Nanofiltracja srebra: Budowa i zasada działania

Szczegóły: Opublikowano: 20. December 2025

W obecnych czasach możemy zaobserwować intensywny rozwój wielu gałęzi nanotechnologii. Nanostruktury srebra znalazły niezwykle szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach życia dzięki szczególnym właściwościom.

Zastosowanie nanostruktur srebra

W medycynie nanosrebro posiada ogromny potencjał aplikacyjny ze względu na właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Jest ono wykorzystywane do dezynfekcji pomieszczeń medycznych, aby zapobiec zakażeniu pacjentów oraz personelu. Stosowane obecnie środki do dezynfekcji są coraz mniej skuteczne przeciw niektórym szczepom bakterii.

W celu leczenia ran, takich jak owrzodzenia czy oparzenia, stosowane są opatrunki zawierające nanosrebro. Pierwszy komercyjny opatrunek z nanostrukturami srebra -,,Anticoat” wykonany jest z dwóch warstw membran poliamidu estrowego, które są pokryte nanokrystalicznym srebrem. Zmniejsza on czas gojenia się ran o średnio 3,35 dnia w stosunku do zwykłych opatrunków.

Nanocząsteczki srebra są łączone również z materiałami takimi jak związki mineralne czy polimery, które to używane są w implantologii. To połączenie poprawia skuteczność biobójczą przeciwdziałając agregacji cząstek, która jest jednym z poważniejszych problemów występujących w stosowaniu implantów. Jednym z pierwszych wszczepów zawierających nanostruktury srebra była sylikonowa zastawka serca zaprojektowana w celu zapobiegania infekcjom bakteryjnym oraz w celu zmniejszenia reakcji zapalnej.

W stomatologicznej implantologii płytki tytanowe łączone są z nanosrebrem. Dzięki takiemu zastosowaniu bakterie takie jak Porphyromonas gingivalis oraz Actinobacillus actinomycetemcomitans, które powodują choroby przyzębia, nie bytują na implantach. W stomatologii coraz częściej są stosowane preparaty z dodatkiem nanosrebra w celu wyeliminowania bioty bakteryjnej. Obecnie są one najczęściej wykorzystywane w endodoncji.

Przeczytaj także: Korzyści z nanofiltracji w mleczarstwie

Ze względu na działania niepożądane i niską biodostępność leków dostarczanych drogą konwencjonalną zaczęto stosować AgNPs jako nośniki szerokiej gamy składników terapeutycznych, takich jak farmaceutyki czy przeciwciała. Poprawie ulegają również takie cechy jak wydłużenie czasu działania leku czy czas uwalniania substancji aktywnej. Powierzchnia nanocząstek jest zdolna do przyłączenia ligandów, które pozwalają na dystrybucję leków do ściśle określonych miejsc w układzie biologicznym.

Ponadto produkty z nancząsteczkami srebra znalazły zastosowanie jako: związki zastępujące staw, substancje powlekające soczewki kontaktowe i cewniki oraz w diagnostyce raka.

Dziedziną, w której nanocząsteczki srebra mogą znaleźć powszechne zastosowanie jest inżynieria tkankowa. Ma ona na celu hodowlę tkanek lub całych narządów w warunkach laboratoryjnych. W hodowli tkankowej rusztowanie dla komórek mogą stanowić naturalne, jak i sztuczne materiały, które odtwarzają kształt organów lub tkanek. Podczas namnażania komórek na rusztowaniu ważne jest, aby zachować sterylność.

W kosmetologii nanosrebro wykorzystywane jest przede wszystkim ze względu na swoje właściwości biobójcze. Ponadto nanocząstki nie przenikają zbyt łatwo przez barierę skóry i wykazują skutecznie działanie przeciwko różnym grupom drobnoustrojów nawet przy niskich stężeniach.

Coraz częściej spotykane jest wykorzystanie nanocząsteczkowego srebra w budownictwie. Jest ono stosowane w materiałach takich jak: sidingi, izolacje, farby malarskie czy pokrycia dachowe. Zastosowanie nanometrycznego srebra sprawia, że materiały budowlane stają się odporne na działanie mikroorganizmów.

Przeczytaj także: Ultrafiltracja i Nanofiltracja – co wybrać?

Zastosowanie nanoczątek srebra w odkażaniu dokumentów archiwalnych i powierzchni obiektów historycznych jest wynikiem silnych właściwości przeciwdrobnoustrojowych nanosrebra. Zbadano, że nanostruktury srebra o stężeniu 90 ppm i rozmiarze od 10 do 100 nm są skuteczne w usuwaniu mikroorganizmów z badanych obiektów znajdujących się w muzeach i archiwach. Ponadto przy stężeniu wynoszącym 45 ppm usunięto 94% wszystkich drobnoustrojów z wyjątkiem bakterii takich jak Bacillus subtilis i Staphylococcus xylosus, które to wykazują oporność.

Nanometryczne srebro znajduje także zastosowanie w ochronie środowiska pracy oraz środowiska naturalnego. Przeciwdrobnoustrojowe właściwości nanostruktur sprawiają, że są one wykorzystywane w systemach oczyszczana wody i powietrza z zanieczyszczeń pochodzenia biologicznego i chemicznego. W trakcie przeprowadzonych w 2008 roku badań ukazano, że fragmenty filtrów powietrza, które zostały zbudowane z włókna węglowego z dodatkiem nanosrebra o rozmiarach od 12 do 15 nm wykazują całkowite zahamowanie wzrostu drobnoustrojów takich jak Bacillus subtilis i Escherichia coli już po 10-minutowym kontakcie.

Nanotechnologia znajduje bardzo ważne zastosowanie w rolnictwie i produkcji zwierzęcej. Głównym zadaniem substancji wzbogaconych nanosrebrem jest sterylizacja wyposażenia i budynków inwentarskich i fermowych, szklarni, magazynów, narzędzi, miejsc składowania odchodów zwierzęcych, żywności, opakowań, pojemników do przechowywania ściółki i pasz. W produkcji zwierząt nanocząsteczki srebra są stosowane do odkażania wymion, kopyt i racic zwierząt gospodarskich.

Zagrożenia związane z nanocząsteczkami srebra

Powszechna obecność produktów zawierających nanocząstki srebra sprawia, że obawy odnośnie ich stosowania stają się coraz większe. Mimo tego, że nanostruktury od zawsze występują w naturze to dynamiczny wzrost ich produkcji oraz rozwój nanotechnologii sprawiły, że w ostatnich latach obserwujemy zwiększenie liczby badań nad efektem ich działania na eukarionty i środowisko naturalne.

Nanocząsteczki zwykle charakteryzują się innymi właściwościami niż ich odpowiedniki w makroskopowej skali. Dlatego też badania nad toksycznością powinny być przeprowadzane osobno dla nanomateriałów. W przypadku zastosowań biologicznych zmniejszenie rozmiaru metalu do skali nanometrycznej wiąże się ze wzrostem cytotoksyczności. Jest to związane między innymi z większą powierzchnią czynną, przez co zwiększoną reaktywnością i oddziaływaniem z innymi związkami w otoczeniu w porównaniu z materiałami konwencjonalnymi. Wykazują się one również wyższą bioprzyswajalnością, przez co łatwiej ulegają adsorpcji w konkretnych narządach, tkankach i komórkach.

Przeczytaj także: Zastosowania mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofiltracji

Ponadto nanostruktury zachowują się jak nośniki zanieczyszczeń, zwiększając ich rozprzestrzenianie w środowisku. Zagrożeniem dla środowiska naturalnego najczęściej stają się nanocząsteczki projektowane. Biorąc pod uwagę ich obieg, stwierdza się, że przenikają one do systemów naturalnych, takich jak powietrze, woda oraz gleby przez ścieki przemysłowe i komunalne oraz w postaci substancji dodawanych do środków ochrony roślin. Potencjalnym zagrożeniem dla środowiska jest bioakumulacja nanocząstek w tych systemach.

Ważną kwestią w ocenie toksyczności nanostruktur projektowanych jest określenie czy i w jakim stopniu ulegają one degradacji w środowisku. Nanostruktury srebra wykazują się dużą aktywnością biobójczą. Przenikając do środowiska naturalnego, stanowią poważny problem w prawidłowym funkcjonowaniu ekosystemów, w szczególności mikroorganizmów występujących w glebie. Nanosrebro eliminując podatne na jego działanie gatunki obniża ich bioróżnorodność. Stanowi ono zagrożenie dla drobnoustrojów stosowanych w procesach bioremediacji gruntów i biodegradacji zanieczyszczeń.

Ponadto nanocząstki srebra zagrażają bakteriom z rodzaju Bradyrhizobium, które to odpowiedzialne są za wiązanie azotu, co może prowadzić do zaburzenia cyklu obiegu pierwiastków. Nanocząsteczki przedostają się do środowiska naturalnego ze źródeł powierzchniowych lub punktowych. Źródła punktowe to oczyszczalnie ścieków, spalarnie i składowiska odpadów oraz miejsca produkcji nanostruktur. Natomiast powierzchniowe źródła są związane z uwalnianiem nanocząstek poprzez użytkowanie produktów, które je zawierają. Przykładem źródła tego rodzaju jest uwalnianie jonów srebra i srebra w postaci koloidalnej ze skarpetek zwierających nanosrebro.

Ponadto w wodach odpływowych z pralki, wzbogaconej o nanosrebro, jego zawartość wynosiła 11 µg / l. Przedostawanie się nanocząstek do atmosfery następuje w spalarniach podczas utylizacji produktów zawierających nanostruktury. Jest ona obciążona tego typu zanieczyszczeniami w mniejszym stopniu porównując ją do innych systemów naturalnych. Stopień zagrożenia wód gruntowych jak i powierzchniowych przez nanometale jest nieznany. Jednakże potencjalne zagrożenie wynikające z ich transportu do tych zbiorników wodnych może być większe niż sądzono, gdyby nanosrebro tworzyło stabilne zawiesiny w wodzie.

Z tego względu istnieje potrzeba określenia dokładnego zachowania i mobilności nanostruktur srebra w środowisku. Toksyczność, biodostępność i mobilność nanosrebra jest uwarunkowana stabilnością koloidalną, na którą wpływają czynniki takie jak warunki środowiskowe, pH czy siła jonowa. Badania wykazują, że naturalne substancje organiczne, które występują w wodzie, wpływają znacząco na właściwości srebra, co ma wpływ na toksyczność i transport nanometrycznego srebra w środowisku wodnym.

Wykazano, że nanocząstki srebra wykazują toksyczne działanie na organizmy wodne. Działają one niekorzystnie między innymi na pstrąga tęczowego uszkadzając jego hepatocyty czy wywierając niekorzystny wpływ na zarodki danio pręgowanego.

Ocena ryzyka i badania toksyczności

Ocenę ryzyka dla środowiska, wywołanego przez nanostruktury, wykonuje się porównując przewidywane stężenie badanej substancji w środowisku (PEC) do stężenia tego związku bez przewidywanego działania w środowisku (PNEC). Pierwotnie nanocząstki srebra uważane były za nietoksyczne dla komórek zwierząt. Ich przedawkowanie wiązało się jedynie z efektem ubocznym, który objawiał się zmianą pigmentacji skóry, zwaną srebrzycą.

W wielu badaniach wykazano, że nanocząstki srebra mogą się dostać do organizmu przez drogę pokarmową oraz inhalacyjną. Natomiast badania nad przedostawaniem się AgNPs drogą dermalną nie są jednoznaczne. Poprzez wdychanie, nanosrebro dociera do płuc, skąd jest wchłaniane do krwioobiegu. W ten sposób dostaje się ono do narządów wewnętrznych.

Większość doświadczeń, w których bada się toksyczność nanosrebra, prowadzona jest w warunkach in vitro. Jak dotąd eksperymenty wykonywano na komórkach ryb, glonów, skorupiaków, pierwotniaków i nicieni oraz na liniach komórkowych pochodzących od ssaków. Badania in vivo przeprowadzano na kawii, myszach, szczurach, królikach, rybach oraz na świni domowej.

W doświadczeniach, w których nanocząsteczki srebra dostawały się do organizmu poprzez inhalację, zauważono, że mają one wpływ głównie na wątrobę i płuca, gdzie powodowały procesy zapalne i zmiany histopatologiczne. U zwierząt narażanych drogą pokarmową, obserwowano zmiany histopatologiczne jelit, wzrost aktywności enzymów oraz procesy zapalne w wątrobie i jelitach. Nanocząsteczki docierając do mózgu wywoływały efekty neurotoksyczne między innymi powodując zaburzenia pamięci krótkotrwałej oraz obniżenie wyników oceniających funkcje poznawcze.

Ponadto wykazano genotyksyczne działanie nancząstek srebra. W badaniach w warunkach in vitro wykorzystując test kometowy i mikrojądrowy uzyskano wyniki, które świadczyły o uszkodzeniu DNA komórek. Jednakże w badaniach in vivo nie udało się potwierdzić takiego działania srebra. Istnieją również niepokojące wyniki, które ukazują szkodliwy wpływ AgNPs na rozrodczość.

Ze względu na szybki rozwój nanotechnologii i wprowadzenie nanocząstek do wielu produktów użytkowych należy zastanowić się nad ich bezpieczeństwem. Z racji tego, że większość badań toksyczności nanocząsteczek srebra opiera się na eksperymentach komórkowych in vitro i stosunkowo krótkotrwałych eksperymentach na zwierzętach, należy zwrócić szczególną uwagę na wpływ nanosrebra na ludzi, szczególnie narażonych zawodowo. Obecnie w Polsce obowiązuje najwyższe dopuszczalne stężenie srebra (NDS), które dotyczy frakcji wdychanej, wynoszące 0,05 mg/m3. Natomiast nie zostało do tej pory ustalone najwyższe dopuszczalne stężenie pułapowe ani najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe. Normatyw ten został ustalony w 1983 roku.

Synteza nanocząsteczek srebra

W celu syntezy nanocząstek stosuje się dwie główne strategie. Pierwsza z nich - bottom-up - opiera się na osiągnieciu skali nano poprzez budowę od podstaw, począwszy od pojedynczych atomów, przez dodawanie kolejnych. W zależności od pożądanych właściwości końcowego produktu, materiałem budulcowym mogą być atomy, cząsteczki lub nanostruktury. Ze względu na możliwość dużej kontroli nad rozmiarem, metoda bottom-up jest najczęściej stosowaną metodą syntezy nanocząstek.

Druga grupa metod - top-down - polega na podziale makroskopowego materiału na cząsteczki o rozmiarach nanometrycznych. Najczęściej syntetyzuje się nanocząsteczki srebra na drodze chemicznej. Zalety tych metod to precyzja w modelowaniu wielkości nanocząstek, łatwość prowadzenia syntezy, jej krótki czas oraz niskie koszty. Najbardziej powszechnym podejściem do chemicznych metod wytwarzania AgNPs jest redukcja soli srebra organicznymi i nieorganicznymi środkami redukującymi i stabilizacja powstałego roztworu.

Morfologia nanosrebra może być kontrolowana przez dobranie odpowiednich parametrów syntezy oraz stężeń odczynników. Uzyskanie większych nanocząstek wiąże się ze zmniejszeniem stosunku molowego soli srebra do reduktora. Natomiast mniejszy stosunek spowoduje powstanie mniejszych nanocząsteczek. Również dobierając odpowiednią molowość soli i stabilizatora można modyfikować wielkość cząstek. Najczęściej wykorzystywanym źródłem atomów srebra, ze względu na stałe tempo syntezy przez całą reakcję, jest AgNO3.

Ponadto stosuje się również sole takie jak AgPF6, AgBF4 czy AgClO4, jednakże wykazują się one zmniejszeniem szybkości reakcji już po około 10 minutach jej trwania. Do redukcji jonów srebra stosuje się: kwas askorbinowy, D-glukozę, etanol, utropinę, hydrochinon, formaldehyd, kwas galusowy, cytrynian sodu, bromowodorek sodu, DMD, odczynnik Tollensa oraz glikol etylenowy. W procesie syntezy powstaje zawiesina nanocząstek srebra, która wykazuje predylekcję do tworzenia agregatów. Dlatego też istotne jest dodawanie substancji stabilizujących.

Nanofiltracja w praktyce: Systemy uzdatniania wody

Nanofiltracja jest jedną z najnowocześniejszych technik, która wykorzystuje nanotechnologię w technice membranowego uzdatniania wody. Aktualnie jest ona najbardziej rozwijaną technologią membranową. Dzięki wykorzystaniu procesu dyfuzji uzyskujemy - podobnie jak w systemach odwróconej osmozy - wodę bardzo wysokiej jakości jednak niepozbawioną wartościowych związków mineralnych.

Membrana nanofiltracyjna usuwa jony dwuwartościowe oraz wszelkie mikrozanieczyszczenia i związki nieorganiczne, a także pestycydy, metale ciężkie i azotany. Czysta woda pozbawiona jest także uciążliwego węglanu wapnia (w ok. Rozmiar otworów w membranie nanofiltracyjnej wynosi około 0,001 mikrona. Na drugą stronę membrany przedostaje się woda pozbawiona bakterii, wirusów oraz wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń pozostawiając jednocześnie cenne, naturalne minerały. Zanieczyszczenia wypłukiwane są do kanalizacji.

Kolejną cechą charakterystyczną membrany nanofiltracyjnej jest redukcja jonów wielowartościowych - wapnia i siarczanów. Ten fakt oznacza, iż system nanofiltracji funkcjonuje jako naturalny zmiękczacz wody beż używania środków chemicznych czy złóż.

Przykłady systemów nanofiltracyjnych:

Aquaphor Morion: Kompaktowy system odwróconej osmozy z wbudowanym zbiornikiem. Usuwa chlor, fenole, pestycydy i związki organiczne. Dostępna jest wersja z wkładem jonizującym Biocera.
Nano Pad: System uzdatniania wody zaprojektowany jako najmniejsze i najbardziej wydajne urządzenie do uzyskiwania czystej wody do celów spożywczych. Usuwa z wody węglan wapnia (twardość 60-80%) jednak pozostawia cenne związki mineralne.
AWS 3: Innowacyjne urządzenie do filtracji wody z technologią Direct-Flow. Zawiera turmalin, który poprawia parametry wody.

Zalety nanofiltracji

Oczyszczanie wody z zanieczyszczeń chemicznych (pestycydy, nawozy sztuczne, detergenty, metale ciężkie, azotany, lekarstwa itp.).
Usuwanie rozpuszczalnych związków chemicznych.
Zachowanie wartościowych związków mineralnych w wodzie.
Redukcja jonów wielowartościowych (wapnia i siarczanów).
Działanie jako naturalny zmiękczacz wody bez używania środków chemicznych.

Wpływ na zdrowie i środowisko

Wybierając system nanofiltracji, można cieszyć się dodatkowym poziomem bezpieczeństwa. Sterowanie filtra wody może być podłączone do płytki antyzalaniowej. Bardzo łatwy montaż pozwala na szybkie uruchomienie systemu. Wystarczający wypływ wody zapewnia dostęp do czystej wody na bieżąco.

Nanofiltracja to inwestycja w zdrowie i środowisko. Pozwala zrezygnować z kupowania wody butelkowanej i cieszyć się czystą wodą prosto z kranu.

Tabela porównawcza systemów filtracji wody

System filtracji	Zalety	Wady	Zastosowanie
Odwrócona osmoza	Bardzo dokładne oczyszczanie, usuwanie większości zanieczyszczeń	Usuwanie minerałów, większy odrzut wody	Gospodarstwa domowe, przemysł
Nanofiltracja	Dokładne oczyszczanie, zachowanie minerałów, mniejszy odrzut wody	Mniej dokładne oczyszczanie niż odwrócona osmoza	Gospodarstwa domowe, przemysł spożywczy
Ultrafiltracja	Usuwanie bakterii i wirusów, zachowanie minerałów	Nie usuwa rozpuszczonych zanieczyszczeń chemicznych	Gospodarstwa domowe, wstępna filtracja

tags: #nanofiltracja #srebro #budowa #zasada #działania