Изучение антибактериальных и химических свойств металл-органических координационных полимеров Sr-BDC_∞

Введение. В ходе данной работы был получен МОФ Sr-BDC c помощью простого сольвотермального процесса без использования повышенного давления. Данный способ является легко масштабируемым и не требует специального оборудования. В ходе этой работы кристаллы, полученные при синтезе, изучаются с помощью Рамановской спектроскопии. Кроме того, полученные материалы были проанализированы на антибактериальную активность по отношению к грамположительным и к грамотрицательным бактериям.

Цель. В ходе данной работы основной целью являлись сравнительная оценка антибактериальных свойств металл-органического соединения Sr-BDC, активированных различными способами (и без активации).

Материалы и методы. В данной работе применяется сольвотермальный процесс с использованием терефталевой кислоты, нитрата стронция и диметилформамида. Особенностью данного метода является отсутствие автоклавирования в процессе синтеза. Для характеризации использовались оптическая микроскопия и Рамановская спектроскопия. Также для изучения антибактериальных свойств, был проведен тест на диффузию в среду. Совокупность данных методов поможет установить взаимосвязь, между методом активации и биологической активностью получаемых материалов.

Результаты и обсуждение. В ходе этой работы изучено химическое строение МОФ Sr-BDC с помощью Рамановской спектроскопии. Проведено изучение влияние способа активации на химическое строение МОФ. Установлено, что с помощью характеристичных пиков Рамановской спектроскопии можно подтвердить удаление растворителя (ДМФА) из структуры кристалла. Кроме того, проведены тесты по проявлению антибактериальной активности для МОФ с различным способом активации. Для каждого образца установлены МИК и МБК.

Заключение. В ходе работы изучено влияние способа активации на химическую структуру металл-органической конструкции Sr-BDC. Установлено, что способ активации может влиять на биологическую активность получаемых кристаллов. Также продемонстрировано что к различным типам бактерий МОФ проявляют различную антибактериальную активность, что в первую очередь может быть связано с составом клеточной стенки микроорганизмов.

1. Xia F., Wang H., Xiao D., Dubey M., Ramasubramaniam A. Two-dimensional material nanophotonics. Nature Photonics. 2014;12(8):899–907. DOI: 10.1038/nphoton.2014.271.

2. Krivoshapkin P. V., Ivanets A. I., Torlopov M. A., Mikhaylov V. I., Srivastava V., Sillanpää M., Prozorovich V. G., Kouznetsova T. F., Koshevaya E. D., Krivoshapkina E. F. Nanochitin/manganese oxide-biodegradable hybrid sorbent for heavy metal ions. Carbohydrate Polymers. 2019;210:135–143. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.01.045.

3. Omenetto F. G., Kaplan D. L. New Opportunities for an Ancient Material. Science. 2010;329(5991):528–531. DOI: 10.1126/science.1188936.

4. Koshevaya E., Krivoshapkina E., Krivoshapkin P. Tantalum oxide nanoparticles as an advanced platform for cancer diagnostics: a review and perspective. Journal of Materials Chemistry B. 2021;25(9):5008–5024. DOI: 10.1039/d1tb00570g.

5. Lu Y., Aimetti A. A., Langer R., Gu Z. Bioresponsive materials. Nature Reviews Materials. 2016.1(2):16075. DOI: 10.1038/natrevmats.2016.75.

6. Lee L. J. Polymer Nanoengineering for Biomedical Applications. Annals of Biomedical Engineering. 2006;34(1):75–88. DOI: 10.1007/s10439-005-9011-6.

7. Zhang Y., Lim C. T., Ramakrishna S., Huang Z.-M. Recent development of polymer nanofibers for biomedical and biotechnological applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2005;16(10):933–946. DOI: 10.1007/s10856-005-4428-x.

8. Rejepov D. T., Vodyashkin A. A., Sergorodceva A. V., Stanishevskiy Ya. M. Biomedical Applications of Silver Nanoparticles (Review). Drug development & registration. 2021;10(3):176–187. (In Russ.) DOI: 10.33380/2305-2066-2021-10-3-176-187.

9. Vodyashkin A. A., Kezimana P., Vetcher A. A., Stanishevskiy Y. M. Biopolymeric Nanoparticles–Multifunctional Materials of the Future. Polymers. 2022;14(11):2287. DOI: 10.3390/polym14112287.

10. Kuzminova A., Dmitrenko M., Mazur A., Ermakov S., Penkova A. Novel Pervaporation Membranes Based on Biopolymer Sodium Alginate Modified by FeBTC for Isopropanol Dehydration. Sustainability. 2021;13(11):6092. DOI: 10.3390/su13116092.

11. Penkova A. V., Kuzminova A. I., Dmitrenko M. E., Surkova V. A., Liamin V. P., Markelov D. A., Komolkin A. V., Poloneeva D. Y., Laptenkova A. V., Selyutin A. A., Mazur A. S., Emeline A. V., Thomas S., Ermakov S. S. Novel pervaporation mixed matrix membranes based on polyphenylene isophtalamide modified by metal–organic framework UiO-66(NH₂)-EDTA for highly efficient methanol isolation. Separation and Purification Technology. 2021;263:118370. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.118370.

12. Stock N., Biswas S. Synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs): Routes to Various MOF Topologies, Morphologies, and Composites. Chemical Reviews. 2012;112(2):933–969. DOI: 10.1021/cr200304e.

13. Ding M., Cai X., Jiang H.-L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 2019;10(44):10209–10230. DOI: 10.1039/c9sc03916c.

14. Kuzminova A. I., Dmitrenko M. E., Poloneeva D. Y., Selyutin A. A., Mazur A. S., Emeline A. V., Mikhailovskii V. Y., Solovyev N. D., Ermakov S. S., Penkova A. V. Sustainable composite pervaporation membranes based on sodium alginate modified by metal organic frameworks for dehydration of isopropanol. Journal of Membrane Science. 2021;626:119194. DOI: 10.1016/j.memsci.2021.119194.

15. Vodyashkin A. A., Sergorodceva A. V., Kezimana P., Stanishevskiy Y. M. Metal-Organic Framework (MOF)—A Universal Material for Biomedicine. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(9):7819. DOI: 10.3390/ijms24097819.

16. Wu M.-X., Yang Y.-W. Metal-Organic Framework (MOF)-Based Drug/Cargo Delivery and Cancer Therapy. Advanced Materials. 2017;29(23):1606134. DOI: 10.1002/adma.201606134.

17. Liu Y., Zhou L., Dong Y., Wang R., Pan Y., Zhuang S., Liu D., Liu J. Recent developments on MOF-based platforms for antibacterial therapy. RSC Medicinal Chemistry. 2021;12(6):915–928. DOI: 10.1039/d0md00416b.

18. Karimi Alavijeh R., Beheshti S., Akhbari K., Morsali A. Investigation of reasons for metal–organic framework’s antibacterial activities. Polyhedron. 2018;156:257–278. DOI: 10.1016/j.poly.2018.09.028.

19. Hasan Md. N., Bera A., Maji T. K., Pal S. K. Sensitization of nontoxic MOF for their potential drug delivery application against microbial infection. Inorganica Chimica Acta. 2021;523:120381. DOI: 10.1016/j.ica.2021.120381.

20. Kumari G., Patil N. R., Bhadram V. S., Haldar R., Bonakala S., Maji T. K., Narayana C. Understanding guest and pressure-induced porosity through structural transition in flexible interpenetrated MOF by Raman spectroscopy: Understanding guest and pressure-induced porosity. Journal of Raman Spectroscopy. 2016;47(2):149–155. DOI: 10.1002/jrs.4766.

21. Hadjiivanov K. I., Panayotov D. A., Mihaylov M. Y., Ivanova E. Z., Chakarova K. K., Andonova S. M., Drenchev N. L. Power of Infrared and Raman Spectroscopies to Characterize Metal-Organic Frameworks and Investigate Their Interaction with Guest Molecules. Chemical Reviews. 2021;121(3):1286–1424. DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00487.

22. Choyam S., Lokesh D., Kempaiah B. B., Kammara R. Assessing the antimicrobial activities of Ocins. Frontiers in Microbiology. 2015;6:1034. DOI: 10.3389/fmicb.2015.01034.

23. Bhardwaj N., Pandey S. K., Mehta J., Bhardwaj S. K., Kim K.-H., Deep A. Bioactive nano-metal–organic frameworks as antimicrobials against Gram-positive and Gram-negative bacteria. Toxicology Research. 2018;7:931–941. DOI: 10.1039/c8tx00087e.

24. Firouzjaei M. D., Shamsabadi A. A., Sharifian Gh. M., Rahimpour A., Soroush M. A Novel Nanocomposite with Superior Antibacterial Activity: A Silver-Based Metal Organic Framework Embellished with Graphene Oxide. Advanced Materials Interfaces. 2018;5:1701365. DOI: 10.1002/admi.201701365.