КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕТАКРИЛАТОВ И НАНОЧАСТИЦ (TiO2, Ag2O) ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 1 http://nauko-sfera.ru/ БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 616-089 DOI 10.5281/zenodo.17501539 Научная статья КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕТАКРИЛАТОВ И НАНОЧАСТИЦ (TiO2, Ag2O) ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ COMPOSITE MATERIALS BASED ON METHACRYLATES AND NANOPARTICLES (TiO2, Ag2O) FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS БУЛЫГИН ЕГОР АНДРЕЕВИЧ, Институт общей физики имени А. М. Прохорова РАН. BULYGIN EGOR ANDREEVICH, Prokhorov General Physics Institute. В статье исследуются композитные материалы на основе метакрилатов с добавлением наночастиц TiO2 и Ag2O для применения в биомедицине. Изучены оптические свойства и бактериостатическая активность композитов против E. coli. Показано дозозависимое антимикробное действие наночастиц: увеличение концентрации TiO2 и Ag2O приводит к снижению роста бактерий на 20– 65 % и увеличению лаг-фазы на 1–5 часов. Материалы сохраняют прозрачность в видимом диапазоне спектра (450–800 нм). Полученные результаты подтверждают перспективность нанокомпозитов для создания антимикробных стоматологических и медицинских изделий методами аддитивного производства. The article investigates composite materials based on methacrylates with the addition of TiO2 and Ag2O nanoparticles for biomedical applications. The optical properties and bacteriostatic activity of the composites against E. coli were studied. A dose-dependent antimicrobial effect of nanoparticles was demonstrated: increasing the concentration of TiO2 and Ag2O leads to a reduction in bacterial growth by 20–65 % and an extension of the lag phase by 1–5 hours. The materials maintain transparency in the visible spectrum range (450–800 nm). The obtained results confirm the potential of nanocomposites for the development of antimicrobial dental and medical devices using additive manufacturing methods. Ключевые слова: композитные материалы, метакрилаты, наночастицы, антимикробная активность, аддитивное производство, биомедицинские применения. Key words: composite materials, methacrylates, nanoparticles, antimicrobial activity, additive manufacturing, biomedical applications. ддитивное производство активно востребовано в научных и промышленных сферах благодаря своей способности создавать высокотехнологичные изделия с минимальными отходами материала и сокращением трудовых затрат. В отличие от традиционных субтрактивных методов, 3D-печать обеспечивает возможность изготовления сложных А Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 2 http://nauko-sfera.ru/ геометрических конструкций и малых партий продукции напрямую из CAD-моделей, что особенно важно для индивидуализированного производства. Эта технология широко применяется в медицине, аэрокосмической и автомобильной отраслях, а также в стоматологии, хирургии и прототипировании, где классические подходы часто оказываются экономически невыгодными. Среди методов аддитивного производства наибольшее распространение получили технологии полимеризации в ванне — стереолитография (SLA), цифровая обработка света (DLP) и жидкокристаллический дисплей (LCD). Их ключевые преимущества включают высокое разрешение печати, ускоренные темпы производства, доступную стоимость и гибкость в разработке фотополимерных композиций. Процесс основан на послойном отверждении жидкой смолы, содержащей метакрилатные мономеры, олигомеры и фотоинициаторы, под воздействием светового излучения. Метакрилатные полимеры уже используются в стоматологии для создания протезов и ортодонтических конструкций благодаря своей обрабатываемости, биосовместимости и эстетическим характеристикам. Однако их применение сдерживается недостаточной ударной прочностью, приводящей к сколам и разрушению изделий, а также слабой антимикробной активностью, повышающей риск инфекционных осложнений. Для преодоления этих ограничений исследуются нанокомпозитные материалы, в которых добавление наночастиц (оксидов металлов, углеродных структур и других компонентов) позволяет улучшить механические, оптические и функциональные свойства. Эффективность модификации зависит от типа, размера и концентрации нанонаполнителей, а также от их взаимодействия с полимерной матрицей, что открывает возможности для целенаправленной оптимизации прочности, долговечности и антимикробных характеристик. Таким образом, интеграция наночастиц в фотополимерные смолы для 3D-печати создает перспективу разработки функциональных материалов с расширенными свойствами, востребованных прежде всего в медицинской отрасли. Особое значение приобретает создание антимикробных нанокомпозитов на основе метакрилатов, что напрямую влияет на безопасность и срок службы стоматологических и медицинских изделий. Наночастицы определяются как материалы, имеющие нанометровый масштаб или содержащие в своей структуре наноразмерные элементы. Они включают нанокомпозиты, наночастицы, нанопокрытия и другие формы, которые находят всё более широкое применение в медицине. Наноматериалы придают имплантатам новые свойства: стимулируют клеточную активность, улучшают интеграцию имплантатов, усиливают антимикробный эффект и обеспечивают контролируемое высвобождение лекарств [9]. В следующих подразделах будут представлены наночастицы, используемые для модификации композитов. Наночастицы серебра являются наиболее распространённым антибактериальным агентом благодаря широкому спектру действия против бактерий, вирусов и грибов [10]. Их эффективность определяется размером (оптимально 10–15 нм), формой (усечённые треугольные частицы превосходят сферические) и концентрацией, а также связана с высвобождением катионов Ag+ и генерацией активных форм кислорода (АФК) [4; 6]. Антимикробный механизм включает повреждение клеточной мембраны, ингибирование синтеза белков и ДНК, а также нарушение энергетического обмена [5; 13]. Введение в ПММА улучшает антимикробные свойства (подавление биоплёнок Candida albicans при 5 мас. % [11]), но снижает прочность на растяжение и температуру стеклования, вызывая изменение цвета материала [7; 8]. При этом покрытия на основе стимулируют остеоинтеграцию и минерализацию кости [20]. Однако их токсичность для здоровых тканей и нестабильность цвета требуют оптимизации концентраций для баланса эффективности и безопасности [15]. Наночастицы диоксида титана. Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 3 http://nauko-sfera.ru/ Наночастицы обладают высокой биосовместимостью, химической стабильностью и фотокаталитической антимикробной активностью, обусловленной образованием цитотоксических кислородных радикалов [12; 18]. Легирование металлами усиливает их дезинфицирующий эффект, а тубулярные структуры улучшают остеоинтеграцию и служат системами доставки лекарств [19]. Добавление в ПММА снижает бактериальную адгезию (минимум при 3 мас. % для P. aeruginosa [2]), и повышает микротвердость, износостойкость и поверхностную энергию, препятствуя образованию биоплёнок [14]. Однако концентрации выше 3 мас. % могут ухудшать прочность на изгиб из-за агломерации, тогда как 1–3 мас. % улучшают ударную прочность и снижают водопоглощение [3; 12; 16]. Наночастицы эффективны против широкого спектра патогенов, включая S. aureus и E. coli, что делает их перспективными для модификации имплантатов [17]. Оптимальная концентрация (3 мас. %) обеспечивает баланс механических и антимикробных свойств, хотя превышение 5 мас. % вызывает изменение цвета [1]. Таким образом, интеграция наночастиц в фотополимерные смолы для 3D-печати создает перспективу разработки функциональных материалов с расширенными свойствами, востребованных прежде всего в медицинской отрасли. Особое значение приобретает создание антимикробных нанокомпозитов на основе метакрилатов, что напрямую влияет на безопасность и срок службы стоматологических и медицинских изделий. Целью настоящего исследования является изучение оптических свойств и бактериостатической активности композитных материалов на основе метакрилатов с добавлением наночастиц TiO₂ и Ag₂O для применения в биомедицине. Основными задачами исследования являются: исследование дозозависимого антимикробного действия наночастиц TiO₂ и Ag₂O против E. coli; оценка влияния концентрации наночастиц на оптические свойства композитов в видимом диапазоне спектра; анализ изменения лаг-фазы и скорости роста бактерий при взаимодействии с композитами. Важным аспектом разработки биомедицинских нанокомпозитов является метод синтеза наночастиц, который определяет их структуру, размеры и физико-химические свойства. Для обеспечения оптимальных характеристик наночастиц в биомедицинских приложениях был выбран метод лазерной абляции, позволяющий получать наночастицы с контролируемым размером и высокой чистотой, что критично для их эффективности в биомедицинских системах. Данный метод синтеза гарантирует получение наночастиц с необходимыми свойствами, обеспечивающими оптимальную антимикробную активность и сохранение прозрачности композитов в видимом спектре. Материалы и методы. Коллоидные наночастицы TiO2, Ag2O были получен методом импульсной лазерной абляции объемной мишени. Мишени толщиной 5–10 мм и чистотой 99,9 % были промыты сначала этанолом, а затем несколько раз деионизированной водой в ультразвуковом очистителе. Очищенную мишень помещали на дно стеклянного сосуда, наполненного 100 мл деионизированной воды (0,1 мкСм /см). Наночастицы оксидов металлов, полученные в водной среде, перенесены в ацетон, так как вода не является растворителем для метакрилатных смол. Для интеграции наночастиц в метакрилатную фотополимерную смолу Dental Clear Pro (HARZ Lab, Россия) использовали дисперсии оксидов титана TiO2, серебра Ag2O в ацетоне. Эксперименты проводили с применением ультразвуковой ванны (40 кГц, 22°C); микропипеток с диапазонами 10–100 мкл, 100–1000 мкл и 2–10 мл , а также пластиковых наконечников для дозирования. Все операции осуществляли в флаконах из темного стекла. Подготовка композитов с концентрацией 0,1 об. % включала предварительную ультразвуковую обработку дисперсии наночастиц в ацетоне в течение 10 мин для достижения гомогенности. Затем в стеклянный сосуд добавляли 10 мл исходной смолы, после чего при помощи микропипетки вводили 20 мкл дисперсии с наночастицами. Смесь дополняли до конечного объема 20 мл и Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 4 http://nauko-sfera.ru/ дважды подвергали циклу перемешивания: 5 минут обработки на шейкере для пробирок + 5 минут обработки ультразвуком в ванне. Полученные образцы переносили во флаконы с плотно закрывающимися крышками и маркировали с указанием типа наночастиц и концентрации. Для снижения концентрации до 0,01 об. % из предварительно приготовленной смеси отбирали 2 мл аликвоты, которую разбавляли до 20 мл чистой смолой. Аналогичным образом, для достижения 0,001 об. %, использовали 0,2 мл аликвоты исходного раствора. Во всех случаях после разбавления проводили перемешивание при тех же условиях, что и на предыдущих этапах. Финальные композиты хранили в защищенном от света месте. Предложенный метод позволяет равномерно распределять наночастицы в полимерной матрице за счет комбинированного применения ультразвукового диспергирования и точного дозирования, обеспечивая воспроизводимость приготовления композитов с заданными характеристиками. Для изучения оптических свойств композитных образцов в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (200–900 нм) применялся двухлучевой спектрометр Cintra 4040 (GBC Scientific Equipment Pty Ltd., Австралия) с параметрами: скорость сканирования 350 нм/мин, шаг 0,133 нм, ширина щели 2,0 нм, режим измерения — поглощение. Образцы устанавливались в предварительно разогретый держатель для минимизации термических флуктуаций, а камера спектрометра герметизировалась для исключения внешних световых помех. Спектры регистрировались в формате .csv, обрабатывались в Origin Pro с усреднением параллельных измерений, что обеспечивало статистическую достоверность данных и выявление общей тенденции поглощения материалов. Оценка бактериостатического эффекта композиционных полимеров проводилась на штамме Escherichia coli BL21 (DE3) в 24-луночных планшетах. Образцы (10×10 мм) дезинфицировались 70 % этиловым спиртом и УФ-облучением, после чего в лунки вносили бактериальную суспензию (10⁶ кл/мл). Кинетическое измерение оптической плотности при 600 нм в течение 24 ч при 37°C позволило построить кривые роста и оценить бактериостатическую активность по задержке лаг-фазы и снижению скорости экспоненциального роста, что соответствует стандартным микробиологическим протоколам. Все этапы выполнялись с соблюдением асептики для исключения контаминации. Результаты и обсуждение. На рисунках 1–2 приведены спектры поглощения композитов в УФ-видимой области. В метакрилатной смоле присутствуют фото-инициаторы, позволяющие провести фотополимеризацию материала для получения полимера. Область спектра 350–400 нм относится к поглощению излучения данными фото-инициаторами. В целом, можно отметить, что интегрирование НЧ всех типов значительно не сказываются на оптических свойства полиметакрилатной матрицы в видимом диапазоне спектра. Все образцы имеют диапазон прозрачности от 450 до 800 нм. На рисунке 3 представлены кривые роста E. coli, культивируемых в течение суток на композиционных материалах полиметакрилат + наночастицы TiO2. Добавление наночастицы TiO2 доза-зависимо увеличивало бактериостатическое действие полиметакрилат. Бактериостатический эффект был более выраженным, чем у полиметакрилат + наночастицы TiO2. При концентрации наночастицы TiO2 в композиционном материале равной 0,001 % ингибирование максимального роста микроорганизмов составляло 20–25 % процентов по сравнению с чистым полиметакрилат и 25–30 % по сравнению с контролем. Композиционные материалы полиметакрилат+наночастицы TiO2 0,01 % и полиметакрилат+наночастицы TiO2 0,1 % ингибировали рост E. coli на 40–45 % и 45–50 % по сравнению с контролем соответственно. Все три композиционных материала увеличивали лаг-фазу роста E. coli на 4–5 часов по сравнению с контролем. На рисунке 4 представлены кривые роста E. coli, культивируемых в течение 24 часов на композиционных материалах полиметакрилат + наночастицы Ag2O. Добавление наночастиц Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 5 http://nauko-sfera.ru/ Ag2O увеличивало бактериостатическое действие композиционного материала по сравнению с полиметакрилат без доппанта. Композиционный материал полиметакрилат + наночастицы Ag2O 0,001 % ингибировал максимальный рост E. coli на 10–20 % и увеличивал лаг-фазу на 1 час по сравнению с контролем. Полиметакрилат + наночастицы Ag2O 0,01 % ингибировал максимальный рост E. coli на 40-50% и увеличивал лагфазу на 1 часа по сравнению с контролем. Полиметакрилат+наночастицы Ag2O 0,1 % ингибировал максимальный рост E. coli на 55–65 % и увеличивал лаг-фазу на 3 часа по сравнению с контролем. Рис. 1. Спектры поглощения в УФ-видимой области для образцов с различным содержанием наночастиц TiO2 Рис. 2. Спектры поглощения в УФ-видимой области для образцов с различным содержанием наночастиц Ag2O Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 6 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 3. Кривые роста E. coli, культивируемой в присутствии полимерных материалов. Черные квадраты — контроль (без материалов), красные круги — полимеризованный метакрилат (полиметакрилат), фиолетовые ромбы — Композицонный полиметакрилат+наночастицы TiO2 в концентрации 0,1 %, 0,01 % (зеленые треугольники) или 0,001 % (синие треугольники) Рис. 4. Кривые роста E. coli, культивируемой в присутствии полимерных материалов. Черные квадраты — контроль (без материалов), красные круги — полимеризованный метакрилат (полиметакрилат), фиолетовые ромбы — Композицонный полиметакрилат+наночастицы Ag2O в концентрации 0,1 %, 0,01 % (зеленые треугольники) или 0,001 % (синие треугольники) Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 7 http://nauko-sfera.ru/ Проведенные исследования подтверждают эффективность модификации метакрилатных фотополимерных смол наночастицами TiO2 и Ag2O для создания материалов с антимикробными свойствами. Установлено дозозависимое бактериостатическое действие композитов против E. coli, при этом сохраняется прозрачность материала в видимом диапазоне спектра. Оптимальные концентрации нанонаполнителей (0,01–0,1 об. %) обеспечивают баланс между антимикробной активностью и оптическими свойствами. Полученные материалы перспективны для применения в стоматологии и медицине, особенно для изготовления имплантатов и протезов методами аддитивного производства. В дальнейших исследованиях необходимо изучить влияние нанокомпозитов на механические свойства и их биосовместимость с различными типами клеток, а также провести испытания против широкого спектра патогенных микроорганизмов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ahmed M. A., El-Shennawy M., Althomali Y. M., Omar A. A. Effect of titanium dioxide nano particles incorporation on mechanical and physical properties on two different types of acrylic resin denture base // World Journal of Nano Science and Engineering. 2016. Vol. 6, № 3. P. 111–119. 2. Alrahlah A., Fouad H., Hashem M., Niazy A. A., AlBadah A. Titanium oxide (TiO2)/polymethylmethacrylate (PMMA) denture base nanocomposites: mechanical, viscoelastic and antibacterial behavior // Materials. 2018. Vol. 11, № 7. P. 1096. 3. Alwan S. A., Alameer S. S. The effect of the addition of silanized Nano titania fillers on some physical and mechanical properties of heat cured acrylic denture base materials // Journal of baghdad college of dentistry. 2015. Vol. 27, № 1. P. 86–91. 4. Ansari M. A., Khan H. M., Khan A. A., Ahmad M. K., Mahdi A. A., Pal R., Cameotra S. S. Interaction of silver nanoparticles with Escherichia coli and their cell envelope biomolecules // Journal of basic microbiology. 2014. Vol. 54, № 9. P. 905–915. 5. El Shanshoury A. E.-R. R., Sabae S. Z., El Shouny W. A., Elsaied H. E., Badr H. M., Abo-Shady A. M. Biomimetic Synthesis of Silver Nanoparticles Using New Aquatic Species of Bacillus, Alcaligenes, and Paenibacillus and their Potential Antibiofilm Activity against Biofilm-Forming Escherichia coli. 2022. 6. Fernandez C. C., Sokolonski A. R., Fonseca M. S., Stanisic D., Araújo D. B., Azevedo V., Portela R. D., Tasic L. Applications of silver nanoparticles in dentistry: advances and technological innovation // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22, № 5. P. 2485. 7. Ghaffari T., Hamedi-Rad F. Effect of silver nano-particles on tensile strength of acrylic resins // Journal of dental research, dental clinics, dental prospects. 2015. Vol. 9, № 1. P. 40. 8. Hamedi-Rad F., Ghaffari T., Rezaii F., Ramazani A. Effect of nanosilver on thermal and mechanical properties of acrylic base complete dentures // Journal of Dentistry (Tehran, Iran). 2014. Vol. 11, № 5. P. 495. 9. Jandt K. D., Watts D. C. Nanotechnology in dentistry: Present and future perspectives on dental nanomaterials // Dental Materials. 2020. Vol. 36, № 11. P. 1365–1378. 10. Juby K. A., Dwivedi C., Kumar M., Kota S., Misra H. S., Bajaj P. N. Silver nanoparticle-loaded PVA/gum acacia hydrogel: Synthesis, characterization and antibacterial study // Carbohydrate polymers. 2012. Vol. 89, № 3. P. 906–913. 11. Li Z., Sun J., Lan J., Qi Q. Effect of a denture base acrylic resin containing silver nanoparticles on Candida albicans adhesion and biofilm formation // Gerodontology. 2016. Vol. 33, № 2. P. 209–216. 12. Li Q., Mahendra S., Lyon D. Y., Brunet L., Liga M. V., Li D., Alvarez P. J. J. Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: potential applications and implications // Water research. 2008. Vol. 42, № 18. P. 4591–4602. 13. More P. R., Pandit S., Filippis A. D., Franci G., Mijakovic I., Galdiero M. Silver nanoparticles: bactericidal and mechanistic approach against drug resistant pathogens // Microorganisms. 2023. Vol. 11, № 2. P. 369. Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 8 http://nauko-sfera.ru/ 14. Renuka R. R., Julius A., Karunakaran H., Samrot A. V., Deenadhayalan R., Nagarajan S., Soju D. In vitro free radical scavenging effects of Titanium dioxide Nanoparticles (TiO2 NPs) biosynthesized using stem extract of Cissus quadrangularis. 2024. 15. Rehner A. M. G., Moldoveanu E.-T., Niculescu A.-G., Bîclesanu F. C., Pangică A. M., Grumezescu A. M., Croitoru G.-A. Advances in Dental Implants: A Review of In Vitro and In Vivo Testing with Nanoparticle Coatings // Journal of Composites Science. 2025. Vol. 9, № 3. P. 140. 16. Shirkavand S., Moslehifard E. Effect of TiO2 nanoparticles on tensile strength of dental acrylic resins // Journal of dental research, dental clinics, dental prospects. 2014. Vol. 8, № 4. P. 197. 17. Su W., Wei S. S., Hu S. Q., Tang J. X. Preparation of TiO2/Ag colloids with ultraviolet resistance and antibacterial property using short chain polyethylene glycol // Journal of hazardous materials. 2009. Vol. 172, № 2–3. P. 716–720. 18. Tan G., Xu J., Chirume W. M., Zhang J., Zhang H., Hu X. Antibacterial and anti-inflammatory coating materials for orthopedic implants: a review // Coatings. 2021. Vol. 11, № 11. P. 1401. 19. Wang F., Li C., Zhang S., Liu H. Role of TiO2 Nanotubes on the Surface of Implants in Osseointegration in Animal Models: A Systematic Review and Meta-Analysis // Journal of Prosthodontics. 2020. Vol. 29, № 6. P. 501–510. 20. Yu Y.-M., Lu Y.-P., Zhang T., Zheng Y.-F., Liu Y.-S., Xia D.-D. Biomaterials science and surface engineering strategies for dental peri-implantitis management // Military Medical Research. 2024. Vol. 11, № 1. P. 29. Поступила в редакцию: 28.10.2025 © Булыгин Е. А., 2025. Принята в печать: 25.11.2025