Бактерии окружают нас повсюду, и среди них немало опасных и вредных. Особенно актуальна эта проблема для больниц, медицинских и химических лабораторий, «чистых» биотехнологических производств — там, где человеку нужно обезопасить себя от микробов или избавиться от «незваных гостей» на рабочем месте. В июне 2025 г. ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета представили разработку, решающую обе задачи, — фильтрующий материал, способный отфильтровать и обезвредить более 95% бактерий из проходящего сквозь него воздуха.
Средства индивидуальной защиты, применяемые в настоящее время, эффективно ограждают нос и легкие от мелких частиц, но все же могут пропускать бактерии. В то же время изобретение пермских ученых позволяет не бояться работы как в загрязненном, так и в зараженном воздухе. Новый материал из нескольких слоев не только задерживает микроорганизмы, но и обезвреживает их. При этом разработку можно будет применять как в масках и респираторах, так и в фильтрах для очистки воздуха, например в промышленности.
Новый материал, созданный в ПНИПУ, — перспективное средство защиты от бактерий для больниц, лабораторий, «чистых» биотехнологических производств.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
О новом материале корреспонденту «Научной России» рассказала доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат химических наук Елена Абрамовна Фарберова: «Бактерицидный композитный материал представляет собой активную углеродную ткань, модифицированную частицами мелкодисперсной металлической меди, сокращенно АУТ-Cu».
Доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат химических наук Елена Абрамовна Фарберова.
Фото: личный архив Е.А. Фарберовой / предоставлено пресс-службой ПНИПУ
Составляющие композита органично дополняют друг друга.
«Исходная активированная угольная ткань обладает развитой пористой структурой. Она представляет собой полотно саржевого плетения1 из углеродных волокон. Микропоры расположены перпендикулярно оси волокна и доступны непосредственно с внешней поверхности, что обеспечивает их бóльшую кинетическую активность по отношению к сорбируемым веществам. Углеродные волокнистые материалы обладают устойчивостью к воздействию агрессивных сред, стойкостью к радиации и тепловым ударам, регулируемой электрической проводимостью, сродством2 к тяжелым металлам. Благодаря этим свойствам АУТ — универсальная матрица для модификации мелкодисперсными частицами металлов, в частности меди», — сказала Е.А. Фарберова.
Еще одно выгодное свойство угольной ткани — слабое сопротивление потоку воздуха. Кроме того, этот материал довольно тонок (толщиной всего 3–5 мм) и легок (плотностью от 300 до 350 г/м2), благодаря чему из него можно производить удобные компактные изделия.
Таким образом, угольная ткань даже без других компонентов может применяться в составе фильтров для очистки воздуха и газов от загрязнений. Но в одиночку она не способна подавлять активность бактерий.
Бактерицидные свойства придает новому фильтрующему материалу второй компонент — частицы меди. Ионы этого металла могут обезвредить большинство опасных микроорганизмов. И вот почему.
Микрофотографии фильтрующего материала, полученные с помощью электронного микроскопа (сверху вниз: в четырнадцатикратном и тысячекратном увеличении).
Автор фото: Елена Абрамовна Фарберова
«Инактивация микроорганизмов, подвергшихся воздействию Cu, объясняется механизмом адгезии3 к бактериям, — объяснила Е.А. Фарберова. — Это происходит из-за противоположных электрических зарядов бактерий и ионов меди, выделяющихся из наночастиц. В результате наночастицы прилипают к цитоплазматической мембране бактерий и разрушают ее структуру, что приводит к нарушению процессов метаболизма в клетке и ее дальнейшей деградации».
Почему для модификации нового материала была избрана именно медь? «Среди всех катионов металлов медь и серебро оказывают наибольшие бактериостатический и бактерицидный эффекты. Серебро использовать дорого, поэтому выбор пал на медь. Высокой бактерицидностью обладают и ряд других тяжелых металлов, однако их применение исключается из-за возможности причинения вреда здоровью человека. В то же время медь участвует в ряде процессов нашего метаболизма. Кроме того, металлическая медь используется в медицине», — ответила Е.А. Фарберова.
Чтобы испытать разработку, ученые провели несколько экспериментов. Для начала небольшие фрагменты материала поместили в лаборатории на плотную питательную среду с бактериями и зафиксировали места гибели микроорганизмов. Далее ученые проверили, как модифицированная ткань справляется с движущимся потоком газа: сквозь материал пропустили зараженный воздух и оценили, сколько бактерий осталось в потоке после фильтрации. Результаты впечатлили: ткань с наночастицами смогла обеспечить защиту от опасных микроорганизмов с более чем 95-процентной эффективностью.
Важная особенность материала, позволившая достичь такого результата, — многослойность.
«Использование фильтра на основе одного слоя АУТ-Cu малорезультативно, так как наблюдается проскок микроорганизмов. Частицы меди не успевают произвести бактерицидный эффект, так как микроорганизмы проходят сквозь поры фильтра под действием потока воздуха. Поэтому необходимо использовать несколько слоев. Оптимальный вариант — использование трехслойного фильтра, состоящего из двух слоев исходной АУТ, между которыми располагается слой АУТ-Сu. В этом случае эффект проскока минимален и фильтр обеспечивает извлечение бактериальных клеток из воздуха более чем на 95%», — отметила Е.А. Фарберова.
Эффективность материала была успешно подтверждена экспериментами на бактериях.
Фото: freepik / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
Некоторые особенности нового материала еще предстоит уточнить. Например, пока не изучена его активность против вирусов и грибков.
«Согласно литературным источникам, медь вызывает гибель и грибковых микроорганизмов. Исследования продолжаются», — пояснила Е.А. Фарберова.
Исследователь добавила, что важное преимущество модифицированной углеродной ткани — возможность многоразового использования: ее можно стерилизовать посредством термической обработки.
Помимо масок и респираторов, новый материал также может использоваться в фильтрах для очистки воздуха, например в промышленности.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Е.А. Фарберова рассказала, как новый материал появляется на свет: «Процесс изготовления бактерицидного углеродного материала включает следующие стадии. Сначала происходит электрохимическое нанесение меди на АУТ из раствора сложного электролита при постоянном токе. Образец активной углеродной ткани закрепляется в медной рамке и погружается в раствор электролита (при электролизе полученная конструкция играет роль катода). Катод помещается между двумя медными пластинами (анодами) таким образом, что при пропускании через систему электрического тока медь равномерно наносится на ткань с двух сторон. После электролитической обработки образцы промывают дистиллированной водой для удаления остатков электролита, а затем высушивают при комнатной температуре и стерилизуют».
Исследование пермских ученых проведено по программе стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Детали разработки коллектив представил в статье в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика». В ближайшем будущем исследователи собираются довести до совершенства новый материал и технологию его изготовления.
«Предполагается отработать методику электрохимического меднения активной углеродной ткани, чтобы добиться максимального бактерицидного эффекта. В планах также разработка способов регенерации и утилизации используемого электролита», — поделилась Е.А. Фарберова.
1Саржевое плетение — переплетение волокон, отличающееся наклонными полосками-диагоналями на поверхности материала.
2Сродство — способность одного вещества связываться с другим.
3Адгезия — простыми словами, прилипание.
Источники
Комментарии Е.А. Фарберовой
Большая российская энциклопедия (электронная версия). Е.В. Евсюкова. Переплетение нитей в ткачестве
Большая российская энциклопедия (электронная версия). А.Д. Зимон. Адгезия
Энциклопедический словарь по металлургии (главный редактор Н.П. Лякишев), 2000 г. Химическое сродство (выдержка размещена на сайте «Словари и энциклопедии на Академике»)
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: freepik / фотобанк Freepik
Фото на главной странице: benzoix / фотобанк Freepik
Источники изображений в тексте: freepik / фотобанк Freepik, личный архив Е.А. Фарберовой / предоставлено пресс-службой ПНИПУ, Елена Абрамовна Фарберова (микрофотографии), freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.
