Электрохимическая иммобилизация биологически активных веществ при электроокислении и электросшивании поливинилового спирта тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.05 ВАК РФ



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ТЕХЮЛСПИЭСШ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ИММОБИЛИЗАЦИЯ БШОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЩЕСТВ ПРИ ЭЛЕКТРООКИЗЛЕНИИ И ЭЛЕКТРОСЕМВАНКИ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА

Специальность 02.00.05 - Электрохимия

Автореферат

диссертации на .соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

Кузнепрва Ольга Георгиевня

Санкг-Пзтербург 1992

Работа выполнена на кафедре химии Санкт-Петербургского медицинского института им.акад.И.П.Павлова.

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор

МАКАГОВ Константин Алексеевич.

Научный консультант - доктор химических наук, профессор

ЗЫТНЕР Яков Давидович. Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

ТОМШЮВ Андрей Петрович; кандидат химических наук ВЕРЕЩИТ Всеволод Вульфович.

Ведущая организация - ГЬсударегвенный институт прикладной химии (Санкт-Петербург )

Защита состоится •У4" ЯИЬаНл 1993 г. на заседании специализированного совета К 063.25.02 в Санкт-Петербургском технологическом институте го адресу: Санкт-Петербург, Загородный проспектр, д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СИГИ. Замечания и отзывы в одном экземпляре, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 199013, Санкт-Петербург, Загородный пр., д.49, СИГИ, Ученый Совет.

Автореферат разослан " ^в/СЯ^ьЯ 1992 г.

Ученый секретарь ..

специализированного совета с^тЬ^ Г.К.Буркат

]

__________:_______________ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАШТЫ - - _ ________

Актуальность темы. Электродные реакции с участием макромолекул, приводящие к полимераналогичным превращениям; спиванию ял и деструкции полимеров, относятся к найма нес-изученным электрохимическим процессам. Наиболее перспектив-, ним пршэпепяем stzx процессов"является иммобилизация бис -логически активных Беществ (БАВ), протекающая при элекгр-химической модификации макромолекул и электросинтезе полимер ¡шх покрытий.. Использование электрохимических процессов .для иммобилизации- ЕАВ. имеет ряд очевидных достоинств: мягкие условия, регулирование,с помощью потенциала или плотности тока содержания БАВ в полимере, невысокие внергети-ческие затраты, простое аппаратурное оформление и высокая экономическая эффективность, которая обусловлена совмещением в одной операции ряда стадий связывания БАВ с полимером (модифицирование' полимера с образованием реавдионно-способных групп, синтез геля с. помощью сшивающих агентов, тгг.глобилкзапкя>. •••••.• * •

Одним из широко распространенных водорастворимых но -лимеров, применяв ¡шх для иммобилизации БАВ, является п^и виниловый спирт (ПВС), электрохимическое поведение коте]*/-го до сих пор еще недостаточно изучено. Это не дает ъозмо.* нос те научно обоснованно проводить процессы иммобилизации .с использованием электрохимических реакций, в которых яри нимают одновременное участие ПВС и БАВ. В связи с ъшиеск.ч зашшм исследование электрохимических реакций с участием ПВС как при анодной,.так и при катодной поляризации в присутствии ЕАВ и определение условий, иммобилизации ЕАЕ ими ется актуальной задачей.

Работа выполнялась согласно комплексной программы научных исследований АН СССР и АМН СССР "Фундаментальние науки медицине" (раздел 01.03.03) и отраслевой научно-тех "TTCQCKO" ПрОГраМГ/Ц В Облайхй ЫвдйЦШШ Б румян?. Ты/Я ''¡¡uij чение и исследование антимикробных покрытий" (ши^р С. 15.06.02.01.НЗ), •

цель работы заключалась в том, чтобы основывалоь на результатах исследований электрохимических щюцессоь ища:

ления и сшивания ЛВС, определить условия ковалентного связывания БАВ с ПВО и включения их в структуру 'ПВС-гокрытий. ■ Конкретные задачи заключались в следующем:

- исследование электродных реакций окисления ПВО и его деструкции при анодной поляризации;

- установление принципиальной возможности ковалентного связывания ЕАВ с макромолекулами ПВС при анодной поляризации и определение области потенциалов, в которой возможна реализация процесса электрохимической иммобилизации;

- определение механизмов электросшивания ПВС как в водных, так и водно-этанольных растворах;

- определение био каталитических и медико-биологических характеристик ПЕС и покрытий на его основе.

Научная новизну. Впервые исследована кинетика и предложен механизм электроо кис ления и электродеструкции ПВЗ при анодной поляризации. Шказано, что результаты определения в течение электролиза физико-химических параметров раствора полимера можно использовать для характеристики процесса электродеструкции макромолекул. Установлена область потенциалов, в которой происходит совместное электроокисление ПВС и салицилат-ионов.

На основании этих исследований разработан новый метод электрохимической иммобилизации БАВ при их одновременном электроокжлений. Шказано, что новый метод позволяет электрохимически модифицировать ПВО в присутствии салицилат-ионов, придавая ему антимикробные свойства.

Впервые исследованы процессы электросшиванкя ПВС при катодной поляризации в присутствии борной кислоты и хлорида кальция, позволящего увеличить водостойкость ПВС-гокрытий. Шказано, что добавлгсие этанола в воднне растворы ПВС значительно повышает скорость формирования и качество ПЕС-покрытий.

Практическое значение работы. Разработанный способ гле>(Тгс:цг".;ческоИ модификации по л га,-ера за счет совместного ?ло!;ггсок!тсл5ния ПВС п салицилат-ионов позволяет получать голиуе^ с пнтимпчробним:: свойствами, икехииД медицинское ^п-иг.чсн;'?.

Предложенные системы и режимы для электросшивания ПЮ~~даютг~воз№иность формировать водостойкие композиционные ЛВС-покрытия, содержащие БАВ. Такие покрытия могут найти применение в биокатализе, биотехнологии и медицине. В частности, 11ВС-покрытия, содержащие антимикробные вещества (фурацилин, мономицш) успешно применяются для уменьшения числа осложнений, возникающих в результате инфицирования в области введения стоматологических металлических имплантатов. Результаты разработок внедрены в X ЛШ им. И. П. Павлова. Эффект от внедрения в медицину - соцпаль-

На защиту выносятсд следующие положения:

1.- Результаты исследований .анодных процессов электроокисления и электродеструкции ПВС с учетом изменения физико-химических параметров раствора полимера.

2. Результаты исследований электрохимической модификации ПВС в присутствии салицилат-ионов при анодной поляризации для проведения процесса иммобилизации БАВ.

3. Результаты исследований катодных процессов элект-росшгеачия ПГС в водных и водно-этанольных растворях.

4. Оптимальные составы растворов ПВС и режимы электролиза для получения при катодной поляризации ПЮ-покры-тий, обладающих медико-биологическими и биокаталитическими свойствами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XI Всесоюзном совещании по электрохимии органических соединений (ЭХОС-36, г.Львов), УП Всесоюзной конференции по электрохимии (г.Черновцы).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ и получено I авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов, списка литературы, включающего 136 наименований,и приложения. Работа изложена на ПО машинописных'страницах текста, со-

держит 56 рисунков л 15 таблиц. Общий объем диссертации вместе с приложением составляв* 165 страниц.

ОСЮБНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЮТЫ

' Введение. Дано обоснование актуальности темы, целей и задач исследования, а.также научные положения, выносимые на защпу. '.. - ' ■

Литературный обзор. Проведен сравнительный анализ различных методов ¡»¡мобилизации БАВ и. особенно, в структуру ПЕС. Рассмотрены электродные реакции с участием полимеров, которые могут быть использованы для'реализации процесса иммобилизации БАВ: электроокиеление,. электровос-стзиогленкег, электродеструкцкя-и электрос'шиваиие полимеров- Рассмотрено'электрохимйческое поведение многоатомных 5- высокомолекулярных спиртов, включая ЛВС.

Методика эксперимента. Для электрохимических измерения применяли потенцкостзты П-5348, .П-562? (с регистратором КСП-4) и ЕИ-50-1 (с, программатором ПР-8 и регистратором ПДПЧ-002), а также полярограф ППТ-1, (с регистратором КСП-4) (характеристики капилляра:/л =1,551 мг/с; I = 50 с при высоте столба 25 см). Исследования проводили в'трех г электродной ячейке с разделенными катодным и. анодным пространствами. Рабочие электроды;:,дл£ анодного окисления.ПВО -- гладкая платина; для катодного сшивания'ПВС - алюминий (АМЦ 1/2Н), титан (ВТ-Х-О), -изотропный пирогрзфит ( с1 = 1,89 г/см3). Электрод'.сравненкя - насниих.с;э.;Дяя иссле-. . дования процесс п йлектроокпеления ПВС проводили сравнительный анализ потенциодлнакических,, потеяцгостатическпх и парциальных-поляризадионных кривых, .циклических вольтампе-рограмм, кривых потенциостатичес кого включения. Эффективность электроокисления ПВС оценивали го-разности ^Х-М^), где ВТо^ - выход го . ¿оку кислорода, ' который ' определяли путем измерения объвт выделившегося газа. Количество электричества рассчитывав графическим интегрированием кривой' ¿-т . Для анализа продуктов электролиза применяли методы КК спектроскопии, ксчестведаого.и количественного анализа. Фязвко-х котчос кие характврис гики раствора ^полимера; о преде-

ляли методом вискозиметрии п измерения депрессии температуры замерзания. Ш£ спектры снимали iia Ж-^урьё^спёктхл-нетре серии £700 сьтруи Перкш-Элькер (США).

ПВС-покрытия получали в готенциостатическом и гальва-ностатяческом режимах при катодной поляризации в водных и водао-зтшюлишх растворах ПВС, Н3ГО.3, CaClg и БАВ.

Ферментативную активность ПЮ-покрытий с иммобилизованным ферментом шгоертэзой ( ß -'D -фруктофуранозид- (3 -Ф -фруктогидролаза К. Ф. 3.2.1.26) из Saccharamyces cermstae ^предоля™ с кя па Cj5-2S.no. с коросте гид-

л llrt МОИЛЧП i i 1/Л « «<~1 ТГ

^ ------! А ^

жи и Нельсона. Активность фермента выражали в условных единицах, которые соответствуют величинам оптической плотности раствора, измеренной через 10.'минут после начала ферментативной'реакции.

Антибактериальную активность испытуемых полимерных материалов с иммобилизованными БАВ' (фурацшш.ч, мономицин, салицилат натрия) определяли методом "зоны лизиса" в отно-яьэии'и Jtaph. atius „ $iaph. aureuf, E.'cdi,'Proteus vulgaris.

В работе применяли ПЮ I6/I, ПВС 7/1, ПЕС 20/1, ПВС 11/2 и медицински"! ПВС марки НПВСМ. Рэактшш (H3BD3, С Ii С 1С ^, .-'/¿О 10 ^ и др.) использовали марки "хч". Растворы готовили на бидисткялате.

Электррокпс лейие. и .электродес трукция ПЕС. Для реализации процесса ко валентного связывания БАВ с макромолекулами полимера в работа подробно исследовано эяектрохпмиче-'ское поведение ПВС при анодной поляризации в водных растьо-

рах шю4 и л>£СЮ4. ; ' • ■;;

Добавление ilBC в раствор фона в области потенциалов до 2,0 В не приводит к заметному окислению макромоликул полимера. Это -подтверждается следуадши 'экспериментальными данными. Вэ-першх» добавка ПВС в раствор фона при снятии кривых потенцкостатического включения (рис. 1а) вызывает уменьшение тока электроокисления вода, которое связано с адсорбцией макромолекул и вытеснением молекул воды с поверхности окисленного платинового электрода. Во-вторых, при введении ПВС в раствор фона в этой области потенциалов наб

людается не только снижение токов на потенциодинаыических кривых в область более положительных потенциалов. В-третьих, выход по току кислорода до потенциала 2,0 В приближается к 100 %.

Электроокисление ПВ2 протекает лишь при Е?2,0 В, так как в этой области потенциалов добавка ВВС в раствор фона вызывает повышение тока на кривых потенциостатического включения (рис.16) и на стационарных поляризационных кривых (рис.2). Одновременно происходит снижение скорости выделения газа, уменьшение выхода по току кислорода, увеличение тока окисления ПК и изменение вязкости раствора (рис.2 и 3). Результаты ИК.спектроскопии и анализа на оксо-группу продуктов потенциостатического -электролиза позволяют сделать вывод о том, что при Е> 2,0 В возможно прямое электроокисление ДВС: ' '

~СН - СН2~ -- - сн2~ --С --СН2~

ОН -Н+,-е о- -Н+,-е б

Однако, как показывают вискозиметрические измерения (рхс.З) п данные Ш спектроскопии, (в разностных спектрах появляется полоса поглощения, соответствупцая колебаниям . карбоксильной группы), процесс электроокислерия ,ПВО сопровождается частичной деструкцией макромолекул, которая усиливается при Е> 2,6 В. ' .. .

Шлученные в .работе теоретические зависимости харак- .. теркспчзской вязкости раствора ЩЗС и его средней молярной массы от количества пропущенного .электричества <3 : ."•

'н■ :' <2)

позволили на основании экспериментальных данных вискоэи-метрическкх измерений и результатов определения значений депрессии температуры замерзания раствора рассчитать число электронов 2 .идущих на разрыв С-С связи, которое.приб-лгааетсл к 4.В выражениях (2) и (3) Г>[]0 и - характе- . ристи >1'ские вязкости раствора соответственно .до и после глектролпза; и М - средние молярные массы ПВС соотвэтст-

Ягз ¡¿ока

Гис.о

Рис и.

Ь;:.^ '.рпвио потенциос татического включения, подучен»'.'',' 2,55 л П0Ю4 без (1-4) я с 0,1 добавкой ЛВС (1-1)

при различных потенциалах, В: (а) 1,1' - 1,6; 2,2' - Х,'3; 3,3'- 2,0; (б) 1,1'- 2,2;. 2,2'- 2,4; 3.3'- 2,6; 4,4'- 2Л Рис. 2. Стационарные потенциостатические поляризационные "р:шие (1,2), парциальные поляризационные кривые выделения газа (3) и окисления ПВС (6), зависимости скорости выделения-газа (4,5) от потенциала'электрода, полученные в 2,36 н НС ТО 4 без (1,4) и с 3 Я-ной добавкой ПВС (2,5). ?гс_.3. Влияние потенциала электрода на величину отношения объема газа к количеству пропущенного электричества (1,2) и на динамическую вязкость раствора ПВС (время электролиза - 5 ч) (3), полученное в 2,86 я ШЮ4 без (I) п с 3 5?-пой ггобялгой. ПВС (2,3).

Рис ■ 4. Зависимость массы гидрогеля ПВО от потенциала (1,2). Поляризационные кривые разряда ионов Н+(3,4).Состав раствора ($4тасс.): ПВС - 3,0; НдВОд -0,4. Растворитель: 1,3 -вода; 2,4 - вода-этанол (30 % об.С^^ОН).

венно до и поело электролиза; р0 и р - коэффициенты полидисперсности соответственно до п после электролиза; щ -масса растворенного ПВО;.Г - чкело Фарадея; О- показатель степени,, зависящий от природы полимера; эффективность элекгродзетрукции, которая равна доли £} ..расходуемого на разрыв С-С связи. Таким образом, полученные результаты показывают, что электродеструкция макромолекул описывается ■ следующим уравнением:

,,.г_Гн-> Иг0 ,0Н

г 2 ♦

Процесс злекгродеструйции следует за процессом электроокисления ПВО (уравнение I) и начинает преобладать при Е?2,6 В.

Процесс электроокксления ПВО лимитируется диффузией макромолекул к поверхности электрода"» так как предельный ток стационарных поляризационных кривых окисления ПВО возрастает при увеличении концентрации полимера, а тангенс угла наклона зависимостей логарифма.тока, соответствующего нестационарной диффузии полимера' ( £щ.), от логарифма времени поляризаций (Т) равен -0,51+ -0,52. Пэлученные данные также подтверждаются.экспериментальной зависимостью лога- ' рифма этого тока от' лргаряфма характеристической-вязкости.' растворов ПВО разных марок, тангенс угла наклона которой приближается к'теоретическому.значению -0,5 согласно выражению: . '

; (5):

где С - концентрация раствора ПВО и К - коэффициент, постоянный для. данной системы, полкмер^-растворигель. Еыраяение. (5) выведено из уравнения,нестационарной диффузии, в котором коэффициент .диффузии макромолекул заменён на его зависимость от С|30 .

Проведенные в этом разделе исследования позволили ^ , дать практические рекомендации'для .реализации процесса ко-валентного связывания БАВ с макромолекулами ПВО: - электроокисление ПВО, с образованием-макро радикале в-необ-юлгтмо проводить в интервале-.потенциалов 2,04-2,6 В в связи .

с тек, что при 13 <2,0 В практически не происходит электро-■ о геттерепт*е ПВ?г г rrp't-S у В преобладает процесс-электро— -----------------

деструкция ;<:о''тлvoлеул;

- раствор ¡¿¡О. целесообразно пбрекеакзйть, гше ааа скорость

глгк.-роокиелеакя лолгазра лимитируется Дт,:рфузией макрокоде кул.

Э.тсгтротгтурчоско.е тау^бр.таздцнз счлицилят-юноя- при

члектгооккслешгп Ш£. 3 качестве модельного объекта для исследования процесса электрохимической за

счет ковалентного связывания БАВ с' макромолекулами ДВЗ в

prauO ïc *iC îiu^ibovy btiii С a pli-I | Tj-é^ IC3I», -,

салицилат-коны содержат ОН-группу, способную к электроокислению, и,во-вторых, они обладают бактерицидными свой-, сгвами. Согласно циклическим вольтамперограммам электроокисление салицвлат-ионов прожходит при Е +0,6 В. При

этом образуются радикалы <?__V-0' " -СГу—О ■ В об. —^СООН . ~^С00Н

ласта высоки: анодных потенциалов (Е>2,0 В) одновременно с завсрпсяпегл формирования оксидных слоев на платине протекает полимеризация продуктов окисления салицялат-поноп.

Взеденке П1С з раствор вызывает уменьшение внеотч гл:кп ионизации кислорода ка цикличес«их в^льтамперограмках при развертке из области высоких анодных потенциалов вследствие czccП'Зций к окисления макромолекул. Причем, в присутствии салыклат-кс.чов наблвдается более сильное уменьшение вь'сотк этого пика, что связано с формиглвание;« полимерной фазы на поверхности платинового электрода. Действительно, потенциостатический электролиз раствора, .содержащего ili£ v свлипилат-ионн, при É - 2,04-2,4 В приводит' к интенсивному видел гния полккериого продукта на аяекгродв, образование лоуорого U2 происходит при электролизе растворов ПИ) без-добавки салицилат-ионов. В связи с этим,.для уменьшения электродеструкции полимерного-продукта й предотвращения его »ài&>пленяя на поверхности электрода электролиз проводили при перемечяьанип.

Совокупность результатов различных методов анализа {лотенцисиетрическое титрование, определение 'бр;ансгс я

кислотного чисел) показывает, что -при совместном электроокислении ПВС и салицилат-ионов происходит ко валентное ■связывание салицилат-ионов с макромолекулами. Во-первых,-с увеличением количества пропущенного электричества наблюдается уменьшение концентрации салицилат-ионов в растворе, содержащем ЛВС, по сравнению с раствором без ПВО. Во-вторых, ПВС после электролиза имеет большие значения бромного и кислотного чисел, которые свидетельствуют, что макромолекулы содержат бензольные кольца с карбоксильными группами (см.Табл.). В-третьих, ПЕС, осажденный после электролиза из раствора салицилата натрия, обладает бактерицидными свойствами.' Шлученные в этом разделе экспериментальные результаты позволили сделать вывод, что при совместном електроокислении ПВО и салицилат-ионов в области потенциалов 2,04-2,4 В происходит иммобилизация за счет ковалентного связывания согласно схеме:

\Н-0' ■ . ^си-о-^о ^сн-о-^он

НС ~~НС СООН-*-Нс СООН (6)

^ \00Н 4 ¿Т.

Таблица

КйсЛотнов (К.Ч; .мг-ДОН) 'и бромное (Б.Ч. ,мг Вг2) числа и делячество карбоксильных групп (К. Г. ,ммоль) . и бензольных.колед (Б.К.,ммоль)в расчете на I г ПВС

б . А-ч ГЬтенциал электрода

Е* 2,1 В ■ Е = 2.3 В

К.Ч.- к.г.. Б.Ч. Б. К.. К.Ч. К.Г. Б.Ч. Б.К.

0,0 23,7 0,42 91,0 0,33 23,7' 0,42 91,0 0,33

0,45 49,7 о.'ав 245,4 0,89 52,4 0,91 254,9 0,92

0,90 93,7 1,бв. 490,7 1,33 97,0 1,72 509,8 1,90

1,35 129,8 2,30 736,0 2,50 134,7 2,39 764,7 2,60

Расчет Указывает, что модифицированию подвергается 10-15 % исходных ОН-групп ПВС.

Электросиива'ние ПВС. Для проведения процесса электрохимической иммобилизации за счет включения БАВ в структуру, полимера'в работе применено электросшивание ПВС на ка-

годе из водного раствора Н3ВД3, предложенное Н. В. Влас гаком.

- Однакомеханизм-этого процесса окончательно не уставов------

лен. Поэтому в работе,' проведенной совместно с О.А.Белозе-ровой, аа основании сравнения ПК спектров исходного ПЮ и гидрогелей 1733, полученных на катоде из водного раствора Н3ВО3 и химическим сшиванием Н^ВО^ и 7> сделано

заключение, что при электролизе в результате разряда ионов водорода НЧе —»-1/2 Н2 возрастает концентрация тетра-гидроксиборат-анионов:

НгЛ + НзЮэ.=:- •Н++' [В(ОН)43" , ' (7) ксторцс образуя? Еодородяке связи с макромолекулами полимера и способствуют формировании гидрогеля ПЕС на поверхности электрода.

Не смотря на то, что электрос шивание'было применено К.А.Макаровым с сотрудниками для иммобилизации ферментов, этот, процесс не,нашел широкого, практического применения, так как виделяпцийся на электроде гель не образует равно-, мерное покрытие из-за высокой, вязкости раствора и хорошо растворяется в воде. В связи с этим для уменьшения вязкости раствооа, понижения растворимости гидрогеля и формирования равномерных покрытий в работе предложено проводить электросыивазие ШЭС в водно-этанольнон растворе Н3ВО3, содержащем СаС В этом случае Н0ВО3 взакмодействует не только с водой (см.равновесие 7/, но и с этанолом с образованием тригидрокс кэтоке иборат-анионов:

С^15011 + Н3ВО3 Н+ + [В(0Н)3(СС^15)]- (8)

которые так же, как и [В(0Н)41~, формируют гидрогель ПВС на поверхности катода за счет межмолекуляряых водородных связей. Ионы Са2+,являясь противоионами, фиксируют с'шитые структуры: . .

^Х-О-я^е^н-О-сн '

/ и • и

Гя

Н^-О-П "-О.ро'"- Н-0- СИ (9)

ИГ О '1Н,

■У-?»,. п. к—О' ^О^-и-О-СН ' ГД®

2 ну О \ И 0 £ : н или

Вэдтвервдением вывода о том, что именно разряд ионов' Н"1" является причиной смещения равновесий (?•) и (3) и образования-гидрогеля ИБС'на катоде, служат следующие экспериментальные данные. Ёо-первых, .возрастание массы гидрогеля происходит при Е отрицательнее -1,5 В и соответствует росту тока разряда.ионов Н* (рис.4). Во-вторых, масса гидрогеля -увеличивается с', уменьшением перенапряжения выделения водорода при переходе от пирографита к А1 и при введении ■в раствор. БАВ, вызывающих каталитическое выделение водорода.

Введение С ¡^ОН п СеС12 в водный раствор ПЕС и Н^ВОд Приводит к возрастанию скорости образования гидрогеля,увеличивает его массу на ЭЭ—&)'% и способствует формированию плотного и водостойкого'покрытия в результате'гидрофобного

взаимодействия этильной .группы аниона с СН0-группой макро' . . с р. молекулы И:электростатического, взаимодействия ионов Са с

поливинил боратом, с образованием комплекса, имеющего, низкую растворимость:в воде» Причем, в .Ейдно-этанольном растворе, имевдем более низкую плотность и вязкость по сравнению с водным раствором, 'получается равномерное без. потеков покрытие благодаря 'уменьшению захвата поверхностью части не- • сшитого ПШ при• извлечении образца из ванны и ускорению процесса сушки .из-за быстрого' исварения этанола.

На основании подробного изучения влияния'концентрации компонентов раствора (ЛВС, Н3ВО3, С^ОН, СаС12),. потенциала электрода, плотности :тока, времени ьлектролиза и температуры на массу и качество покрытий■ в .работе предложены составы и режимы для' реализации' процесса' электрохимической иммобилизации ШВ. Электросшивание ДВС необходимо проводить при Е * -1,6+ .-2,0 В, ¿ = 30*50 А/м2, Г => 10+60 с, t= 20+25 °С из раствора* содержащего {% масс.):ПЮ - 6+8, НзВ03 - 0,6^,8,.С^50Н . 20+40, С.аС12 - 5+10.

Электрохимическая -иммобилизация БАВ при влектоосшива-нии ПВС. В.завис-имости от природы.БАВ. вводимого в раствор ПВО, при электросшивании образуются. гидрогелевые покрытия, "'имещие различные.функциональный назначения. Для получения медико-Йиологических. покрытий, в раствор добавляли фурацилин, мономицин.и тримекаш,. а для образования биокаталитических

_110крш,_^Б_ра;1вор_шод1^фв^е11Т илвертазу. Добавка БАБ сильно влияет на массу покрытий. Мономицпн, содержащий 0Н-группы конкурирует с 11ВС при образовании комплекса с анионами [В(0Н)4]~ и уменьшает массу покрытия. Напротив, три-мекаин увеличивает массу покрытия, так как находится в растворе в виде катиона за счет аминогрупп и электрофоре-тически включается в структуру образующегося гидрогеля.

Кнвертаза в основном способствует каталитическому выделению водорода, что приводит к повышению массы покрытия' благодаря скеьениа- вцравЗ. равновесия (7)..В работе -ведро б •• но исследован механизм электрохимической. иг.коб1ицьац:ш ин-вертазы. Сравнение биокаталитической активности электродов без покрытий, на поверхности которых адсорбирован фермент из буферного раствора, и электродов с-покрытием, полученным из раствора ПВО с ферментом,.-показано, что-адсорбция '■-инвертазы на,поверхности электрода в- основном определяет иммобилизацию фермента в структуру гидрогеля. Причем при переходе от А1 к пирографиту активность покрытий возрастает, так как повышается адсорбционная способность подложки. Однако, помп.» адсорбции происходит также иммобилизация инвертазы за счет ее захвата гидрогелем, так как активность покрыты! возрастает при увеличении их массы и толщины.

Влияние катодногс потенциала на.биокаталитическую активность покрытий обусловлено двумя факторами. Во-первых, увеличением-массы гидрогеля и, следовательно, повышением содержания в,нем инвертазы. Во-вторых, уменьшением активности иммобилизованного фермента из-за'его электровосстановления. Максимум относительной биокаталитическоп активности, рассчитанной на единицу массы покрытия (I мг/смл) равен 1,6 у.е..и соответствует Ё = -1,6 В. При более" огрв-дательных потенциалах, как показали' полярографические исследован ет, инвертаза подвергается электрохимическим пучь ращениям. Однако, понижение общей бкокаталктичоскои акт/. ности покрытий наблюдается лишь при более отрицательны* потенгталах (-2,2 В), так как несмотря на частичку»

тивацию инвертазы повышается ее содержание в гидрогеле за счет увеличения массы покрытия. При электросшивании ПВС при L ® consfi био каталитическая активность покрытий ниже, чем при проведении процесса при Е = const , что связано с изменением потенциала и инактивацией фермента.

Проведенные в этом разделе исследования позволили разработать составы и режимы для получения антимикробных покрытий на металлических конструкциях и имплантатах,применяемых в медицине. Биокаталитические покрытия, содержащие иммобилизованную инвертазу, рекомендованы для спектро-фотометрйческого анализа сахарозы. Нанесение двухслойного покрытия, в котором внутренний слой содержит глюкозе о кси-дазу, а внешний слой - инвертазу, может быть использовано в биферментном электроде для электрохимического определения сахарозы. На основе гидрогелевых покрытий, содержащих модифицированный ПВС, обладающий ионообменными свойствами, созданы электроды для измерения электропотенциалов кожи.

виводы

1. .На основании анализа зависимостей вязкости раствора полимера от потенциала' электрода и сравнения парциальных поляризационных кривых и кривых потенциостатического включения в нейтральных и кислм перхлоратных растворах определены потенциалы .электроокисления и электро деструкции ПВС, при которых возможно реализовать электрохимическую иммобилизацию БАВ за счет ковалентного связывания.

2. Определены продукты электролиза растворов ПВС и предложен механизм анодного окисления ПВС. Доказано, что при Е>1,6 В присходит незначительное окисление гидрокси-групп ЛВС до оксо-групп, скорость которого возрастает при Е > 2,0 В. При высоких анодных потенциалах Е>2,6 В начинает преобладать электро деструкция макромолекул по С-С связям.

3. Установлено, что процесс электроокислэния лимитируется диффузией макромолекул ПВС к поверхности электрода. Выведены количественные взаимосвязи между плотностью тока диффузии, количеством пропущенного электричества, вяз-

. костью раствора и молекулярной массой полимера в процессе

электродеструкция макроюлёкул^ПВСг-Показаногчто-иэмере_______________

ние в течение электролиза физико-химических параметров раствора полимера (вязкости, депрессии температуры замерзания) может быть использовано для определения характеристик процесса электро деструкции макромолекул ПЕС.

4. Для реализации процесса электрохимической иммобилизации за счет ковалентного связывания с макромолекулами полимера, установлена область потенциалов электроокислелня селицилат-иодав до фепоисильннх радикалов, которые при

В>2,0 3 образуют полимерный продукт. Установлено, что совместное электроокж ленив ПЕС и салицилат-ионов приводит к ковалентному связыванию салицилат-ионов с ПБС, придавая ему антимикробные свойства.' На основе анализа про-дуктов_ электролиза, и сравнения циклических вольтамперо-ррамм предложена схема электрохимичес кой иммобилизации салицилат-ионов на макромолекулы'ПБС.

5. Для проведения процесса электрохимической иммобилизации за счет включения в ПВС-покрытие определен механизм электросшивания ПЕС на катоде в присутствии Н^Юд и СаС^ в водных и водно-этанольных растворах. Показано, что сшивание ЛВС и выделение геля на катоде происходит благодаря возникновению водородных связей между макромолекулами ПВО и анионами [В(0Н)4]~ (или [В(0Н)3(СС^15)]~), которые образуются при взаимодействии Н3Ю3 с растворителем (Н^З, С^'^ОН) в результате повышения'рН в прикатодном слое, вызванного разрядом ионов Н+. Ионы Са2+ увеличивают степень сшивания. ПЕС борной кислотой и как противоданы фиксируют сшитые структуры ЛВС.

6. Установлено, что природа БАВ оказывчег на ооразо-вание ПВС-покрытия существенное влияние, которое связано, во-первых, с каталитичесдал действием на электрохимическую реакции выделения водорода, пр'иводяиув к псЕЫ«еи:г.о концентрации сшиваших анионов, к, Ео-тс'гых, с -£:!кугри-цией при образован:::: во до род; шх связен я процесс с структурирования геля на поверхности- электрода.

7. ¡¡оказано, что эледгдою/ячзсал'л:,!:)^;;^

. . . 18

инвертазы в ЛВС-покрытие обусловлена двумя факторами: адсорбцией фермента не поверхности электрода и захватом его ■ в матрицу'геля. Причём, вклад адсорбции в иммобилизацию фермента зависит от природы материала электрода и повышается при перехода от алюминия к пирографиту.',

8. Установлены оптимальные режимы и составы растворов для получения равномерных ПВС-покрытий, в которые при эпак-тросшивани'и включаются инвертаза и лекарственные вещества. Определены биокаталитичэс'кие и медико-биологические характеристики ПВС-покрытиЯ и показана возможность их использования в качестве чувствительных элементов ферментных эпек-тродов и дпя придания антимикробных свойств металлическим имппантатам и конструкциям, применяемым в медицине.

Основные материалы диссертации опубликованы в спеду-. ющих ^работах: • ' ■

1. Макаров К.А.,Зытнер Я.Д;, Лебедкцна О.К.»Кузнецова 0.Г. Электрохимическое получение поливинилспиртовых покрытий//1.прикл.хим'ии.-1980.-Т,53,К! 3.-С.688-689.

2. Кузнецова О.Г.; Зытнер'Я.Д., Тихонова Л.С. и др. Иммобилизация.инвартазы в плёнку поливинилового спирта при электрохимической поляриэопии//Электрохимйя.-1988.-Т.24 ,вып. 1;-С. 107-110. .. ' "

3.' Кузнецова-О.Г., Зытнер Я.Д.,Макаров К.А..Получение биферментного электрода методом электрохимической, иммоби-Лиэ8ции//Н0в00ти электрохимии органических соединений:

XI Всесоюзное совещание по электрохимии органических соединений:Тез.докл.-М.;Львов, 3986.-2.178-179.

4. Дунаевский А., Зытнер Я.Д., Хацкевич Г.А., Дунаевская H.H. .Лебедкина O.K.Кузнецова О.Г. Создание и Экспериментальное изучение иммобилизованных антисептиков на поверхности стоматологических имплантатов//Применение новых биопопимерних материалов в медицине.Сб.научн.тр./ '1 ЛМИ .им.аквд.И.П.Павпова.-Л.,19.79,-С.24-27.

5. Кузнецова 0;Г.,Зытнер Я.Д.,Шмелёва В.Г. и др.' Иммобилизация инвертазы в покрытие из поливинилового спирта//Прикп.биохим. и миробиол.-1Э87.-Т.23,вьл.5.-С.59Б

6. Тихонова Л.С.,Бепозерова O.A., Кузнецова_0.Г. и др. О механизма электрохимического осаждения попивинипового спирта//Ж.прикп.химии.-1988.-Т.61,№ 3.-С.575-579.

7. A.c. 1395675 СССР.МКИ С 12 а 1/00. Способ приготовления бифярментного электрода дня определания сахарозы /О.Г .Кузнецова ,Я.Д. £ытнвр,М . Р.Тарасевич.В.А.Богцйнооская,

B.Г.Воробьёв (СССР). Открытия.Изобретения.-1988.-№ 18

C.26

8. Кузнецова О.Г. и др. Иммобилизация салициловой кис поты при электрохимическом окислении поливинилового спирта/Кузнецова О.Г..Лебедкина О.К.,Федоренко С.Н.;1 Яе-нингр.мед.ин-т.-Л., 1Ö88.-3C.- Деп.в ВИНИТИ 20.10.88,

» 7561-В-88.

9. Зытнер Я.Д., Тихонова Я.С., Белозерова O.A., Кузнецова О.Г., Макаров К.А. Закономерности процессов электросинтеза полимерных плёнок, обладающих биокатапитичесними свойствами//Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по электрохимии, 10-14 октября 1988 г.-Черновцы, 1988.-Т.З.-С. 203.

Ю. Кузнецова О.Г.,Зытнер Я.Д., Ефимов А.Г., Макаров H.A. Электрохимическое окисления поливинилового спирта// Эпв к трохим нд. -1989. -Т. 25, аып. 9. -С. 1268- 12'Ю.

11. Лебедкина O.K., Кузнецова О.Г., Зытнер Я.Д., Макаров К.А. Электрохимическое получение поливинилспиртовых покрытий из водно-этанопьных растворов//!.гтрикл.хим.-1991. -T.S4, № 9.-0.1969-1992.

12. Осипов A.B., Кузнецова О.Г., Лебедкина O.K. и др. Электросинтез композиционных гидрогелэвьх покрнтий//К.прикп. хим.-1991.-Т.64, № 12.-С.2695-2689.

13. Кузнецова О.Г., Зытнер Я.Д., Макаров К.А.Совместное электрохимическое окисяение сапицилат-иона и поливинилового спирта//Электрохимия.-1992.-Т.2£,вьп.11.-С. 15751681.

С-П 1!::л з.2?0 т.ЮО 35,11.9гг. З^г.ггтно.