MicrobiologyMicrobiologyМикробиология0026-36563034-5464The Russian Academy of Sciences69875810.7868/S3034546425060134EXPERIMENTAL ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleFunctional Chitosan Films with Improved Physico-Mechanical and Antibacterial Properties Against Bacillus subtilis and Escherichia coliФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ ИЗ ХИТОЗАНА С УЛУЧШЕННЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ ПРОТИВ BACILLUS SUBTILIS И ESCHERICHIA COLIPopyrinaT. N.ПопыринаТ. Н.tanjapopyrina@yandex.ruAlkhairA. Ya.АльхаирА. Я.email@example.comAksenovaN. A.АксеноваН. А.email@example.comGoncharukG. P.ГончарукГ. П.email@example.comIvanovP. L.ИвановП. Л.email@example.comKirshI. A.КиршИ. А.email@example.comAkopovaT. A.АкоповаТ. А.email@example.comEnikolopov Institute of Synthetic Polymeric Materials RASИнститут синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАНRussian Biotechnology UniversityРоссийский биотехнологический университетInstitute for Regenerative Medicine, Sechenov First Moscow State Medical UniversityИнститут регенеративной медицины Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. СеченоваN.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics RASФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН16122025946VOL 94, NO6 (2025)ТОМ 94, №6 (2025)65366316122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://snv63.ru/0026-3656/article/view/698758

By complexation of chitosan obtained by a mechanochemical method in a twin-screw extruder with dextran sulfate in different ratios (1 : 1, 1 : 2, and 2 : 1), nanoparticles were formed and studied by dynamic laser light scattering to evaluate their hydrodynamic radius and zeta potential. The effect of an increase in the filler concentration in the form of the obtained nanoparticles (from 0 to 5%) on the physico-mechanical characteristics of chitosan-based films, as well as their antimicrobial activity against the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis, the Gram-negative bacterium Escherichia coli and the mycelial fungus Aspergillus niger, was evaluated. The results showed that the properties of the films depend on the concentration of the nanoscale filler, providing the best indicators of deformation and strength properties, opacity and antibacterial activity with the highest content of nanoparticles. Thus, in the course of the study, chitosan’s capabilities, such as film formation and complexation, were used to demonstrate the potential of producing packaging materials based on it with improved functional properties with minimal resource costs.

Путем комплексообразования хитозана, полученного механохимическим способом в двухшнековом экструдере, с сульфатом декстрана в разных соотношениях (1 : 1, 1 : 2 и 2 : 1) сформованы наночастицы и исследованы методом динамического лазерного светорассеяния для оценки их гидродинамического радиуса и дзета-потенциала. Проведена оценка влияния роста концентрации наполнителя в виде полученных наночастиц (от 0 до 5%) на физико-механические характеристики пленок на основе хитозана, а также их антимикробную активность в отношении грамположительной бактерии Bacillus subtilis, грамотрицательной бактерии Escherichia coli и мицелиального гриба Aspergillus niger. Результаты показали, что свойства пленок зависят от концентрации наноразмерного наполнителя, обеспечивая наилучшие показатели деформационно-прочностных свойств, непрозрачности и антибактериальной активности при наибольшем содержании наночастиц. Таким образом, в ходе исследования использованы возможности хитозана, такие как пленкообразование и комплексообразование, для демонстрации потенциала получения на его основе упаковочных материалов с улучшенными функциональными свойствами с минимальными ресурсными затратами.

chitosandextran sulfatenanoparticlesfilmsantimicrobial activityхитозансульфат декстранананочастицыпленкиантимикробная активностьThe synthesis and investigation of nanoparticles and thin-film materials were carried out with financial support from the Russian Science Foundation (project No. 24-23-20057). Nanoparticle research using dynamic light scattering and tensile testing of film samples were performed on equipment at the Collective Use Center "Polymer Research Center" of the ISPM RAS.Получение и исследование наночастиц и пленочных материалов проведено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 24–23-20057). Исследование наночастиц методом динамического лазерного светорассеяния и испытания пленочных образцов на растяжение выполнены на оборудовании в Центре коллективного пользования “Центр исследований полимеров” ИСПМ РАН.Abbaszadegan A., Ghahramani Y., Gholami A., Hemmateenejad B., Dorostkar S., Nabavizadeh M., Sharghi H. The effect of charge at the surface of silver nanoparticles on antimicrobial activity against gram-positive and gram-negative bacteria: a preliminary study // J. Nanomater. 2015. V. 16. Art. 53. https://doi.org/10.1155/2015/720654Akopova T.A., Popyrina T.N., Demina T.S. Mechanochemical transformations of polysaccharides: a systematic review // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. Art. 10458. https://doi.org/10.3390/ijms231810458Anitha A., Deepagan V.G., Divya Rani V.V., Menon D., Nair S.V., Jayakumar R. Preparation, characterization, in vitro drug release and biological studies of curcumin loaded dextran sulphate-chitosan nanoparticles // Carbohydr. Polym. 2011. V. 84. P. 1158–1164.Baklagina Y.G., Klechkovskaya V.V., Kononova S.V., Petrova V.A., Poshina D.N., Orekhov A.S., Skorik Y.A. Polymorphic modifications of chitosan // Crystallogr. Rep. 2018. V. 63. P. 303–313.Bolshakova O.I., Mikhailova E.A., Zherebyateva O.O., Miroshnichenko I.V., Sarantseva S.V. Can nanoparticles become an alternative to antibiotics // Nanobiotechnol. Rep. 2023. V. 18. P. 153–164.Cazón P., Vázquez M. Mechanical and barrier properties of chitosan combined with other components as food packaging film // Environ. Chem. Lett. 2020. V. 18. P. 257–267.Chen Y., Mohanraj V.J., Parkin J.E. Chitosan-dextran sulfate nanoparticles for delivery of an anti-angiogenesis peptide // Lett. Peptide Sci. 2003. V. 10. P. 621–629.Chen Y.-M. Chung Y.-C., Wang Li.-W., Chen K.-T., Li S-Y. Antibacterial properties of chitosan in waterborne pathogen // J. Environ. Sci. Health. Part A. 2002. V. 37. P. 1379–1390.Debeaufort F., Voilley A. Edible films and coatings for food applications / Eds. M.E. Embuscado, K.C. Huber. Dordrecht‒Heidelberg‒London‒New York: Springer, 2009. https://doi.org/10.1007/978-0-387-92824-1Delair T. Colloidal polyelectrolyte complexes of chitosan and dextran sulfate towards versatile nanocarriers of bioactive molecules // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2011. V. 78. P. 10–18.Demchick P., Koch A.L. The permeability of the wall fabric of Escherichia coli and Bacillus subtilis // J. Bacteriol. 1996. V. 178. P. 768–773.Díaz-Montes E., Yáñez-Fernández J., Castro-Muñoz R. Dextran/chitosan blend film fabrication for bio-packaging of mushrooms (Agaricus bisporus) // J. Food Process Preserv. 2021. V. 45. Art. e15489. http://dx.doi.org/10.1111/jfpp.15489Dolgopyatova N.V., Novikov V.Y., Kuchina Y.A., Konovalova I.N. Effect of deacetylation conditions on the physicochemical properties of chitosan from crustacean shells // ChemChemTech. 2022. V. 65. № 5. С. 77–86.Egorov A.R., Kirichuk A.A., Rubanik V.V., Rubanik V.V., Tskhovrebov A.G., Kritchenkov A.S. Chitosan and its derivatives: preparation and antibacterial properties // Materials (Basel). 2023. V. 16. Art. 6076. https://doi.org/10.3390/ma16186076Ezati P., Rhim J.W. pH-responsive chitosan-based film incorporated with alizarin for intelligent packaging applications // Food Hydrocoll. 2020. V. 102. Art. 105629.Fernández-Marín R., Labidi J., Andrés M.Á., Fernandes S.C.M. Using α-chitin nanocrystals to improve the final properties of poly (vinyl alcohol) films with Origanum vulgare essential oil // Polym. Degrad. Stab. 2020. V. 179. Art. 109227. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109227Goy R.C., Morais S.T.B., Assis O.B.G. Evaluation of the antimicrobial activity of chitosan and its quaternized derivative on E. coli and S. aureus growth // Revista Brasileira de Farmacognosia. 2016. V. 26. P. 122–127.Han J.W., Ruiz-Garcia L., Qian J.P., Yang X.T. Food packaging: a comprehensive review and future trends // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2018. V. 17. P. 860–877.Jung E.J., Youn D.K., Lee S.H., No H.K., Ha J.G., Prinyawiwatkul W. Antibacterial activity of chitosans with different degrees of deacetylation and viscosities // Int. J. Food Sci. Technol. 2010. V. 45. P. 676–682.Kadam D., Momin B., Palamthodi S., Lele S.S. Physicochemical and functional properties of chitosan-based nano-composite films incorporated with biogenic silver nanoparticles // Carbohydr. Polym. 2019. V. 211. С. 124–132.Madkhali O.A., Sivagurunathan M.S., Sultan M.H., Bukhary H.A., Ghazwani M., Alhakamy N.A., Meraya A.M., Alshahrani S., Alqahtani S.S., Bakkari M.A., Alam M.I., Elmobark M.E. Formulation and evaluation of injectable dextran sulfate sodium nanoparticles as a potent antibacterial agent // Sci. Rep. 2021. V. 11. Art. 9914. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89330-0Mahdy Samar M., El-Kalyoubi M.H., Khalaf M.M., Abd El-Razik M.M. Physicochemical, functional, antioxidant and antibacterial properties of chitosan extracted from shrimp wastes by microwave technique // Ann. Agric. Sci. 2013. V. 58. P. 33–41.Mahmud M.Z.A., Mobarak M.H., Hossain N. Emerging trends in biomaterials for sustainable food packaging: a comprehensive review // Heliyon. 2024. V. 10. Art. e24122. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e24122Moratti S.C., Cabral J.D. Antibacterial properties of chitosan // Chitosan Based Biomaterials. V. 1 / Eds. J.A. Jennings, J.D. Bumgardner. Woodhead Publishing, 2017. P. 31–44.Muralidharan S., Shanmugam K. Synthesis and characterization of naringenin-loaded chitosan-dextran sulfate nanocarrier // J. Pharm. Innov. 2021. V. 16. P. 269–278.No H.K., Meyers S.P., Prinyawiwatkul W., Xu Z. Applications of chitosan for improvement of quality and shelf life of foods: a review // J. Food Sci. 2007. V. 72. P. R87‒R100. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2007.00383.xPopyrina T.N., Demina T.S., Akopova T.A. Polysaccharide-based films: from packaging materials to functional food // J. Food Sci. Technol. 2023. V. 60. P. 2736–2747.Priyadarshi R., Kumar B., Deeba F., Kulshreshtha A., Negi Y.S. Chitosan films incorporated with Apricot (Prunus armeniaca) kernel essential oil as active food packaging material // Food Hydrocoll. 2018. V. 85. P. 158–166.Roy S., Min S.J., Biswas D., Rhim J.W. Pullulan/chitosan-based functional film incorporated with curcumin-integrated chitosan nanoparticles // Colloids Surf. A. Physicochem. Eng. Asp. 2023. V. 660. Art. 130898.Roy S., Rhim J.-W. Fabrication of chitosan-based functional nanocomposite films: effect of quercetin-loaded chitosan nanoparticles // Food Hydrocoll. 2021. V. 121. Art. 107065.Shah R., Eldridge D., Palombo E., Harding I. Optimization and stability assessment of solid lipid nanoparticles using particle size and zeta potential // J. Phys. Sci. 2014. V. 25. P. 59–75.Tuchilus C.G., Nichifor M., Mocanu G., Stanciu M.C. Antimicrobial activity of chemically modified dextran derivatives // Carbohydr. Polym. 2017. V. 161. P. 181–186.Upadhyay P., Ullah A. Enhancement of mechanical and barrier properties of chitosan-based bionanocomposites films reinforced with eggshell-derived hydroxyapatite nanoparticles // Int. J. Biol. Macromol. 2024. V. 261. Art. 129764.Wang W., Xue C., Mao X. Chitosan: structural modification, biological activity and application // Int. J. Biol. Macromol. 2020. V. 164. P. 4532–4546.Yao Q.B., Huang F., Lu Y.H., Huang J.M., Ali M., Jia X.Z., Zeng X.A., Huang Y.Y. Polysaccharide-based food packaging and intelligent packaging applications: a comprehensive review // Trends Food Sci. Technol. 2024. V. 147. Art. 104390.Zhang K., Chen Q., Xiao J., You L., Zhu S., Li C., Fu X. Physicochemical and functional properties of chitosan-based edible film incorporated with Sargassum pallidum polysaccharide nanoparticles // Food Hydrocoll. 2023. V. 138. Art. 108476.Zhu F. Polysaccharide based films and coatings for food packaging: effect of added polyphenols // Food Chem. 2021. V. 359. Art. 129871.