Физико-химические аспекты самоорганизации супрамолекулярной системы на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра

Баранова, Ольга Александровна

Физико-химические аспекты самоорганизации супрамолекулярной системы на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Баранова, Ольга Александровна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Тверь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Физико-химические аспекты самоорганизации супрамолекулярной системы на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра»

Автореферат диссертации на тему "Физико-химические аспекты самоорганизации супрамолекулярной системы на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра"

На правах рукописи

Баранова Ольга Александровна

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ САМООРГАНИЗАЦИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ВОДНОГО РАСТВОРА Ь-ЦИСТЕИНА И НИТРАТА СЕРЕБРА

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005540657

2в НОЯ 2013

ТВЕРЬ-2013

005540657

Работа выполнена на кафедре физической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тверской государственный университет»

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

кафедры физической химии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет»

Пахомов Павел Михайлович

Официальные оппоненты: Штильман Михаил Исаакович

доктор химических наук, профессор, руководитель УНЦ «Биоматериалы» ФГБОУ ВПО Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

Никольский Виктор Михайлович

доктор химических наук, профессор кафедры неорганической и аналитической химии, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет»

Ведущая организация «Институт проблем химической фи-

зики РАН», лаборатория биологически-активных соединений

Защита состоится «19» декабря 2013 г. В 15 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.263.02 при ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый переулок, 35, ауд.226.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» по адресу: 170100, г. Тверь, ул. Володарского, 44а.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ТвГУ http://university.tversu.ru/aspirants/abstracts/

Автореферат разослан «18» ноября 2013

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.263.02, г-,

кандидат химических наук, доцент Л М.А. Феофанова

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Исследования, посвященные супра-молекулярным системам (CMC), являются неотъемлемой частью современной прикладной и фундаментальной химической науки последних трех десятилетий. CMC это соединения, состоящие из молекулярных компонентов, объединенных путем самоорганизации и нековалентных взаимодействий в единый ансамбль. Подобные соединения довольно часто имеют полимерное (олигомерное или собственно полимерное) строение, а их растворы способны формировать гели. Свойства, которыми обладают полимерные CMC и гели на их основе стали причиной их интенсивных исследований. Ответ на вопрос: «Что могут эти полимеры, из того чего не могут обычные макромолекулярные полимеры?» позволяет понять их особенность и уникальность. Главные свойства CMC, дающие им особые функции, это динамичность и обратимость. Возможность контроля над механизмом формирования, огромное количество известных строительных блоков для них и возможность управления стабильностью соединений позволяет получать и использовать широчайший ряд веществ с легко регулируемыми свойствами.

Один из классов полимерных CMC достигших определенной степени коммерциализации это системы с биомедицинским потенциалом. Наиболее часто этот потенциал детерминирован наличием в структуре таких систем атомов серебра. Данные соединения обладают биоактивными свойствами (антибактериальным, антиревматоидным, иммуномодулирующим и др.); иммобилизованные на подложках, они способны придавать антибактериальные свойства материалам искусственных имплантов, при этом медленное выделение ионов серебра из покрытия определяет весьма ограниченную гибель лейкоцитов (которая довольно часто свойственна другим препаратам).

Кроме биомедицинского применения полимерных CMC с включенным в структуру серебром известны и другие области их использования, например, описаны способы получения наночастиц, в которых в качестве прекурсора выступают подобные CMC. Что касается применения супрамолекулярных гелей (СМГ) на основе олигомерных и полимерных CMC, то наиболее часто высказываются предположения о возможном их использовании для неинвазивного способа доставки медицинских препаратов в организм.

Данная работа является продолжением работ по исследованию олигомерных CMC и СМГ на основе низкоконцентрированного водного цистеин-серебряного раствора (ЦСР), впервые открытых и описанных группой ученых под руководством Пахомова П. М. Дополнительным мотивом продолжения данных исследований послужило то, что ранее проведенные тесты на антибактериальную активность показали, что СМГ обладает антимикробным действием в отношении грамположительных стафилококков, бацилл и грамотрицательных эшерихий.

Таким образом, резюмируя все вышесказанное, можно заключить, что актуальность данной работы определена необходимостью подробного изучения условий получения (путем самоорганизации) и свойств CMC и СМГ на основе ЦСР и возможностью их применения в биомедицинских и других целях.

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании условий получения, механизма самоорганизации и физико-химических свойств CMC на основе низкоконцентрированных водных растворов L-цистеина и нитрата серебра, а также разработке потенциальных вариантов применения исследуемых систем. В работе был применен широкий спектр современных экспериментальных и теоретических методов исследования. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- определить условия (концентрационные и температурные диапазоны), необходимые для получения CMC и СМГ на основе ЦСР; определить механизм взаимодействия L-цистеина и ионов серебра в водных растворах;

- получить исчерпывающие данные о реологических, оптических, структурных, биологических и других свойствах CMC и СМГ на разных этапах их формирования;

- исследовать условия и механизм гелеобразования в ЦСР;

- осуществить синтез наночастиц серебра (НЧС) с применением CMC и СМГ на основе ЦСР и описать их свойства;

- получить ряд материалов прикладного значения с использованием CMC и СМГ на основе ЦСР.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- определены концентрационные и температурные условия получения CMC и СМГ на основе ЦСР; установлены условия взаимодействий L-цистеина и ионов серебра не приводящие к формированию CMC;

- определены реологические, оптические, структурные и биологические свойства CMC на основе L-цистеина и ионов серебра;

- исследован механизм процесса гелеобразования в системе, структура СМГ, а также рассчитаны параметры пространственной сетки геля;

- получен широкий спектр наноструктурированных объектов с применением CMC и СМГ на основе ЦСР, исследованы и описаны их свойства;

- разработаны перспективные варианты применения CMC и СМГ на основе ЦСР: ткани с антибактериальной пропиткой, водорастворимые пленки с НЧС.

Практическая и теоретическая значимость работы. Установлены концентрационные и температурные условия получения CMC и СМГ на основе ЦСР. Данйые о механизме гелеобразования в ЦСР и полученные сведения о механизме взаимодействия L-цистеина и ионов серебра расширяют теоретические знания о CMC и позволяют легко воспроизводить синтез СМГ на основе ЦСР. Установленные реологические, оптические, структурные и биологические свойства системы и данные о процессе гелеобразования открывают новые пути применения CMC и СМГ на основе ЦСР. Осуществленный синтез НЧС с применением CMC на основе L-цистеина и ионов серебра в качестве прекурсора является контролируемым процессом и позволяет получать НЧС с заданным размером. Разработанные перспективные варианты биомедицинского применения CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра (ткани с антимикробной пропиткой, НЧС, водорастворимые пленки с НЧС) обладают необходимым для данных

групп материалов антимикробным действием и могут представлять интерес для медицинской практики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты эксперимента по установлению концентрационных и температурных условий получения CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра;

2. Результаты экспериментального исследования реологических, оптических, структурных и биологических свойств CMC и СМГ.

3. Результаты исследования механизма гелеобразования в ЦСР.

4. Результаты эксперимента по синтезу НЧС с применением CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра в качестве прекурсора, результаты исследования свойств, полученных НЧС.

5. Результаты разработки перспективных вариантов применения CMC и СМГ на основе ЦСР: ткани с антибактериальной пропиткой, НЧС, водорастворимые пленки с НЧС; результаты исследования антимикробных свойств разработанных материалов.

Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно определены методы решения задач исследования, проведены все основные экспериментальные исследования, а также их обработка и анализ результатов. Постановка задач исследования и обсуждение результатов диссертационной работы выполнены совместно с научным руководителем. Соавторы совместных публикаций принимали участие в постановке экспериментальных задач, проведении ряда измерении и обсуждении результатов.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов диссертации обеспечивается анализом литературных данных, корректной постановкой исследовательских задач, применением современных методов регистрации и обработки экспериментальных данных; сравнением с результатами, полученными в исследованиях других авторов.

Основные результаты работы были представлены на следующих международных и отечественных конференциях: XVI-XX Каргинские чтения с международным участием. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии», (Тверь, 2011-2013); 25 и 26 Симпозиумы по реологии с международным участием, (Осташков, 2010, Тверь, 2012); 7-й международный симпозиум «Молекулярная подвижность и порядок в полимерных системах» (Санкт-Петербург, 2011); Международный молодежный научный форум «ЛОМОНОСОВ-2011» (Москва, 2011); Conference «Science and Progress» (Санкт-Петербург, 2011, Berlin, 2012); XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); XVI Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Иваново, 2012); IV International conference on colloidal chemistry and physicochemical mechanics (Moscow, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, из них 2 в отечественных и зарубежных научных журналах входящих в перечень ВАК, а также 9 тезисов докладов на российских и международных конференциях, подана 1 заявка на патент РФ.

Работа выполнена в рамках проекта German-Russian Interdisciplinary Science Center (G-RISC) № C-201 lb-5, а также программы Фонда содействия разви-

тию малых форм предприятий в научно-технической сфере УМНИК (государственный контракт №10509р/16886 от 08.06.2012 г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), методической части (глава 2), полученных результатов и их обсуждения (главы 3 и 4), заключения, списка литературы (193 наименования). Общий объем диссертации составляет 134 стр., включает 72 рисунка, 19 таблиц.

Содержание работы

Во введении отражены актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Обзор литературы. Глава посвящена анализу современного состояния исследовательских работ по CMC. Рассмотрены вопросы самоорганизации и гелеобразования в CMC, методы изучения строения и свойств, различных супрамолекулярных соединений. Уделено внимание прикладным сторонам исследований CMC, в том числе получению наноструктурированных объектов с использованием CMC. Приведен обзор исследований СМГ на основе L-цистеина и нитрата серебра, проведенных П. М. Пахомовым с группой ученых и предваряющих данную работу.

Глава 2. Объекты и методы исследования. Приведен перечень реактивов, использованных при выполнении экспериментальной части диссертационной работы, описаны объекты исследования и методики их получения; рассмотрены физико-химические методы исследований, используемые в работе с указанием конкретного примененного оборудования.

Объектами исследования являлись: ЦСР (с разным мольным соотношением и концентрацией L-цистеина и нитрата серебра), гидрогель на основе ЦСР (с разными электролитами - инициаторами гелеобразования), НЧС (полученные на основе CMC и СМГ и полученные др. способами) и антимикробные материалы, полученные с применением CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра (ткани с антимикробной пропиткой и водорастворимые пленки на основе поливинилового спирта (ПВС) с НЧС).

В работе использовались следующие физико-химические методы исследования: спектроскопия в УФ и видимой областях спектра (спектрофотометры Evolution Array фирмы Thermo Scientific; Lambda 950 фирмы Perkin Elmer; СФ 2000 фирмы «Спектр».), ротационная и капиллярная вискозиметрия (реометр RheoStress 1 фирмы Haake и капиллярный автоматический вискозиметр AVS 370 фирмы Schott соотв.), просвечивающая электронная микроскопия - ПЭМ (микроскопы LEO 912 AB OMEGA и EM 10 CR фирмы Carl Zeiss), сканирующая электронная микроскопия - СЭМ (микроскоп SU8000 фирмы Hitachi), потенцио-метрическое титрование (иономер И-160) и метод динамического светорассеяния - ДСР (анализаторы Zetasizer ZS фирмы Malvern Instruments и DelsaNano S фирмы Beckman Coulter).

Глава 3. Физико-химические аспекты формирования CMC и СМГ на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра

В настоящей работе предпринята попытка объяснить механизм протекания процесса супрамолекулярной олигомеризации при формировании CMC на основе L-цистеина и нитрата серебра. Для этого необходимо было уточнить и

определить концентрационные (мольное соотношение Ag(I)/L-UHCTeHH и концентрация реагентов) и температурные пределы существования CMC. Кроме того, представляло интерес выяснить, какие химические и физические процессы протекают в разных концентрационно-температурных диапазонах существования ЦСР.

Процесс формирования CMC на основе L-цистеина и ионов серебра, протекающий в водной среде после смешения растворов L-цистеина и нитрата серебра при комнатной температуре, визуально выглядит следующим образом: сильная первоначальная опалесценция исчезает, и раствор постепенно приобретает почти полную прозрачность и слегка желтоватую окраску (созревший ЦСР).

Электронные микрофотографии (рис. 1а) демонстрируют, что сразу после смешения растворов формируются электрононепрозрачные агрегаты, детерми-I нирующие визуально наблюдаемую опалесценцию раствора. Светлый цвет noil ля свидетельствует об отсутствии вещества между агрегатами.

После «созревания» ЦСР картина на микрофотографии (рис. 16) кардинально меняется: цвет поля становится однородным, что свидетельствует об отсутствии нерастворенного вещества в созревшем ЦСР. Таким образом, микро-j снимки свидетельствуют о том, что на первом этапе формируется нерастворимый осадок дающий опалесценцию (вероятно нерастворимый меркаптид серебра - MC), а затем происходит его переход в растворимую олигомерную форму.

Непосредственно после смешения растворов L-цистеина и нитрата серебра в растворе, согласно распределению полученному методом ДСР, присутствует одна фракция частиц со средним гидродинамическим диаметром около Ihm (рис. 2а).

а б

Рис.1. Микрофотографии ЦСР полученные методом Г1ЭМ; а - фотография непосредственно после смешения растворов иона серебра и Ь-цистеина, б - спустя 4 часа; (А§(1)/Ь-пистеин 1,25;С(Аё+)0,004М;20°С)

Средний диаметр 124 нм

Средний диаметр № 1 122нм

а г § 'Í

5ЙЛ

Диаметр, нм

— 441.5

Средний диаметр №2 2500нгй

lililí«,

10,0 62,0 3835 2378,5 li

Днаметр, нм

а б

Рис. 2. Распределения агрегатов по размеру в ЦСР до созревания (а) и после него (б), полученные методом ДСР; (Ав(1)/Ь-цистеин 1,25; С(А°+) 0,004М; 20 °С)

В ходе созревания появляется вторая фракция агрегатов с размером, существенно превышающим размер агрегатов в первой фракции (рис. 26). Эти данные подтверждают переход дисперсии МС в раствор с образованием крупных олигомерных кластеров из молекул МС.

На электронных спектрах поглощения созревшего ЦСР присутствуют две полосы поглощения 310 и 390нм (рис.3). В более ранних работах, посвященных СМГ на основе ЦСР природа полосы ЗЮнм объяснена не была, а полосу поглощения 390 нм связывали с

250 300 350 400 450 ^ нм взаимодействием Ag-S.

Согласно многочисленным литера-Рис. 3. Спектр проглощения (1=10мм) турным источникам полосы поглощения «созревшего» ЦСР в УФ и видимой об- 390нм и 310 нм наиболее часто ластях; (Ag(I)/L-uncreHH 1,25; C(Ag+) приписывают взаимодействию близко-0,004М; 20 °С) расположенных атомов металлов в

координационных соединениях, объясняя их наличие электронными переходами. Таким образом, в иследуемой системе при определенных значениях мольного соотношения вероятно формирование супрамолекулярного соединения с взаимодействием рядом расположенных атомов серебра.

Установлено, что при разном

Ag/cys í Аик-,-, fíjc^sg нии L-цистеина и 1,20 Л 1.10 | 1,00 | """ ^

" ^ г' Ш8 нитрата серебра по-^ еле смешения водных растворов сис-. _ _тема (при созревании) ведет себя кар-

Рис. 4. Фотографии систем на основе водных растворов L- динально различ-цистеина и нитрата серебра при разном мольном соотношении ным образом (рис.4). Ag/L-Cys (C(Ag+) 0,004М, 20 °С) При соотношении

3 ■

-Ав/Ь-Суэ 2,00

--А^Ь-Сув 1,71

---Ag/L-Cys 1,50

------Дв/Ь-СуБ 1,25

..............Ад/Ь-Суэ 1,20

больше 1,5 образуется дисперсия с желтым осадком, при соотношении меньше 1,25-1,24 образуется дисперсия с белым осадком, и только в диапазоне от 1,251,24 до 1,5 образуется вязкий прозрачный желтоватый раствор.

На всех УФ спектрах ЦСР с разным мольным соотношением компонентов (рис.5) за исключением спектра для системы с мольным соотношением А^Ь-Суэ 2,00 присутствует полоса поглощения на 390 нм, связанная с взаимодействием близко расположенных атомов серебра. Кроме того, стоит отметить рост уровня базовой линии на спектрах для систем с соотношением Ag/L-Cys менее 1,25 и более 1,50, что связано с помутнением растворов и образованием в них мелкодисперсной нерастворимой твердой фазы.

Исследование кинетики изменения относительной вязкости ЦСР с разным мольным соотношением Ag/L-Cys (рис.6а и 66) показало, что при соотношении 1.25 вязкость достигает максимального значения. Процесс увеличения вязкости (а соответственно и процесс супрамолекулярной олигомеризации) завершается во всех случаях достаточно быстро, за первые 4 часа.

АцЫСуЬСув —о—2,25

300 400 500 X, нм

Рис. 5. Спектры поглощения в УФ и видимой областях (1=10мм) для систем с разным мольным соотношением А^Ь-Суэ; (С(А&+) 0.004М, 20 °С)

п.

2,0 -

1,5 -

1,0

А8Ш3/Ь-Суз —•—2,00 -0-1,50 1,25 -й- 1,00

0 20 40 60

^ час

Рис. 6. Зависимости относительной вязкости от времени созревания ЦСР с разным мольным соотношением компонентов (а); относительной вязкости ЦСР от мольного соотношения А§(1)/Ь-цистеин (б); среднего гидродинамического радиуса агрегатов в ЦСР при разном мольном соотношении А§(1)/Ь-цистеин (C(Ag+) 0.004М, 20 °С) (в)

На рис.бв представлены данные об изменении среднего гидродинамического радиуса агрегатов в ЦСР с разным мольным соотношением Ag/L-Cys при их созревании. Видно, что при соотношении 1,25 средний гидродинамический радиус продолжает расти длительно, в то время как при больших соотношениях этот рост прекращается в течение 48 часов.

На микрофотографиях (рис. 7) видно наличие плотных агрегатов для систем с соотношением вне диапазона 1,25-1,5, что говорит о формировании в них мелкокристаллического осадка.

а б в

Рис. 7. Микрофотографии супрамолекулярных систем на основе Ь-цистеина и нитрата серебра при разном мольном соотношении; «а» - Ag(I)/L-циcтeин 2,00 «б» - Ag(I)/L-циcтeин 1,25, «в» - А§(1)/Ь-цистеин 1,00; (С(А%+) 0,004М, 20°С)

Элементный анализ образца нерастворимого осадка полученного при соотношении А§/Ь-Суз 1,00 подтвердил образование нерастворимого комплекса серебра (МС) с соотношением металл-лиганд 1:1 (табл. 1).

На основании всех выше-Табл. 1. Элементный состав осадка в ЦСР с соот- приведенных данных можно

сделать вывод о том, что при соотношении менее 1,25-1,24 формируется только осадок нерастворимого МС с соотношением А^Ь-Суэ 1:1. В диапазоне (1,25-1,24)-1,50 формируются только супрамолекулярные агрегаты олигомерного строения, а в случае соотношения больше 1.5 образуются и супрамолекулы, и осадок. Роль избыточных ионов серебра по отношению к Ь-цистеину, необходимых для формирования супрамолекулярного соединения видимо заключается в том, что олигомерное соединение состава (Ag-S-R)n (Я= -СН2-СН(ЫН3+)СОО") при присоединении дополнительных ионов серебра существует в растворимой форме, за счет координации атомом серы дополнительного иона серебра. За счет этого вся супрамолекула приобретает заряд и соответственно растворимость. В случае равного мольного соотношения серебра и Ь-цистеина (или избытка Ь-цистеина) этого не происходит и формируется нерастворимый МС.

Исходные концентрации нитрата серебра и Ь-цистеина в процессе формирования олигомерных супрамолекул играют не менее важную роль, чем мольное соотношение этих компонентов. Как видно (рис.8а и 86) при концентрации нитрата серебра около 0,008М относительная вязкость достигает максимального значения. Но форма кривых для концентраций выше 0,008 М отличается от остальных. Вязкость не достигает постоянного значения, а продолжает расти. Это говорит о постепенном формировании мелкодисперсной фазы, т.е. об образовании осадка.

ношением А^Ь-Суэ 1,00

Содержание элемента, % Состав осадка в ЦСР с соотношением Ag/L-Cys 1,00

Эксп. Расч.

С 16,45 15,79

Н 2,60 2,65

N 6,01 6,14

Б 12,77 14,06

C(Ag+) Пот

0,00 IM 0.002М 2,0 ■

0.004М 1,5 -

0.008М 1,0 ■ 0

0.016М

0,01 0,02 0,03 C(Ag+), M

а б

Рис. 8. Зависимости относительной вязкости от времени созревания ЦСР с разной концентрацией нитрата серебра (а) и относительной вязкости системы от концентрации нитратк серебра (мольное соотношение компонентов Ag(I)/L-uncTeiiH 1,25; 20 °С) (б)

Таким образом, предельной концентрацией нитрата серебра для формирования исключительно супрамолекул в изучаемой системе является 0,004М.

Табл. 2. Элементный состав осадка полученного Элементный состав

при концентрации серебра в ЦСР выше 0,004М осадка выделенного из ЦСР (0,08М) при концентрации нитрата се-

ребра выше 0,004М (0,008М) близок к элементному составу нерастворимого MC с соотношением Ag/L-Cys 1:1 (табл. 2).

В настоящей работе был установлен факт независимости размера супрамолекул от температуры, при которой происходит самоорганизация супрамолекул. Во всем исследованном температурном диапазоне от 25 до 40С° относительная вязкость достигает одного и того же значения около 1,7 (рис.9).

Известно, что молекулярная масса полимеров пропорциональна вязкости раствора полимера. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что молекулярная масса формирующихся супрамолекул не зависит от температуры процесса самоорганизации, но скорость ее достижения при этом различна.

Созревший ЦСР обладает

Элемент Содержание элемента, %

С 12,95

Н 2,20

N 5,41

S 12,88

1,6

1,4

1,2

1,0

--35 С

---30 С

-40 С

......25 С

0 50 100 150 '•мин

Рис. 9. Зависимость относительной вязкости ЦСР от времени после смешения растворов L-цистенна п нитрата серебра при разной температуре протекания процесса; (Ag(I)/L-micTenn 1,25; C(Ag+) 0,004М)

рядом интересных свойств. При его разбавлении водой в области предельно низких концентраций наблюдается аномалия зависимости вязкости от концен-

Vе 22 -

20 -

0,04 С(А§+), г/100 мл

Рис. 10. Зависимость относительной вязкости созревшего ЦСР от его концентрации ^(1)/Ьцистеин 1,25; 20 °С)

трации (постоянство отношения удельной вязкости к концентрации при уменьшении концентрации) (рис.10).

В реологии полимеров такое явление принято связывать с так называемым «разрыхлением» молекулярных клубков. Видимо подобное имеет место и в нашем случае, что еще раз подтверждает предложенное строение супрамо-лекул в виде более или менее разветвленных олигомерных цепей.

Исследование реологических свойств созревшего ЦСР при нагревании показало, что резкое падение относительной вязкости наблюдается при температуре выше 55°С (рис. 11). По-видимому, это связано с деструкцией супрамолекул. Эти результаты коррелирует с потерей ЦСР способности к геле-образованию и началом уменьшения среднего гидродинамического радиуса агрегатов в нем (данные метода ДСР).

В настоящей работе также установлено, что скачок на кривой титрования раствора ЦСР при р№=6 соответствует максимуму на кривой зависимости удельной вязкости ЦСР от рН (рис.12). Кроме того, важно отметить, что именно при этом значении рН раствор начинает опапесцировать, что говорит о формировании в нем осадка. После падения вязкости опалесценция также исчезает, и раствор становится прозрачным и желтоватым, как до введения гидроксида натрия.

2,0 ■

1.5 ■

Т,°С

Рис. 11. Зависимость относительной вязкости созревшего ЦСР от температуры; (Ав(1)/Ь-цистеин 1,25; С(Ав+) 0,004М; 20 °С)

11 рН

а б

Рис. 12. Кривая титрования созревшего ЦСР с соотношением А§(1)/Ь-цистеин 1,25, концентрацией серебра 0,004М при 20 "С водным раствором гидроксида натрия (0,05 М)(а), зависимость относительной вязкости ЦСР от рН (б).

Наблюдаемые явления, скорее всего, свидетельствуют о том, что по мере увеличения щелочности, растворимая олигомерная форма соединения Ь-цистеина с нитратом серебра переходит в нерастворимый МС, что вызывает опалесценцию и увеличение вязкости, а затем в растворимую неполимерную форму (падение вязкости до значений равных вязкости воды).

Все вышеизложенные данные позволяют заключить, что при взаимодействии Ь-цистеина с ионами серебра протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к формированию агрегатов супрамолекулярной природы или нерастворимого МС. Протекание этих реакций возможно, как параллельно, так и по отдельности. Условия проведения процесса определяют приоритет протекания той или иной реакции.

В общем виде схему протекания процессов при избытке ионов серебра по отношению к Ь-цистеину не более 1,5 и концентрации ионов серебра не более 0,04М можно представить следующим образом:

Первая стадия: Кислотно-основная реакция

Ав>Юз+Н8-СН2-СН(КН2)СООН -» -» Ag-S-CH2-CH(NH2)COOH (нерастворимый МС) + НМ03 Вторая стадия: Переход меркаппшда серебра в олигомерную форму п /\g-S-R -> Ag-S—Ag-S—Ag-S—Ag-S—

1111

Я Я Я Я

(Я= -СН2-СН(ЫН3+)СОО")

Аё Я

I I

(Аё-8-К)п + А8+ -» -Б- - -Аё+- - -5!-А&- -8-А&- - -

Я Я

В случае избытка Ь-цистеина по отношению к серебру (или при равенстве их мольных концентраций), образуется нерастворимый МС с соотношением Ag/L-Cys 1:1. При высоких концентрациях Ь-цистеина и серебра в растворе кроме супрамолекул формируется и МС.

На основе созревшего ЦСР можно формировать гидрогели при введении в них электролита - инициатора гелеобразования. В настоящей работе подобраны оптимальные условия для изучения процесса гелеобразования в ЦСР методом ротационной вискозиметрии. Установлено, что режим измерения напряжения сдвига при контролируемой деформации наилучшим образом отражает реологические и структурные свойства исследуемых гидрогелей и позволяет сопоставлять вязкостные и упругие свойства геля. На результаты измерений оказывают сильное влияние температурная и сдвиговая предыстория образца. Предварительное термостатирование ЦСР позволяет получать образцы гидрогеля с воспроизводимыми вязкоупругими свойствами. Сдвиговая предыстория образца при его нанесении на измерительную поверхность реометра почти не сказывается на гелях с менее сформированной пространственной сеткой (с

меньшим содержанием электролита-инициатора гелеобразования) и существенно влияет на уже сформированные гели.

На гелеобразование оказывают сильное влияние тип и концентрация инициатора гелеобразования. В настоящей работе было установлено, что наиболее прочными во всем диапазоне исследованных концентраций гелеобразования оказались гели, образованные с добавлением солей двухзарядных анионов (сульфат-ион, молибдат-ион, персульфат-ион и др.).

В работе произведен расчет расстояний между сшивками супрамолекул в геле в зависимости от концентрации инициатора гелеобразования в системе. В наименее разрушающем режиме ротационной вискозиметрии - динамическом, гели ведут себя как сшитые эластомерные системы (до определенного значения нагрузок и деформаций). Одним из важных параметров характеризующих пространственный каркас геля является величина Мс — средняя молекулярная масса отрезков цепей полимерных молекул, заключенных между двумя соседними узлами (сшивками).

Согласно кинетической теории высокоэластичности значение Мс может быть рассчитано по уравнению (1).

МС = (ЗЛТ ■ р/С)' 103, (1)

где р - плотность геля, кг/м3; II - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - температура, К; в' - динамический равновесный модуль упругости геля в области плато высокоэластичности, Па.

Число мономерных звеньев состава Ag-L-Cys между двумя соседними сшивками определяется в этом случае по формуле (2).

N = ( Мс / 229 ), (2)

здесь 229 - молекулярная масса звена МС Ag-L-Cys, г/моль.

Соотношения 1 и 2 использованы при анализе гидрогелей, приготовленных из созревшего ЦСР с соотношением Л§/Ь-СуБ 1,25 и концентрацией нитрата серебра 0,004М. В качестве инициатора гелеобразования использовался вод-водный раствор сульфата натрия (0,002М), который вносился в созревший ЦСР в разном количестве. Установлено, что в диапазоне угловых скоростей сдвига 5-50рад/с значения комплексного модуля упругости геля (в*), динамического модуля упругости (в') " и модуля потерь (в") находятся в области плато и зависят от концентрации инициатора гелеобразования (рис.13).

0,5 5 50

со, рад/с

Рис. 13. Зависимость динамического модуля упругости (в ) гелей, полученных из ЦСР с соотношением Ае/Ь-Суэ 1,25, концентрацией серебра 0,004М и разной концентрацией №2504 в геле («1» - 0, 0003М; «2» - 0,0010М; «3» -0,0015М, «4» - 0,0018 М, «5» - 0,0030М, «6» - 0.0039М) от угловой скорости сдвига

По равновесному значению динамического модуля упругости (модуля накопления высокоэластической деформации) С была рассчитана средняя молекулярная масса отрезков цепей (Мс) между двумя соседними узлами (сшивками) геля (табл. 3).

Табл. 3. Средние значения Мс и некоторых других показателей гелей, приготовленных из ЦСР с соотношением А^/Ь-Суз 1,25, С(А§+) 0,004М и разной концентрацией Ыа^СХ)_

С (Ш2504), м С, Па Мс-10°, г/моль (1/Мс)-10*, моль/г N

0.0000 (ЦСР) 0.2 36558.7 0.000 159645

0.0003 17 430.1 0.002 1878

0.0010 85 86.0 0.012 376

0.0015 117 62.5 0.016 273

0.0018 225 32.5 0.031 142

0.0030 200 36.6 0.027 160

0.0039 144 50.8 0.020 222

Очевидно, что по мере роста концентрации сульфата натрия в геле равновесная величина в' сначала растет (а Мс гелей, соответственно, снижается), а затем снижается (Мс увеличивается). Таким образом, в' и Мс гелей зависят от количества анионных сшивок между суп-рамолекулами, обеспечиваемых диссоциированным сульфатом натрия (рис.14а).

Количество сшивок в геле предопределяет густоту его пространственной сетки. Густоту сетки характеризует величина V = р/Мс.

При неизменной концентрации супрамолекул в ЦСР плотность геля (р) остается постоянной, поэтому в настоящей работе густоту сетки можно характеризовать величиной 1/Мс. Зависимость 1/Мс от концентра

300 200 100 о

0,04 -1 0,03 ■ 0,02 0,01 ■ 0

0,002 0,004

С(№2504), М а

0 0,002 0,004

С(Ка2504), М б

Рис. 14. Зависимость динамического модуля упругости в области плато высокозластичности (а) и густоты пространственной сетки (б) гидрогелей, приготовленных из ЦСР с соотношением А^Ь-Суз 1,25 и концентрацией серебра 0,004М от концентрации сульфата натрия в геле

ции сульфата натрия имеет ту же форму, что и зависимость равновесного модуля упругости (рис. 146). С ростом числа сшивок между супрамолеку-лами густота пространственной сетки геля сначала растет (практически линейно), а затем уменьшается. Число сшивок зависит от количества анионов (804"2) в геле. При этом при концентрации сульфата натрия выше критической значение 1/Мс падает в связи с тем, большую роль начинает играть кинетика гелеобразования. Имеется в виду то, что при более высоких концентрациях сшивающего агента гелеобразование происходит быстрее и в процессе эксперимента (перемещения образца геля на измерительную поверхность реометра) нарушается целостность гелевой сетки, которая в последствии не восстанавливается полностью (так как после формирования жесткого гелевого каркаса диффузия анионов (БО^2) к местам дефектов гель-сетки затруднена). За счет энтропийной упругости макромолекулы в растворе (в том числе и супрамолекулы) имеют форму клубков. Размер этих клубков зависит от длины цепи. В условиях нашего исследования использовался один и тот же образец ЦСР, таким образом, при получении гелей молекулярная масса супрамолекул оставалась постоянной. Следовательно, влияние на физико-механические свойства гелей оказывала только концентрация инициатора гелеобразования - сульфата натрия. В ЦСР без добавления На2504 значение равновесного модуля упругости примерно на два порядка ниже, чем при минимальном содержании инициатора гелеобразования. Кроме того, плато на зависимости С от угловой частоты (в области 0,5-5 рад/сек) выделяется с трудом, так как в ЦСР вязкостные свойства преобладают над упругими, и он ведет себя как жидкость. В тоже время, опираясь на это условное значение равновесного модуля упругости, можно говорить об практически полном отсутствии каких либо сшивок между молекулами в растворе. Все вышеизложенное относительно свойств пространственной гель-сетки позволяет считать, что изменения С' гидрогелей происходит всегда вследствие изменения Мс.

При одинаковой величине абсолютной деформации (амплитуде деформирования) динамический модуль упругости в области плато линейно зависит от внешней силы, уравновешивающей силу энтропийной природы, которая стремится вернуть выпрямленные отрезки цепей в равновесное свернутое состояние. В соответствии с молекулярной теорией каучукопо-добной эластичности сила, действующая на концы цепи, обратно пропорциональна числу статистических элементов (звеньев) цепи и расстоянию между фиксированными концами цепи.

Таким образом, равновесное значение С' будет тем ниже, чем выше суммарная молекулярная масса Мс (или число звеньев А§-Ь-Суз) отрезков цепей между соседними анионными сшивками. Анализ полученных данных показал, что рост числа сшивок между супрамолекулярными цепями в геле, который приводит к увеличению густоты пространственной гель-сетки и повышению равновесного значения б', действительно определяется ростом концентрации инициатора гелеобразования.

Это правомерно до некоторой критической концентрации инициатора, после которой проведение эксперимента приводит к необратимой деформации гелевого каркаса и уменьшению значения G'. В итоге понятно, что управляя числом сшивок супрамолекул, посредством изменения концентрации электролита-инициатора, можно получать гидрогели с разными физико-механическими свойствами. Строение же гелей можно представить в виде пространственной сетки, в

„ „ местах сшивки (в узлах) ко-

I ис. 1?. Структурная модель пространственной гель- ^ v J '

сетки ЦСГ. Цифрами обозначены: (1) молекулярные торой находится анион ини-

цепочки (агрегаты), (2) катионные «мостики», (3) точ- циатора гелеобразования

ки ветвления = цепочка + катионный «мостик», (4) (рис. 15).

анионная сшивка

Глава 4. Прикладное значение CMC на основе водного раствора L-цистеина и нитрата серебра и продуктов, полученных с ее применением

Исследование возможности биомедицинского применения CMC и СМГ на на основе L-цистеина и ионов серебра проводилось в нескольких направлениях.

Был получен стабильный гидрогель с введенными для усиления антибактериального действия НЧС синтезированными классическим борогидридным способом и стабилизированными цистеином. Данные ПЭМ подтвердили присутствие в геле НЧС (рис. 16), а антимикробные испытания ЦСР с введенными НЧС подтвердили их активность (табл. 4)

500_nm

Рис. 16. Микрофотографии гидрогеля без введенных НЧС (а) и с введенными НЧС (б)

Табл. 4. Результаты тестирования составляющих гидрогеля и гелеообразующей системы на антибактериальную активность

Исследуемые образцы Зоны подавления роста тест-культур в мм

В.БиЫШз 6633 З.аигеиз АТСС 25923 Р.аеп^тоБа АТСС 27853

ЦСР 8 7 8

НЧС 0 10 0

ЦСР+НЧС 8 9 8

Разработан новый способ синтеза НЧС через стадию образования ЦСР с возможностью контроля размера получаемых наночастиц. НЧС синтезировали по двухступенчатой схеме. Первым шагом являлся синтез суп-рамолекулярного олигомера на основе Ь-цистеина и нитрата серебра, а вторым - непосредственно синтез НЧС при введении борогидрида натрия в систему. При этом синтезируемые НЧС связаны с цистеином через тиоль-ную группу и защищены от сильной агрегации, приводящей к седиментации.

Ag++HSCys —>А§8Суз+Н+ пАвБСуБ—>[А§8Су5]п (олигомерная форма)

(стадия 1)

КаВН4

[А§8Суз]п - А§°[А§5Су5]п.,-

(АЕ0)п[8Су5]п.т +т БН-Суз

(стадия 2)

С использованием методов ПЭМ и ДСР установлено, что управлять размером НЧС можно путем изменения концентрации ЦСР (рис. 17) и путем изменения типа химического восстановителя (или использования вместо него УФ-излучения).

30 им

J 100 им

ш too :*<<> ICOO0

iU l(J0 lWX) lOOJO

ли

Size (dnmi

Рис. 17. ПЭМ-изображения и распределения НЧС полученных из ЦСР с разным разбавлением (1а, 16-разбавление в 8 раз, 2а, 26-разбавление в2 раза, За, Зб-без разбавления)

В работе получен и протестирован на антимикробную активность ряд текстильных материалов разной природы (хлопок, полиэфир, полиамид) с использованием пропитки ЦСР и НЧС. Установлено, что рост колоний патогенных и условно-патогенных микроорганизмов отсутствует непосредственно на всех образцах текстиля (кроме Candida для образцов без использования НЧС). Вероятно, явление резистентности в отношении некоторых протестированных образцов, обусловлено необратимым связыванием препарата с поверхностью текстиля, что затрудняет его диффузию в агар. С другой стороны, отсутствие роста культур микроорганизмов на поверхности текстиля свидетельствует о закреплении на нем антибактериального агента. Таким образом, выбор типа носителя для препарата на основе ЦСР зависит от конкретного медицинского приложения, которое устанавливает приоритет диффузии препарата в агар или его закрепленности на носителе.

Пленки из ПВС с введенными НЧС на основе ЦСР и с самим ЦСР показали четко выраженную антибактериальную активность в отношении широкого ряда тестовых культур (табл.5).

Табл.5. Результаты тестирования пленок ПВС с ЦСР и НЧС на антибактериальную актив__ность

Исследуемые образцы Зоны подавления роста тест-культур в мм.

B.subti lis 6633 S.aureu s АТСС 25923 E.coli АТСС 25922 Sh.sonn ei III №1908 Salmonella typhimuri um 5715 P.aeruginos a ATCC 27853 C.albicans ATCC 885653

ПВС+НЧС 13 13 13 13 13 13 14

ПВС+ЦСР 13 14 14 14 14 14 19

ПВС 0 0 0 0 0 0 0

Выводы

1. Определены концентрационные и температурные условия формирования CMC на основе L-цистеина и ионов серебра в водной среде (мольное соотношение Ag/L-Cys от >(1,24-1,25) до 1,50; концентрация нитрата серебра не выше 0,004М, температура от 25 до 55 °С).

2. Установлено, что при взаимодействии L-цистеина с нитратом серебра в низкоконцентрированном водном растворе в зависимости от соотношения концентрации компонентов дисперсной фазы протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к формированию супрамолекул или нерастворимого МС.

3. Доказано, что супрамолекулы в созревшем ЦСР не подвергаются деструкции при нагревании до температуры 55 °С, супрамолекулы находятся в растворе в виде клубков, способных разрыхляться при разбавлении раствора.

4. Показано, что прочность СМГ на основе ЦСР зависит от типа электролита - инициатора гелеобразования (предпочтительны двузарядные анионы) и от его концентрации. Зависимости равновесного модуля упругости и обратной средней молекулярной массы участков цепи между анионными сшивками в геле (густоты сетки) от концентрации гелеобразователя проходят через максимум и достигают 200Па и 0,03-10"3 моль/г, соответственно.

5. Осуществлен синтез НЧС с применением ЦСР, описаны их свойства (способ проходит стадию защиты в качестве интеллектуальной собственности).

6. Разработаны перспективные варианты прикладного применения суп-рамолекулярных систем на основе L-цистеина и серебра: ткани с антибактериальной пропиткой, синтез НЧС, водорастворимые пленки с НЧС (способ проходит стадию защиты в качестве интеллектуальной собственности).

Перспестивы дальнейшей разработки темы. Среди перспектив дальнейшей разработки темы можно выделить следующие основные направления: исследования поискового характера для расширения спектра известных низкомолекулярных соединений способных формировать олигомерные и полимерные супрамолекулы и СМГ; исследования, направленные на расширение спектра биомедицинских применений CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра; исследования, направленные на использование металлосодержащх CMC в качестве прекурсоров в синтезах наночастиц с контролируемым размером.

Список работ, в которых опубликованы основные положения диссертации

Статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ

1. Пахомов, П. М. Супрамолекулярный гидрогель медицинского назначения на основе L-цистеина и ионов серебра /П. М. Пахомов, M. М. Овчинников, С. Д. Хижняк, О. А. Рощина, П. В. Комаров // Высокомолекулярные соединения. - 2011.- Т. 53. -№ 9. - С. 1574-1581.

2. Баранова, О. А. Гидрогели медицинского назначения на основе биоактивных веществ. Их синтез, свойства и возможности применения при получении бактерицидных материалов / О. А. Баранова, Н. И. Кузьмин, Т. И. Самсоно-ва, И. С. Ребецкая, О. П. Петрова, П. М. Пахомов, С. Д. Хижняк, П. В. Комаров, M. М. Овчинников // Химические волокна. — 2011. - № 1. - С. 74-86.

Заявки на патент

1. Баранова O.A.; Пахомов П.М. Способ получения наночастиц серебра. Заявка № 2013110629 от 12.03.2013 (Россия).

Работы, опубликованные в центральной печати, материалах общероссийских и международных конференций.

1. Спиридонова, В. М. Исследование влияния веществ различной природы на структуру и свойства гидрогелей на основе L-цистеина / В. М. Спиридонова, В. С. Савельева, О. А Рощина, С. С. Абрамчук, П. М. Пахомов // Сб. "Физи-ко-химия полимеров". Тверь. - 2010. - Т.16. - С.252-257.

2. Баранова, О. А. Реологические свойства супрамолекулярных гидрогелей на основе L-цистеина и ионов металлов, как перспективных систем для применения в медицинской практике / О. А. Баранова, С. Д. Хижняк, Н. И. Кузьмин, П. М. Пахомов.// Тез. докладов. 25 Симпозиум по реологии. Осташков. -2010. - С.183-184.

3. Баранова, О. А. Оптические свойства и структура цистеин-серебряного раствора как базовой системы для формирования супрамолекулярных гидрогелей / О. А. Баранова, П. М. Пахомов // Сб. "Физико-химия полимеров". Тверь. - 2011. - Т. 17. - С.158-164.

4. Баранова, О. А. Реологические свойства супрамолекулярных гидрогелей на основе L-цистеина и нитрата серебра / О. А. Баранова, Н. И. Кузьмин, П.М. Пахомов // Сб. "Физико-химия полимеров". Тверь. - 2011. - Т.17. - С.165-173.

5. Baranova, О. A. Supramolecular hydrogels 1-cysteine and silver nitrate based, structure and properties. / O. A Baranova, P. M. Pakhomov, S.D. Khizhnyak // Book of abstracts. The 7-th International Symposium "Molecular Mobility and Order in Polymer Systems'VSt.Petersburg. - 2011. - P. 178.

6. Баранова, О. А. Самосборка супрамолекулярных структур в предельно разбавленных водных растворах L-цистеина и нитрата серебра / О. А. Баранова, С. Д. Хижняк, П. М. Пахомов. // Тез. докладов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Волгоград. - 2011. - Т.1. - С.114.

7. Baranova, О. Dependence of rheological properties of supramolecular system based on L-cysteine and silver ions on its structure/ O. Baranova // Conference abstracts. Conference "Science and Progress", Saint-Petersburg, Peterhof. - 2011. - P.20.

8. Баранова, О. А. Супрамолекулярные гидрогели на основе L-цистеина и нитрата серебра. О их синтезе и свойствах / О. А Баранова // Материалы Меж-

дународного молодежного научного форума «J1OMOHOCOB-2011» / Отв. ред. А. И. Андреев, А. В. Андриянов, Е. А. Антипов, М. В. Чистякова. [Электронный ресурс] — М: МАКС Пресс, 2011. — 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM); 12 см. -Систем, требования: ПК с процессором 486+; Windows 95; дисковод DVD-ROM; Adobe Acrobat Reader.

9. Baranova, О. Studies of inside structures in supramolecular hydrogel based on L-cysteine and silver / O. Baranova // Conference abstracts. Conference "Science and Progress", Berlin. - 2012. - Poster 3.

10. Баранова, О.А., Супрамолекулярный гидрогель медицинского назначения с наночастицами серебра. / О. А. Баранова, П. М. Пахомов // Сб. тезисов докладов 16-го Симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформа-циям молекул. - 2012. - С.90.

11. Баранова, О. А. Супрамолекулярный гидрогель медицинского назначения с наночастицами серебра. / О. А., Баранова, С. Graff, Е. Ruehl, П. М. Пахомов // Сб. "Физико-химия полимеров".Тверь. - 2012. - Т.18. - С.161-166.

12. Баранова, О. А. Исследование ранних этапов формирования супрамо-лекулярных структур на основе 1-цистеина и серебра. / О. А. Баранова, С. Д. Хижняк, П. М. Пахомов // Тез. докладов. 26 Симпозиум по реологии. Тверь - 2012. - С.57.

13. Баранова О. А. Синтез наночастиц серебра через стадию образования супрамолекулярного полимера. / О. А. Баранова, С. Д. Хижняк, П. М. Пахомов // Сб. «Физико-химия полимеров».Тверь. - 2013. - Т.19. - С.161-167.

14. Baranova, О. A. Study of gel-frame of hydrogel based on I-cysteine silver supramolecular polymer by the rotational viscometry method / O. A. Baranova, P. M. Pakhomov // Books of abstracts. IV International conference on colloidal chemistry and physicochemical mechanics (IC-CCPCM 13). Moscow. - 2013. - P. 439-440.

Технический редактор A.B. Жильцов Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1.5. Тираж 100. Заказ №445. Тверской государственный университет Редакционно-издательское управление Адрес: 170100, г. Тверь, ул. Желябова, 33. Тел. РИУ (4822) 35-60-63.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Баранова, Ольга Александровна, Тверь

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи ^яАшМва/.--

04201451035 ' '

Баранова Ольга Александровна

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ САМООРГАНИЗАЦИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРИОЙ СИСТЕМЫ ИА ОСНОВЕ ВОДНОГО РАСТВОРА Ь-ЦИСТЕИНА И НИТРАТА СЕРЕБРА

02. 00. 04. - физическая химия Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Пахомов П.М.

Тверь - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ (CMC).....................9

1.1. Супрамолекулярные системы (CMC)....................................................................................9

1.1.1. Определение CMC............................................................................................................9

1.1.2. Развитие знаний в области CMC....................................................................................9

1.1.3. Классификация CMC.......................................................................................................10

1.1.4. Природа супрамолекулярных взаимодействий...............................................................11

1.1.5. Термодинамика и кинетика супрамолекулярных взаимодействий.....................15

1.2. Супрамолекулярные полимеры (СМИ)...............................................................................15

1.2.1. Определение и классификация. Координационные полимеры.................................15

1.2.2. Аналитические методы в исследовании СМП............................................................20

1.2.2.1. Расчетные методы...................................................................................................20

1.2.2.2. Спектрофотомерия и спектрофлюориметрия......................................................21

1.2.2.3. Электрохимические методы..................................................................................22

1.2.2.4. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)..........................................22

1.2.2.5. Реологические методы исследования...................................................................23

1.2.2.6. Другие методы (инфракрасная (ИК) спектроскопия, метод динамического светорассеяния (ДСР), элементный анализ)................................................24

1.2.3. СМП с ионами металлов.............................................................................................25

1.2.4. СМП на основе комплексов серебра............................................................................29

1.3. Супрамолекулярные гидрогели (СМГ)...............................................................................31

1.3.1. Определение, отличие от других типов гелей, свойства............................................31

1.3.2. Методы исследования СМГ..........................................................................................36

1.3.3. СМГ на основе полимерных комплексов металлов....................................................37

1.4. Применение СМП и СМГ.....................................................................................................41

1.4.1. Непосредственное использование СМП и СМГ.........................................................42

1.4.2. Использование объектов, полученных с применением СМП: наночастицы серебра (НЧС)............................................................................................................44

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................46

2.1. Реактивы.................................................................................................................................46

2.2. Объекты исследования и методики их получения.............................................................47

2.2.1. Низкоконцентрированные водные растворы на основе L-цистеина и нитрата серебра (ЦСР)................................................................................................................................47

2.2.2. СМГ на основе ЦСР.......................................................................................................47

2.2.4. Антимикробные материалы с применением ЦСР, СМГ и НЧС................................48

2.2.5. СМГ с введенными НЧС...............................................................................................50

2.2.6. НЧС на основе ЦСР.......................................................................................................50

2.3. Методы исследования и оборудование...............................................................................51

2.3.1. Метод спектроскопии в УФ и видимой областях спектра.........................................51

2.3.2. Реологические методы...................................................................................................52

2.3.3. Метод электронной микроскопии................................................................................53

2.3.4. Метод ДСР......................................................................................................................54

2.3.5. Метод потенциометрического титрования..................................................................54

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ CMC И СМГ НА ОСНОВЕ ВОДНОГО РАСТВОРА L-ЦИСТЕИНА И НИТРАТА СЕРЕБРА.................................56

3.1. Формирование олигомерных супрамолекул на основе L-цистеина и ионов серебра..............................................................................................................................................56

3.2. Определение концентрационных диапазонов протекания процесса формирования супрамолекул в ЦСР..............................................................................................59

3.2.1. Влияние мольного соотношения А§(1)/Е-цистеин на формирование супрамолекул.................................................................................................................................59

3.3. Влияние температуры на формирование супрамолекул. Оценка энергии активации олигомеризации..........................................................................................................65

3.4. Исследование свойств CMC на основе L-цистеина и ионов серебра...............................67

3.4.1. Влияние концентрации супрамолекул на свойства их раствора...............................67

3.4.2. Влияние температуры на свойства CMC L-цистеина и ионов серебра. Тепловая деструкция..................................................................................................................71

3.5. Механизмы взаимодействия L-цистеина и ионов серебра: нерастворимый МС и супрамолекулярная олигомеризация..............................................................................................73

3.6. Гелеобразование в растворах супрамолекул на основе Ь-цистеина и ионов серебра... 74 3.6.1. Подходы к изучению реологии СМГ на основе Ь-цистеина и ионов

серебра..........................................................................................................................................74

3.6.2. Сопоставление бальной системы оценки прочности гелей с численными реологическими характеристиками............................................................................................81

3.6.3. Влияние типа электролита инициатора гелеобразования и его концентрации на прочность СМГ.............................................................................................................................82

3.6.4. Влияние концентрации и мольного соотношения L-цистеина и ионов серебра при получении ЦСР на свойства СМГ...............................................................................................86

3.6.5. Замечания о качестве реактивов..................................................................................87

3.6.6. Исследование строения пространственной сетки СМГ методом ротационной вискозиметрии.............................................................................................................................89

ГЛАВА 4. ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ CMC НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА И ИОНОВ СЕРЕБРА И ПРОДУКТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕМ.........................................95

4.1. Синтез НЧС стабилизированных L-цистеином..................................................................95

4.2. СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра с введенными НЧС....................................97

4.3. НЧС синтезированные через стадию образования CMC..........................................101

4.3.1. НЧС с борогидридом натрия в качестве восстановителя..................................101

4.3.2. Использование различных типов восстановителей для синтеза НЧС через стадию образования CMC.......................................................................................................104

4.3.3. Использование УФ-облучения (254нм) для инициирования и ускорения синтеза НЧС через стадию образования CMC.......................................................................................106

4.4. Введение биоразлагаемых полимеров в СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра 107

4.5. Текстильные материалы медицинского назначения с пропиткой растворами CMC на основе L-цистеина и ионов серебра, а также СМГ и растворами НЧС, полученными на ее основе............110

4.5.1. Выбор состава "и "способа нжёсенйя препарата на текстиль...........................................110

4.5.2. Анализ альтернативных хлопку типов текстиля (полиэфир, полиамид и др.) в качестве матрицы для нанесения препарата............................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................114

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................116

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.....................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Исследования, посвященные супрамолекулярным системам (CMC), являются неотъемлемой частью современной фундаментальной и прикладной химической науки последних трех десятилетий. CMC это соединения, состоящие из молекулярных компонентов, объединенных путем самоорганизации и нековалентных взаимодействий в единый ансамбль. Подобные соединения довольно часто имеют полимерное (собственно полимерное или олигомерное) строение, а их растворы способны формировать гели. Свойства, которыми обладают полимерные CMC и гели на их основе стали причиной их интенсивных исследований. Ответ на вопрос: «Что могут эти полимеры, из того чего не могут обычные макромолекулярные полимеры?» позволяет понять их особенность и уникальность. Главные свойства CMC, дающие им особые функции, это динамичность и обратимость. Возможность контроля над механизмом формирования, огромное количество известных строительных блоков для них и возможность управления стабильностью соединений позволяет получать и использовать широчайший ряд веществ с легко регулируемыми свойствами.

Один из классов полимерных CMC достигших определенной степени коммерциализации это системы с биомедицинским потенциалом. Наиболее часто этот потенциал детерминирован наличием в структуре таких систем ионов или наночастиц серебра. Данные соединения обладают биоактивными свойствами (антибактериальным, антиревматоидным, иммуномодулирую-щим и др.); иммобилизованные на подложках, они способны придавать антибактериальные свойства материалам искусственных имплантов, при этом медленное выделение ионов серебра из покрытия определяет весьма ограниченную гибель лейкоцитов (которая довольно часто свойственна другим препаратам).

Данная работа является продолжением работ по исследованию олигомерных CMC и СМГ на основе низкоконцентрированного (микромолярные концентрации компонентов) водного цистеин-серебряного раствора (ЦСР) на основе аминокислоты L-цистеина и ионов серебра, впервые открытых и описанных группой ученых под руководством Пахомова П. М. Дополнительным мотивом продолжения данных исследований послужило то, что ранее проведенные

тесты на антибактериальную активность показали, что СМГ обладают антимикробным действием в отношении грамположительных стафилококков, бацилл и грамотрицательных эшерихий.

Резюмируя все вышесказанное, можно заключить, что актуальность данной работы определена возможностью применения в биомедицинских и других целях CMC и СМГ на основе ЦСР, для чего необходимо подробное изучение условий их получения (путем самоорганизации) и свойств.

Цель работы состояла в исследовании условий получения, механизма самоорганизации и физико-химических свойств CMC на основе низкоконцентрированных водных растворов L-цистеина и ионов серебра, а также разработке потенциальных вариантов применения исследуемых систем. В работе был применен широкий спектр современных теоретических и экспериментальных методов исследования. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- определить условия (концентрационные и температурные диапазоны), необходимые для получения CMC на основе ЦСР; определить механизм взаимодействия L-цистеина и ионов серебра в водных растворах;

- исследовать условия и механизм гелеобразования в ЦСР;

- осуществить синтез коллоидного раствора наночастиц серебра (НЧС) с применением CMC и СМГ на основе ЦСР и описать их свойства;

- получить ряд материалов прикладного значения с использованием CMC и СМГ на основе ЦСР.

В работе впервые:

- уточнены и оптимизированы концентрационные и температурные условия получения CMC и СМГ на основе ЦСР; установлены условия взаимодействий L-цистеина и ионов серебра не приводящие к формированию CMC;

- получены НЧС с применением CMC и СМГ на основе ЦСР, исследованы и описаны их свойства;

Практическая и теоретическая значимость работы состоит в том, что были установлены концентрационные и температурные условия получения CMC и СМГ на основе ЦСР. Дан-

ные о механизме гелеобразования в ЦСР и полученные сведения о механизме взаимодействия L-цистеина и ионов серебра расширяют теоретические знания о CMC и позволяют легко воспроизводить синтез СМГ на основе ЦСР. Установленные реологические, оптические, структурные и биологические свойства системы и данные о процессе гелеобразования открывают новые пути применения CMC и СМГ на основе ЦСР. Осуществленный синтез НЧС с применением CMC на основе L-цистеина и ионов серебра в качестве прекурсора является контролируемым процессом и позволяет получать НЧС с заданным размером. Разработанные перспективные варианты биомедицинского применения CMC и СМГ на основе L-цистеина и ионов серебра (ткани с антимикробной пропиткой, НЧС, водорастворимые пленки с НЧС) обладают необходимым для данных групп материалов антимикробным действием и могут представлять интерес для медицинской практики.

Методология и методы исследования. В работе использовались следующие физико-химические методы исследования и приборы: спектроскопия в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях спектра (спектрофотометры Evolution Array фирмы Thermo Scientific; Lambda 950 фирмы Perkin Elmer; СФ 2000 фирмы «Спектр».), ротационная и капиллярная вискозиметрия (реометр RheoStress 1 фирмы Haake и капиллярный автоматический вискозиметр AVS 370 фирмы Schott соответственно), просвечивающая электронная микроскопия - ПЭМ (микроскопы LEO 912 AB OMEGA и EM 10 CR фирмы Carl Zeiss), сканирующая электронная микроскопия -СЭМ (микроскоп SU8000 фирмы Hitachi), потенциометрическое титрование (иономер И-160) и метод динамического светорассеяния - ДСР (анализаторы Zetasizer ZS фирмы Malvern Instruments и DelsaNano S фирмы Beckman Coulter).

Положения, выносимые на защиту:

3. Результаты исследования механизма протекания процесса гелеобразования в ЦСР.

Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно определены методы решения задач исследования, проведены все основные экспериментальные исследования, а также их обра-

ботка и анализ результатов. Постановка задач исследования и обсуждение результатов диссертационной работы выполнены совместно с научным руководителем. Соавторы совместных публикаций принимали участие в постановке экспериментальных задач, проведении ряда измерений и обсуждении результатов.

Степень достоверности результатов проведённых исследований. Достоверность результатов диссертации обеспечивается анализом литературных данных использовавшихся в качестве опорных величин, постановкой исследовательских задач, позволяющей достичь цели работы, применением современных методов регистрации и обработки экспериментальных данных, сравнением (в ряде случаев при наличии возможности) с результатами, полученными в исследованиях других авторов.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих международных и отечественных конференциях: XVIII-XX Каргинские чтения с международным участием; Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии», (Тверь, 2011-2013); 25 и 26 Симпозиумы по реологии с международным участием, (Осташков, 2010, Тверь, 2012); 7-й международный симпозиум «Молекулярная подвижность и порядок в полимерных с�