СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МУЛЬТИКОМПОНЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ ГИДРОКСИАПАТИТА С ОКСИТЕТРАЦИКЛИНОМ

COMPARATIVE STUDY OF ANTIBACTERIAL ACTIVITY OF MULTICOMPONENT HYDROXYAPATITE COMPOSITES WITH OXYTETRACYCLINE

Donskaya Elizaveta Sergeevna

Postgraduate student, Lecturer, Department of Chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University,

Russia, Tula

Lebedev Pavel Valerievich

Postgraduate student, Lecturer, Department of Chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University,

Russia, Tula

Sokolov Artem Alekseevich

Postgraduate student, Department of Chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University,

Russia, Tula

Sergeev Arsenij Aleksandrovich

3rd year student, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University,

Russia, Tula

Atroshchenko Yurij Mikhajlovich

Doctor of Chemical Sciences, Professor, Director of Research Institute of Chemical, Pharmaceutical and Biotechnology named after S.S. Gitis,

Russia, Tula

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы являлась сравнительная оценка антибактериальной активности мультикомпонентных композитов на основе гидроксиапатита и окситетрациклина, модифицированных добавками различной природы, по отношению к модельным грамположительным (Enterococcus durans) и грамотрицательным (Escherichia coli) бактериям. Установлено, что для борьбы с грамотрицательными инфекциями наиболее эффективны композиты, в состав которых входит каолинит и этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль, а для грамположительных композит составом гидроксиапатит-окситетрациклин. Выявлено, что бентонит и олеат натрия снижают скорость высвобождения и биодоступность окситетрациклина из матрицы композита, а цетилтриметиламмоний бромид не демонстрировал значимого модифицирующего эффекта.

ABSTRACT

The aim of this study was to comparatively evaluate the antibacterial activity of multicomponent composites based on hydroxyapatite and oxytetracycline, modified with additives of various chemical natures, against model Gram-positive (Enterococcus durans) and Gram-negative (Escherichia coli) bacteria. It was established that composites incorporating kaolinite and ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt are most effective against Gram-negative infections, whereas the binary hydroxyapatite-oxytetracycline composite demonstrates the highest efficacy against Gram-positive bacteria. It was found that bentonite and sodium oleate reduce the release rate and bioavailability of oxytetracycline from the composite matrix, while cetyltrimethylammonium bromide did not exhibit any significant modifying effect.

Ключевые слова: окситетрациклин; гидроксиапатит; антибактериальная активность; цетилтриметиламмония бромид; этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль; бентонит; каолинит; олеат натрия.

Keywords: oxytetracycline; hydroxyapatite; antibacterial activity; cetyltrimethylammonium bromide; ethylenediaminetetraacetic acid; bentonite; kaolinite; sodium oleate.

Благодарности и финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства просвещения РФ (Госзадание № 073-00098-26-02 от 17.02.2026 года на тему «Гибридные наноматериалы для медицины»).

Acknowledgements and Funding: This work was supported by the Ministry of Education of the Russian Federation (State Assignment No. 073-00098-26-02 dated February 17, 2026, on the topic «Hybrid Nanomaterials for Medicine»).

Неорганические сорбенты, например гидроксиапатит, благодаря высокой удельной площади поверхности и катионообменной способности, могут быть эффективными сорбентами для различных антибиотиков, а также матрицей для контролируемого высвобождения молекул лекарственных веществ [1]. Гидроксиапатит является основным неорганическим компонентом костной ткани и зубной эмали позвоночных [2]. Благодаря своей гексагональной кристаллической структуре, гидроксиапатит обладает биосовместимостью, биоактивностью и остеоиндуктивностью [3]. Важной особенностью кристаллической решетки является ее высокая пластичность и способность к изоморфному замещению.

Одной из ключевых характеристик гидроксиапатита является его высокая адсорбционная емкость. Поверхность наночастиц гидроксиапатита богата активными центрами, способными участвовать в реакциях ионного обмена, электростатического притяжения и поверхностной комплексации [4]. Это обеспечивает эффективное связывание широкого спектра органических молекул, включая антибиотики тетрациклинового ряда, такие как окситетрациклин [5].

В чистом виде гидроксиапатит обладает крайне низкой собственной антибактериальной активностью и считается биологически инертным материалом [6]. Однако его антимикробные свойства могут быть целенаправленно активированы и усилены за счет добавки в его структуру некоторых антибактериальных материалов. В связи с этим были сделаны синтезы с внедрением окситетрациклина и добавочных компонентов, таких как этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль, цетилтриметиламмония бромид, бентонит, каолинит, олеат натрия. Данные компоненты могут способствовать к увеличению или угнетению ингибирования зон роста бактерий: этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль – хелатирующий агент, способный связывать ионы кальция на поверхности бактерий, нарушая целостность их наружной мембраны и повышая проницаемость для антибиотиков (особенно актуально для грамотрицательных штаммов); глинистые минералы (каолинит и бентонит) – природные алюмосиликаты с высокой сорбционной емкостью и слоистой структурой, способные регулировать скорость десорбции окситетрациклина за счет механизмов интеркаляции; поверхностно-активные вещества (цетилтриметиламмония бромид, олеат натрия) – добавки, способные изменять поверхностное натяжение и гидрофобность композита, что потенциально может влиять на адгезию материала к бактериальной клетке и скорость диффузии антибиотика [7].

Синтез композитов проводили методом соосаждения из водных растворов. В реакционную емкость одновременно вносили водные растворы нитрата кальция Ca(NO₃)₂ и гидрофосфата натрия Na₂HPO₄, а также раствор окситетрациклина и соответствующую модифицирующую добавку (этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль, цетилтриметиламмония бромид, бентонит, каолинит или олеат натрия). Синтез проводился при постоянной температуре 40°C и постоянном перемешивании (1000 об/мин) с контролем среды pH 10 в течение 1 часа. По окончании реакции образовавшийся осадок отделяли центрифугированием, промывали дистиллированной водой для удаления непрореагировавших компонентов, после чего высушивали до постоянной массы при температуре 40°C. Массовое соотношение компонентов в синтезе составляло 1:0,5:0,5 (гидроксиапатит:окситетрациклин:модифицирующая добавка).

В результате были получены следующие образцы: контроль – гидроксиапатит–окситетрациклин (ГА-ОТЦ), а также серия мультикомпонентных композитов – ГА-ОТЦ-ЭДТА (с этилендиаминтетрауксусной кислотой динатриевой солью), ГА-ОТЦ-ЦТАБ (с цетилтриметиламмоний бромидом), ГА-ОТЦ-Бт (с бентонитом), ГА-ОТЦ-Кт (с каолинитом) и ГА-ОТЦ-Олеат (с олеатом натрия).

Для оценки микробиологической активности был использован диско-диффузионный тест на среде LB (Lysogeny broth). Диски анализируемого образца помещали на поверхность агаризованной среды вместе с бактериями. Далее чашки инкубировали при 37°C в течение 48 часов, измеряли диаметр зоны ингибирования (подавления роста) после периода инкубации. Опыты проводили в трехкратной повторности. В качестве контроля (К) был взят образец состава гидроксиапатит-окситетрациклин. В качестве микроорганизмов были использованы грамотрицательная (Escherichia coli) и грамположительная (Enterococcus durans) бактерии.

Результаты исследования антибактериальной активности синтезированных композитов по сравнению с контролем (К) представлены на рисунке 1 и в таблице 1.

Таблица 1.

Состав и антибактериальная активность по отношению к E.coli и E. durans композиций на основе гидроксиапатита

Рисунок 1. Сводный график зон ингибирования композитов по отношению к бактериям

В отношении E. coli наиболее высокую эффективность продемонстрировал композит с добавкой каолинита (ГА-ОТЦ-Кт), который подавляет рост бактерии на 38,6 % эффективнее контроля. Добавка этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевой соли также увеличила активность на 20,2 %. Олеат натрия показал незначительное увеличение активности на 3,3 %, действуя как пермеабилизирующий агент. Цетилтриметиламмоний бромид практически не повлиял на активность (снижение на 2,7 %), что может быть связано с тем, что положительно заряженный цетилтриметиламмоний бромид прочно связался с отрицательно заряженной поверхностью гидроксиапатита или с самим окситетрациклином на этапе синтеза, тем самым блокируя высвобождения антибиотика в среду. Бентонит показал снижение активности на 15,9 %, что может указывать на чрезмерно сильную адсорбцию окситетрациклина на бентоните, затрудняющую его высвобождение.

Против E. durans все модифицированные композиты показали снижение активности к ингибированию по сравнению с контролем. Наибольшее снижение активности (10,4 %) продемонстрировал композит с олеатом натрия. Бентонит снизил активность на 8,7 %, цетилтриметиламмоний бромид – на 6,7 %, этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль – на 3,2 %, а каолинит – на 1,7 %. Это свидетельствует о том, что в случае грамположительных бактерий дополнительные модификаторы могут создавать стерические или электростатические барьеры, блокирующие оптимальный доступ антибиотика к мишеням внутри клетки, тогда как чистая система ГА-ОТЦ обеспечивает наиболее сбалансированную кинетику высвобождения для данного типа микроорганизмов.

Вместе с тем анализ полученных данных показал, что в целом, грамположительная культура E. durans демонстрирует более высокую чувствительность ко всем исследуемым композитам по сравнению с грамотрицательной E. coli. Это различие обусловлено особенностями строения клеточной стенки: у грамположительных бактерий отсутствует защитная наружная мембрана с липополисахаридами, что облегчает проникновение молекул окситетрациклина и модификаторов непосредственно к цитоплазматической мембране и рибосомам.

Список литературы:

1. Ghadiri M., Chrzanowski W., Rohanizadeh R. Biomedical applications of cationic clay minerals // RSC Adv. – 2015. – Т. 5, № 37. – P. 29467⁠–⁠29481.
2. Dorozhkin S.V. Nanodimensional and nanocrystalline apatites and other calcium orthophosphates in biomedical engineering, biology and medicine // Materials. – 2010. – Т. 3, № 3. – P. 1821⁠–⁠1884.
3. Uskoković V., D.P. Uskoković, V., D.P. Nanosized hydroxyapatite and other calcium phosphates: Chemistry of formation and application as drug and gene delivery agents // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. – 2011. – Т. 96, № 1. – P. 152⁠–⁠191.
4. Wang Y., Zhu L., Wang X. & Wang Y. Hydroxyapatite-based materials for environmental remediation: A review // Chemosphere. – 2020. – Т. 258.
5. Harja, M. Ciobanu, GStudies on adsorption of oxytetracycline from aqueous solutions onto hydroxyapatite // Science of The Total Environment. – 2018. – Т. 628. – P. 36⁠–⁠43.
6. Figueiredo M., Fernando A., Martins G., Freitas J., Judas, F. & Figueiredo, H. Effect of the calcination temperature on the composition and microstructure of hydroxyapatite // Ceramics International. – 2010. – Т. 36, № 8. – P. 2383⁠–⁠2393.
7. Dizman B., Badger J., Elasri M., Mathias L. Antibacterial fluoromicas: a novel delivery medium // Appl. Clay Sci. – 2007. – Т. 38. – P. 57⁠–⁠63.