Stříbro se už dávno před antibiotiky používalo pro léčebné účely. I v současnosti se rozvíjí výzkum, jak využít stříbro jako alternativu k antibiotikům, proti kterým některé bakterie získaly rezistenci, nebo ve stavebnictví.
Antibakteriální aktivita stříbra je známa již po staletí. Od dob antického Řecka a Říma se používají stříbrné nádoby na uchovávání a konzervaci vody i jiných tekutin, protože zajišťují jejich zdravotní nezávadnost. Panovníci jedli ze stříbrného nádobí, aby si chránili své zdraví. Od 19. do počátku 20. století bylo koloidní stříbro používáno v mikrobiologii a v lékařství. Krystalický dusičnan stříbrný, tzv. pekelný kamínek, se používal k léčbě bradavic. S objevem penicilinu roku 1928 sirem Alexanderem Flemingem využití stříbra v lékařství ustupuje, protože výroba penicilinu byla značně levnější a množství potřebné k léčbě bylo několikanásobně nižší. Hojné užívání antibiotik v druhé polovině 20. století však přineslo i významný negativní aspekt, a sice vznik rezistence bakterií k antibiotikům. Výzkum se proto vrátil k nanočásticím stříbra, protože u nich dosud nebyla objevena rezistence k patogenním bakteriím. Nanočástice stříbra ničí velké množství druhů bakterií, plísní a virů, zatímco antibiotika jen některé z nich.
Mechanismus biocidního účinku působení nanočástic zatím není zcela objasněn. Existuje několik teorií. Velmi malé nanočástice (1–15 nm) mohou do buňky vstupovat přes její stavební jednotky (buněčná stěna, lipidická membrána) difuzí. Mohou být rovněž do buňky deportovány prostřednictvím vesikuly (bilipidický útvar). Jakmile se vesikula dostane do buňky, zvýšený osmotický tlak způsobí proniknutí vody do vesikuly, což vede k jejímu prasknutí. Uvolněné nanočástice stříbra následně reagují s thiolovými skupinami proteinů, čímž dojde k jejich inaktivaci a ukončení důležitých metabolických pochodů v buňce. Dalším způsobem, jak mohou nanočástice nenávratně poškodit buňku je náraz do buněčné stěny. Zejména se jedná o částice velikosti jednotek nanometrů, které se pohybují vysokou rychlostí v důsledku Brownova pohybu. Po nárazu buňka může být natolik poškozená, že přestane plnit své životní funkce. Nanočástice se mohou rovněž na povrchu buňky adsorbovat a poté se rozpouštět na ionty, které difundují do buňky. Tento mechanismu je charakteristický opět pro velmi malé částice o velikosti jednotek nanometrů, u nichž dochází k produkci významného množství stříbrných iontů.
V současné době je široce diskutované téma srovnání toxicity nanočástic a iontů. Avšak je obtížné rozhodnout, co je toxičtější. Je nutno vzít do úvahy, že v přítomnosti nanočástic se nacházejí i ionty, které se z těchto částic uvolňují. S klesající velikostí částice je stále větší podíl atomů stříbra přítomen na povrchu. U nanočástice o velikosti jednotek nanometrů je jich na povrchu přítomno až 50%, což vede k uvolnění velkého množství stříbrných iontů do okolního prostředí. Z toho plyne, že při biocidním působení dochází k synergii částic a iontů. Naproti tomu u částic o velikosti 15-ti a více nanometrů k tomuto efektu nedochází, protože podíl uvolněného iontového stříbra je nižší než 1%. Důležitou roli hraje také tvar stříbrných nanočástic. Nanočástice tvaru trojúhelníku hubí některé kmeny bakterií účinněji než částice kulovité. V našem výzkumu jsme zjistili, že nanočástice stříbra mají srovnatelnou nebo lepší antibakteriální aktivitu než stříbro iontové.
Nanočástice lze připravit v zásadě dvěma způsoby. První možností je metoda top-down, kdy pomocí mletí, rozbíjení či rozrušování dochází ke zmenšování částic. Dosažení rozměru v řádu jednotek až desítek nanometrů je touto metodou však velmi obtížné. Proto se častěji používá metoda bottom-up, při níž se z iontového stříbra jeho redukcí a následným růstem vytvářejí stabilní nanočástice malých rozměrů.
Z technologického hlediska je však aplikace nanočástic dispergovaných ve vodě nevýhodná, protože dochází k jejich nerovnoměrnému nanesení. Částice mohou tvořit shluky, ztrácet svou funkci a rovněž mohou být z povrchu smyty. Povrch může časem zčernat vlivem působení okolního prostředí. V případě, že povrch je mikroorganismy či zelenými řasami již napaden, je velmi účinné použít disperzi nanočástic v nevodném prostředí, např. v alkoholu. Tímto způsobem dojde k zesílenému efektu dvou biocidních látek, kdy v první fázi alkohol mikroorganismy naruší nebo zcela usmrtí a po jeho odpaření začne působení nanočástic.
V Centru pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR se zabýváme využitím těchto nanočástic jako preventivní ochranu povrchů stavebních materiálů před napadením organismy, jako např. plísní Penicillium chrysogenum či zelenou řasou Chlorella vulgaris. Prokázali jsme, že nanometrové nanočástice stříbra již při velmi nízkých koncentracích účinně likvidují uvedené organismy. V současnosti se snažíme nanočástice zabudovat do gelové struktury, protože tato forma má hned několik výhod: (i) snadno se nanáší na ošetřovaný materiál, (ii) podle potřeby můžeme měnit fyzikálně-chemické vlastnosti gelu, (iii) přidat do něj i další nanočástice s odlišnou funkcí a vytvořit tak multifunkční gel.
Při využití tohoto kompozitního materiálu v praxi spolupracujeme s partnery z oblasti restaurování. Pilotní pokusy již byly provedeny na katedrále Sv. Víta a na hradbách Vyšehradu, kde je biokoroze závažným problémem. První výsledky vypadají velice nadějně.
Legenda k obrázkům
Obr. 1: Nanočástice stříbra (A, 35 nm; B, 5 nm) z pohledu transmisní elektronové mikroskopie.
Obr. 2: Kultura plísně Penicillium chrysogenum při kontaktu s nanočásticemi (vzorek 1 - 3) a ionty (vzorek 4 - 6) stříbra o různé koncentraci. Vzorek 22, kontrolní vzorek bez přítomnosti stříbra.
Testy toxicity byly provedeny v Národním archivu, Oddělení péče o fyzický stav archiválií, Mgr. Bronislavou Bacílkovou.
Autor je doktorským studentem na Ústavu fyzikální chemie Fakulty chemicko-inženýrské
