Руководитель гранта

Теоретическое моделирование

ПГВЯ.jpg

Основной исполнитель

Экспериментальные исследования

toc1111.png

Цель

Целью данного проекта является систематическое изучение процессов сорбции и десорбции различных типов антибиотиков применительно к наноструктурам h-BN с использованием теоретического моделирования различных систем и дальнейшей верификации на практике полученных результатов с целью разработки биологических сенсоров, фильтров и адсорбатов. Будет установлена взаимосвязь между структурой и физико-химическими свойствами частиц BN (BNNP) в зависимости от типа функционализации поверхности применительно к антибиотикам различного типа. Исследование данных наногибридных материалов будет проведено как с помощью теоретических, так и экспериментальных подходов. Будет построена теоретическая модель, позволяющая определить взаимосвязь морфология-сорбционная активность BNNP. Итогом работы послужит получение стабильного высокопроизводительного адсорбента на основе h-BN с селективностью к различному классу антибиотиков. Важнейшей частью проекта является детальное исследование модификации поверхности BNNP различными методами. h-BN может быть синтезирован в виде различных морфологических типов: графеноподобные нанолисты, нанотрубки, наноиглы, полые и твердые сферические наночастицы с гладкой или развитой поверхностью [1]. Модификация его поверхности (внесение дефектов, декорирование поверхности металлами) будет сильно влиять на сорбцию аналитов. Для решения этой проблемы в рамках проекта будет применены теоретические методы, с помощью которых будет определено, как та или иная модификация BNNP влияет на физико-химические и, следовательно, сорбционные свойства поверхности. Экспериментальные исследования обеспечат прямую верификацию полученных из теоретического моделирования данных и позволят создать эффективный селективный адсорбент для отчистки сточных вод от различных терапевтических препаратов.

Конкретная задача

Основной задачей данного проекта является изучение процессов сорбции и десорбции различных типов лекарственных средств применительно к наноструктурам h-BN с использованием теоретического моделирования различных систем и дальнейшей верификации на практике полученных результатов с целью разработки эффективных адсорбентов и фильтров на их основе для очистки сточных вод от загрязнений фармацевтическими препаратами. В проекте будет исследован процесс сорбции и десорбции антибиотиков на поверхность модифицированного наноструктурированного нитрида бора с возможностью контроля его структуры для решения задач по отчистке воды от терапевтических препаратов. Для достижения этой цели будут решены различные задачи, как в области компьютерного моделирования получаемых материалов и структур, так и в части экспериментального получения и изучения наноструктур. Так, в теории будет детально изучены различные подложки на основе нитрида бора в качестве сорбентов антибиотиков различных групп (макролиды (эритромицин), сульфаниламиды (сульфаметоксазол), диаминопиримидины (триметоприм), аминогликозиды (ципрофлоксацин), тетрациклины (тетрациклин) и β-лактамы (пенициллин)). Теоретически будет проведено моделирование нитрид-борных структур с различной модификацией поверхности – внесение дефектов, декорирование атомами и/или наночастицами металлов, введение сторонних атомов в структуру и пр. Будет проведена оценка сорбции каждого вида антибиотика на модифицированную поверхность и оценена энергия связывания и тип присоединения к различному виду подложек. Будут сделаны выводы о типе модификации подложки для наилучшей сорбции того или иного типа антибиотиков. Опираясь на результаты теоретического моделирования, экспериментальными методами будут получены наночастицы на основе нитрида бора с заданной поверхностью. Будут проведены исследования по изучению процесса сорбции на поверхность определенного класса антибиотиков. Полученные наногибридные материалы будут исследованы различными методами: ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье, рентгеновская фотоэлектронной спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света, спектрофотометрия, сканирующая электронная микроскопия. Сам процесс сорбции будет изучен методом спектрофотометрии, детектируя изменения концентрации антибиотика после добавления наночастиц. Данный подход позволит определить сорбционную ёмкость наночастиц по отношению к каждому типу исследуемых антибиотиков. Кроме того, будет разработан протокол очистки частиц от аналитов для их повторного использования. Таким образом, теоретические данные по процессу сорбции будут верифицированы в эксперименте, при этом, наличие теоретических предсказаний позволит проводить более направленный экспериментальный поиск по изучению сорбции антибиотиков из водных растворов.

photo_2022-12-20_19-41-01_edited.jpg

Основные результаты проекта

Было показано, что наночастицы из гексагонального BN, полученные в горизонтальном трубчатом CVD реакторе путем химического взаимодействия частиц аморфного бора с аммиаком, являются перспективными сорбентами для многоразовой очистки сточных вод от различных видов антибиотиков. Максимальная сорбционная емкость тетрациклина, ципрофлоксацина, амоксициллина и амфотерицина В составила 502,78, 315,75, 400,17 и 269,7 мкг/г, соответственно. BNNPs демонстрируют значительно более высокую адсорбционную способность CIP, TET и AMOX по сравнению с другими адсорбентами. Возможность эффективной очистки воды от амфотерицина В была показана впервые. Скорость удаления антибиотиков в первый день была высокой во всех случаях эксперимента, затем наблюдается постепенное снижение скорости адсорбции. Эффективность удаления антибиотиков может быть представлена следующим образом: TET > CIP > AMOX > AMP. Теоретически и экспериментально показано, что кислотность среды существенно влияет на кинетику адсорбции: с увеличением кислотности среды от pH 4 эффективность возрастала; после pH 7 наблюдалось постепенное снижение эффективности, однако в щелочной среде она была выше, чем в кислой. Показана возможность многократного использования наноструктурированных гексагональных BNNPs, что положительно скажется на их экономической и экологической эффективности. Потеря эффективности при многократном нанесении покрытия составляет не более 5 %, что подтверждает перспективность многоразового использования. На основании данных теоретического моделирования можно сделать вывод, что адсорбция является основным процессом очистки воды от антибиотиков. При наличии сопряженной системы в молекуле лекарства, взаимодействие антибиотиков с поверхностью BN происходит через π-π взаимодействие. Также немаловажную роль играет электростатическое взаимодействие между функциональными группами антибиотика и поверхностью нитрида бора. В кислой среде перераспределение электронной плотности сосредоточено в основном на молекуле антибиотика и почти не затрагивает BN, что объясняет более слабое связывание по сравнению со щелочной или нейтральной средой. На примере адсорбции рибофлавина показано, что дефектность нитрида бора может значительно влиять на связывание молекулы лекарства и нитрида бора.

Показано, что модификация нитрида бора полимером pHEMA, содержащим множественные –OH группы, способствует возникновению водородных связей и усилению электростатического взаимодействия с антибиотиками.

Голубая вода

Публикации по проекту

  1. L.Yu. Antipina, K.Yu. Kotyakova, M.V. Tregubenko, D.V. Shtansky Experimental and Theoretical Study of Sorption Capacity of Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles: Implication for Wastewater Purification from Antibiotics // Nanomaterials 2022, V. 12, №18, P. 3157

  2. Kalachikova P.M., Goldt A.E., Khabushev E.M., Eremin T.V., Zatsepin T.S., Obraztsova E.D., Larionov K.V., Antipina L.Yu., Sorokin P.B., Nasibulin A.G. Single-step extraction of small-diameter single-walled carbon nanotubes in the presence of riboflavin // Beilstein J. Nanotechnol. 2022, V. 13, P. 1564–1571

  3. Kotyakova K.Yu., Antipina L.Yu., Sorokin P.B., Shtansky D.V. Efficient and reusable sorbents based on nanostructured BN coatings for water treatment from antibiotics // Int. J. Mol.Sci. 2022 V. 23, № 24, P. 16097

  4. Antipina L.Yu., Varlamova L.A., Sorokin P.B. The temperature dependence of the hexagonal boron nitride oxidation resistance, insights from first−principle computations // Nanomaterials 2023, V. 13, № 6, P. 1041

  5. Antipina L.Y., Kotyakova K.Y., Sorokin P.B. Theoretical Analysis of Riboflavin Adsorption on Hexagonal Boron Nitride for Drug Delivery Applications: Unveiling the Influence of Point Defects International // Int. J. Mol. Sci. 2023, V. 24, № 14, P. 11648

Пресса о нас

Исследователи НИТУ МИСИС создали многоразовый и экологичный сорбент для очистки сточных вод от антибиотиков. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с уже известными аналогами — небольшие затраты на производство, простая конструкция и легкость эксплуатации в очистительных сооружениях. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.

bottom of page