Identifikācijas numurs: Nr.1.1.1.1/21/A/050

Tips: ERAF

Projekta ilgums: 01.01.2022 - 30.11.2023

Projekta vadītājs: Dr.hab.phys. Juris Purāns

Sadarbības partneris:

  • Latvijas Biomedicinas petijumu un studiju centrs (LBMC)
  • SIA SIDRABE Vacuum

Kopējais finansējums:

Projekta kopejas budžets ir 500 000 euro ar ERAF ieguldijumu 425 000 euro apmērā.

Projekta mērķis:

Šī rūpnieciskās izpētes projekta mērķis ir attīstīt progresīvu “roll-to-roll (turpmāk R2R) fizikālu tvaiku uzputināšanas  tehnoloģiju jauna tipa daudzfunkcionālu antibakteriālu un antivirālu (MABAV) pārklājumu ražošanai lielā apjomā. Mēs ierosinām izgatavot un izpētīt MABAV materiālus plāno kārtiņu un daudzslāņu veidā ar fotohromām,  gaismu caurspīdīgām un elektrovadošām daudzfunkcionālām īpašībām, kuru pamatā ir retzemju oksihidrīdi (REHO) un metāla oksīdi (MO) kombinācijā ar metāla un citiem piemaisījumiem.

Projekta kopsavilkums:

Covid-19 pandēmija ir radījusi nepieciešamību pēc jauniem veidiem, kā pazemināt patogēnu pretestību. Patogēni spēj uzturēties pietiekami ilgi uz dažādu veidu virsmām, izraisot dažādu infekcijas slimību transmisiju [1], kas nepārtraukti apdraud cilvēku veselību un negatīvi ietekmē ekonomiku. Slimnīcas vide ir epicentrs un uzliesmojumu vieta lielākajai daļai infekciju (īpaši elpceļu patogēnu izraisītām infekcijām), kuras uzrāda izturību pret antibiotikām. Saskaņā ar Eiropas slimību profilakses un kontroles centra datiem Eiropā tiek lēsts, ka katru gadu vairāk nekā četri miljoni cilvēku iegūst ar veselības aprūpi saistītas infekcijas (VASI) [2]. Turklāt mikroorganismu izturība pret antibiotikām katru dienu pastiprinās, vides izmaiņu un mikroorganismu pielāgošanās spēju dēļ. Šo iemeslu dēļ mūsdienās ir steidzami jāizstrādā uzlaboti risinājumi. Zināšanas par baktēriju, sēnīšu, vīrusu un vienšūņu izdzīvošanu uz virsmām un līdz ar to plašākā nozīmē arī cilvēka vidē ir svarīgas, lai plānotu un īstenotu taktiku pret HCAI izplatību [3].

Šī rūpnieciskās izpētes projekta ietvaros tiks attīstīta progresīva “roll-to-roll (turpmāk R2R) fizikālu tvaiku uzputināšanas  tehnoloģija jauna tipa daudzfunkcionālu antibakteriālu un antivirālu (MABAV) pārklājumu ražošanai lielā apjomā. Tiks izgatavotas un pētītas MABAV materiāli plāno kārtiņu un daudzslāņu veidā ar fotohromām,  gaismu caurspīdīgām un elektrovadošām daudzfunkcionālām īpašībām, kuru pamatā ir retzemju oksihidrīdi (REHO) un metāla oksīdi (MO) kombinācijā ar metāla un citiem piemaisījumiem.

Pielietojumi: viedie logi/stikli, viedās folijas/loksnes (kā starpsienas un barjeras sabiedriskās vietās) un caurspīdīgā elektronika, tostarp medicīnas ierīces, lai novērstu slimības, samazinot baktēriju un vīrusu izplatību, pievēršot uzmanību SARS-CoV-2, lai ierobežotu un samazinātu šī vīrusa izplatību un līdz ar to izraisīto slimību COVID-19.

Šo projektu īstenos Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI), vakuuma pārklājuma uzņēmums SIA SIDRABE Vacuum (SIDRABE) un Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centrs (LBMC). Šis starpdisciplinārais projekts sastāv no pētnieciskām darbībām fizikā (1.3), ķīmijā (1.4), bioloģijā (1.6) un materiālu inženierijā (2.5).

[1] Journal of Hospital Infection 99 (2018) 239-249.
[2] European Centre for Disease Prevention and Control. Point prevalence survey of healthcare-associated infections and antimicrobial use in European acute care hospitals 2011–2012. Stockholm: ECDC; 2013.
[3] Coatings 9 (2019) 654.

Sagaidāmie zinātniskie rezultāt:

Projekta ietvaros ir plānoti šādi rezultāti:

  • Jauna R2R tehnoloģija MABAV pārklājumu uzklāšanai uz plastiskas pamatnes (rezultāti: jauna tehnoloģija, patents);
  • Jaunas REHO un MO plānās kārtiņas un daudzslāņu struktūras ar uzlabotām MABAV īpašībām (rezultāti: zinātniski raksti, jauna produkta prototips, patents).
 
 

Projekta jaunumi

Par periodu: 01.10.2022.- 31.12.2022. | 2022. gada 31. decembris

Veiktās aktivitātes.

Antimikrobiālie WO3/Cu/WO3 pārklājumi tika optimizēti, samazinot abu WO3 slāņu biezumus, lai palielinātu gaismas caurlaidību un iegūtu virsmas vadāmību, jo iepriekš iegūtajiem pārklājumiem vadāmību bija iespējams noteikt tikai iekšējam Cu slānim. Optimizētajiem pārklājumiem redzamās gaismas caurlaidība sasniedz 55% pie 600 nm ar virsmas elektrisko pretestību 30 Ω/□. Paraugiem ir novērojams pakāpenisks pretestības pieaugums laika gaitā. Tika uzsākta padziļināta pārklājumu struktūras analīze ar elektronu mikroskopiju. Pārklājumu virsmu, kas ir gluda un bez defektiem vai plaisām, veido dažus desmitus nanometru lieli graudi. Paraugu šķērsgriezuma attēlos ir labi izšķirami visi trīs slāņi ar adbilstošiem biezumiem. Ar rentgenstaru fotoelektronu spektroskopiju (XPS) tika detektēta Cu klātbūtne (≈1 at.%) WO3 slāņos, kas var izskaidrot paraugu nestabilitāti Cu migrācijas dēļ.

Tika uzsākta procesa optimizācija un fotohromo ABAV pārklājumu izstrāde. Itrija metāla, oksīda un oksi-hidrīda kārtiņas tika izgatavotas ar pulsējošas līdzstrāvas magnetrono izputināšanu. Itrija oksidēšanās un dažādu fāzu veidošanās tika pētīta, mainot skābekļa parciālo spiedienu un pamatnes temperatūru. Ir iesniegts raksts “Reactive pulsed direct current magnetron sputtering deposition of semiconducting yttrium oxide thin film in ultralow oxygen atmosphere: A spectroscopic and structural investigation of growth dynamics“ žurnālā Vacuum (IF=4.1). Fotohromās YH3–2xOx kārtiņas uz stikla tika uzklātas, reaktīvi izputinot itriju jauktā Ar/H2 atmosfērā un oksidējot gaisā.

 

SIDRABE veiktās aktivitātes:

  • ar roll-to-roll (R2R) iekārtu UV-80 izgatavotas divas jaunu, liela izmēra PET/WO3/Cu/WO3 paraugu kopas pēc partneru iesniegtās specifikācijas, variējot WO3 un Cu slāņu biezumus.
  • Paraugu kvalitātes nodrošināšanai veikta PET substrāta žāvēšana, kā arī ir ieviesta substrāta apstrāde ar jonu avotu.
 

LBMC veiktā pētniecība:

Tika izveidota un aprobēta testēšanas metodika, lai novērtētu jauno nanopārklājumu antibakteriālās īpašības. Metodes pamatā ir biocīdās aktivitātes noteikšana uz virsmām saskaņā ar EN ISO 1276 un EN ISO 16615 standartiem. Lai uzlabotu skrīninga tehnoloģijas efektivitāti, testi tiek veikti 12-iedobju platēs. Turklāt baktēriju audzēšana tika pielāgota inkubācijai 96-iedobju platēs, kas ļauj ātri un droši testēt paraugus. Pašlaik protokols ir optimizēts gram-negatīvo un gram-pozitīvo baktēriju audzēšanai: Escherichia coli, Staphylococcus aureus. Ir iegūti pirmie dati par volframa oksīda saturošo nanopārklājumu biocīdo aktivitāti. Lai novērtētu antivirālo darbību, tika izvēlēti vairāki vīrusu modeļi: Semliki meža vīruss (zīdītāju RNS vīruss ar lipīdu apvalku), MS2 bakteriofāgs (neapvalkots RNS vīruss), Pf1 bakteriofāgs (filamentu vīruss ar ciklisku vienpavediena DNS). Attiecīgie vīrusi ir producēti un kvantificēti.


Par periodu: 01.07.2022.- 30.09.2022. | 2022. gada 30. septembris

Veiktās aktivitātes.

CFI:

Turpinājās jaunu WO3/Cu/WO3 paraugu izgatavošana (joprojām turpinās) ar galveno mērķi pētīt pārklājumu stabilitāti. Pārklājumi ir uzklāti uz iepriekš speciāli sagatavotām stikla pamatnēm ar elektriskiem kontaktiem, lai būtu iespēja mērīt elektrisko vadāmību ilgākā laika posmā un noteikt izgatavošanas parametru ietekmi. Turklāt šo paraugu optiskās īpašības regulāri tiek mērītas ar spektrālo elipsometru. Tiek novērots, ka gan elektriskās, gan optiskās īpašības mainās laikā un korelē ar izgatavošanas parametriem. Ir atrasti izgatavošanas parametri, kuri garantē stabilas kārtiņas, kuru fizikālās īpašības nemainās laikā. Nākamie pētījuma soļi ietver fizikālo procesu noteikšana, kas izraisa aprakstīto īpašību nestabilitāti. Šim mērķim tiks izmantotas rentgenstaru difrakcija, elipsometrijas datu padziļināta modelēšana, Ramana un infrasarkanā starojuma spektroskopija un citas metodes. Rezultāti dos papildus zināšanas anti-mikrobiālās aktivitātes interpretācijai un stabilu pārklājumu izveidei.

SIDRABE:

Projekta aizvadītajā periodā veikta roll-to-roll (R2R) iekārtas funkcionalitātes paplašināšana un uzsākta liela laukuma PET/WO3/Cu/WO3 pārklājumu izgatavošana.

  • Paraugu izgatavošanas iekārtā uzprojektēts, izgatavots un ievietots lineārais aktuators ar pārvietojamu ekrānu, lai nodrošinātu metālisku Cu kontaktu izveidošanu paraugu sānos.
  • Veikta iekārtas kalibrēšana, veicot WO3 slāņa biezuma noteikšanu atkarībā no skābekļa plūsmas, jaunas PET/WO3/Cu/WO3 liela izmēra paraugu sērijas izgatavošanai atbilstoši partneru iesniegtajai specifikācijai.
  • Uzsākta jaunās paraugu sērijas izgatavošana.
 

LBMC:

Anti-bakteriālo un anti-virālo efektu testēšanas pasākumi sevī iekļauj plašu testēšanas metodoloģiju un paņēmienu klāstu. Darbība netiek ierobežota tikai ar tradicionāli izmantojamo testēšanas metodoloģiju realizēšanu. Testēšanas standartos aprakstītas metodoloģijas tika pielāgotas esošam testējamo paraugu daudzumam un to piemērotākiem izmēriem. Optimizācijas rezultātā tiek izmantots mazāks parauga daudzums, palielinot individuālo atkārtojumu daudzumu un palielinot eksperimentu precizitāti. Optimizēta metodoloģija ir aprobēta uz vairākām baktēriju sugām, kā arī papildināta ar paņēmieniem anti-virālo efektu noteikšanai. Ar nolūku labāk saprast testējamo anti-mikrobiālo pārklājumu iedarbības mehānismus uz mikroorganismiem tiek izmantotas molekulārās testēšanas metodoloģijas. Tiek noteiktas baktēriju enzīmātiskās aktivitātes izmaiņas un reaktīvo skābekļa savienojumu producēšana kontaktā ar pārklājuma virsmu. Tika uzsākts darbs ar savvaļas tipa SARS-CoV2 (B1.1.7 līnija) vīrusu BSL3 drošības līmeņa laboratorijā. Tiks optimizēta vīrusa kultivācijas un testēšanas metodoloģija uz PET virsmas.


Par periodu: 01.04.2022.- 30.06.2022. | 2022. gada 30. jūnijs

Veiktās aktivitātes CFI:

1. Uz stikla pamatnes tika sagatavoti jauni daudzslāņu (WO3/Cu, WO3/Cu/WO3, WO3/Cu/W/WO3, ZnO/Cu/ZnO) pārklājumi komplekti ar mērķi uzlabot elektrisko vadītspēju, optisko caurspīdīgumu un antivirālo un antibakteriālo iedarbību, mainot kārtiņu biezumus.

2. Spektroskopiskās elipsometrijas mērījumi atklāja:

  • Stikls/Cu un Stikls/WO3 kārtiņas ir homogēnas:
    • Cu un WO3 optiskās īpašības ir salīdzināmas ar datu bāzē pieejamo informāciju, taču Cu elektriskā vadāmība ir par vienu kārtu zemāka (3.1×10-5 W×cm) salīdzinājumā ar references datiem (5.4×10-6 W×cm);
    • Netika novērotas gaismas laušanas un ekstinkcijas koeficientu variācijas kārtiņu dziļumā;
    • Iegūtie Cu un WO3 kārtiņu biezumi sakrīt ar plānotajām vērtībām uzputināšanas laikā.
  • Stikls/WO3/Cu un Stikls/WO3/Cu/WO3 kārtiņas ir nehomogēnas:
    • Kārtiņu dziļumā tika novērti gaismas laušanas un ekstinkcijas koeficientu variācija Cu difūzijas dēļ abos WO3 slāņos;
    • Otrā WO3 slāņa biezums (uz Cu) ir mazāks, salīdzinot ar viena slāņa WO3 kārtiņas biezumu uz stikla: iespējams, ka WO3 augšana uz Cu ir lēnāka.

3. Cu slāņa elektriskā pretestība tika mērīta Stikls/Cu/WO3 parauga izgatavošanas laikā. Iegūtā vērtība norāda uz metāliska Cu veidošanos un ir nemainīga WO3 kārtiņas uzklāšanas laikā. Secinām, ka nenorit izteikta Cu oksidācija parauga izgatavošanas procesā.

Paralēli SIDRABE turpināja R2R iekārtas sagatavi lielformāta antivirālu un antibakteriālu pārklājumu uznešanai uz PET substrātiem:

1. Realizēta PET substrāta žavēšana R2R iekārtā;

2. Nodrošināta magnetronu putināšanas procesiem nepieciešamo gāzu padeve sistēmā.

3. Nodrošināta R2R iekārtas darbība:

  • Cu un W pārklājumu metāliskajā režīmā (Ar atmosfērā) un
  • WO3 uzklāšanas režīmā (Ar un O2 atmosfēra).

4. R2R iekārtai veikta metālisko un oksīda slāņu uzklāšanas biezumu kalibrācija atkarībā no procesā padotā skābekļa daudzuma, magnetronu jaudas un spiediena kamerā.

5. Izgatavota pirmā 8 pilotparaugu sērija, kas nodota projekta partneriem tālākai izpētei. Rezultāti ļaus tālāk turpināt optimizēt pārklājumu izgatavošanas parametrus.

 

LBMC veica ZnO un Cu paraugu sēriju antimikrobiālo īpašību testēšanu, izmantojot divu veidu baktērijas, to skaitā Gram-negatīvās Escherichia coli un Gram-pozitīvās Staphylococcus aureus:

  1. ZnO un ZnO/Cu/ZnO neuzrādīja nozīmīgu antibakteriālo efektu.
  2. Ar Cu pārklāti PET paraugi parādīja antibakteriālu aktivitāti:
  • Analizējot baktēriju šūnu dzīvotspējas īpašības (MTT tests), tika konstatēts, ka vara pārklājumi samazina šūnu dzīvotspēju abu kultūru gadījumā.
  • Papildus tam, tika izmērīts reaktīvo skābekļa savienojumu (ROS) daudzums, kultivējot šūnas uz dažādiem pārklājumiem. Rezultātā, tikai varš uzrādīja reaktīvo skābekļa paveidu parādīšanās uz virsmas, izraisot nozīmīgu antibakteriālo efektu.
  • Eksperimentos ar vīrusiem, izmantojot MS2 bakteriofāgu un SFV replikācijas defektīvo cilvēka vīrusu, tika iegūti līdzīgie rezultāti, kur tikai ar Cu pārklāti PET paraugi uzrādīja statistiski nozīmīgu antivirālu efektu.
  1. S. aureus uzrādīja daudz lielāku inhibīcijas pakāpi nekā E. coli.
  2. SFV vīrusa titra noteikšanai tika izstradāta inovatīvā digitālā PCR kvantifikācijas metode, kura tika prezentēta starptautiskajā FEBS3+ konferencē, 16.06.-18.06.2022., Tallina, Igaunija. Stenda nosaukums “Quantification of alphaviral vectors using droplet digital PCR”, autori: Ksenija Korotkaja un Anna Zajakina.

Par periodu: 01.01.2022.- 31.03.2022. | 2022. gada 31. marts

Projekta sākumposmā CFI veica plāno kārtiņu magnetrona uzputināšanas iekārtas sagatavošanu, nepieciešamo metālisko un leģēto mērķu iepirkuma saraksta sastādi un pirmo izveidoto kārtiņu raksturošanu:

  1. magnetronu uzputināšanas procesa optimizēšana, pirmo vienslāņu (Cu, ZnO, WO) un daudzslāņu (WO3/Cu/WO3, WO3/Cu/W/WO3, ZnO/W/ZnO) kārtiņu izgatave.
  2. sastādīts iegādājamo mērķu saraksts, lai izveidotu inovatīvas vienslāņu un daudzslāņu MABAV pārklājumus uz stikla un plastmasas plēvēm:
  • zelta (Au) stieple, 1 grams, 99.99% tīrība, 1.0 mm diametrs
  • sudraba (Ag) stieple, 1 pēda, 99.99% tīrība, 1.5 mm diametrs
  1. caurspīdīgu vadošu plāno kārtiņu UV-VIS-IR spektroskopiskie mērījumi, lai noteiktu kārtiņu atstarošanās, caurstarošanās un absorbcijas spektrus.
  2. caurspīdīgu vadošu plāno kārtiņu spektroskopiskās elipsometrijas mērījumi, lai novērtētu kārtiņu biezumu un kvalitāti (optisko konstanšu dispersijas līknes, aizliegtā zona, optiskais gradients, virsmas raupjība).

SIDRABE projekta sākumposmā pielāgoja Roll-to-roll (R2R) iekārtu darbam pētījumā nepieciešamo plāno kārtiņu uzklāšanai:

  1. tika veikta putināšanas kameras hermētiskuma un nepieciešamā augstvakuuma stāvokļa pārbaude, un novērstas atrastās nepilnības;
  2. tika veikta magnetronu dzesēšanas sistēmas tīrīšana un hermētiskuma pārbaude;
  3. tika veikti plēves tīšanas sistēmas uzlabojumi;
  4. uzstādīti W un Cu magnetroni, lai varētu veikt pirmo pārklājumu veidošanu izmēģinājuma režīmā.

LBMC izveidoja un aprobēja testēšanas metodiku saskaņā ar EN ISO 1276 un EN ISO 16615 standartiem, lai novērtētu jauno nanopārklājumu antibakteriālās īpašības, kuras izveidoja CFI projekta sākumposmā:

  1. tika optimizēts protokols gram-negatīvo un gram-pozitīvo baktēriju audzēšanai: Escherichia coli, Staphylococcus aureus;
  2. tika iegūti pirmie dati par volframa oksīda saturošo nanopārklājumu biocīdo aktivitāti;
  3. tika novērtētēta arī antivirālā darbība, izvēloties vairākus vīrusu modeļus: Semliki meža vīruss (zīdītāju RNS vīruss ar lipīdu apvalku), MS2 bakteriofāgs (neapvalkots RNS vīruss), Pf1 bakteriofāgs (filamentu vīruss ar ciklisku vienpavediena DNS). Attiecīgie vīrusi ir producēti un kvantificēti.