Макромолекулярные системы на основе полиэлектролитов - производных хитина и наночастиц металлов

Широкова, Людмила Николаевна

Макромолекулярные системы на основе полиэлектролитов - производных хитина и наночастиц металлов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Широкова, Людмила Николаевна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Макромолекулярные системы на основе полиэлектролитов - производных хитина и наночастиц металлов»

Автореферат диссертации на тему "Макромолекулярные системы на основе полиэлектролитов - производных хитина и наночастиц металлов"

На правах рукописи

ШИРОКОВА ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА

МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ - ПРОИЗВОДНЫХ ХИТИНА И НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

10 ОКТ 2013

Москва - 2013

005534660

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ордена Трудового Красною Знамени Институте нефтехимического синтеза им. АВ. Топчиева Россшской академии наук (ИНХС РАН)

Научные руководители: доктор химических наук, профессор

Бондаренко Галина Николаевна

кандидат химических наук Александрова Валентина Андреевна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Карпачева Галина Петровна ФГБУН Институт нефтехимического синтеза им. АВ. Топчиева РАН, заведующая лабораторией химии полисопряженных систем

доктор химических наук, профессор Штильман Михаил Исаакович

ФГБОУ ВПО Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, руководитель учебно-научного центра «Биоматериалы»

Ведущая организация: ФГБУН Институт биохимической

физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Защита диссертации состоится « 31 » октября 2013 года в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.234.01 при ИНХС РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 29, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНХС РАН.

Автореферат разослан <т » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Сорокина Е.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание мультифункциональных полимерных материалов с комплексом ценных свойств является актуальным и перспективным направлением современных научных исследований. Выбор полиэлектролитов - производных хитина для создания макромолекулярных систем обусловлен уникальным комплексом свойств этих полимеров, таких как низкая токсичность, биосовместимость, возможность биодеструкции, способность образовывать волокна и пленки и др. материалы, широко применяемые в биохимии и медицине. Следует также отметить, что интерес исследователей к хитину ((1—>4)-2-ацетамидо-2-деокси-Р-О-глгокан) обусловлен наличием возобновляемых в природе источников сырья (панцири крабов, омаров и др. ракообразных, кутикула насекомых, стенки клеток грибов, а также дрожжи, оболочки микробов, зоопланктон, кораллы, водоросли).

Модификацию таких полимеров можно осуществлять путем полимеранало-гичных превращений с участием их функциональных групп или введением биологически активных веществ, в частности некоторых наночастиц металлов. Полимерная матрица в подобных системах играет роль стабилизатора наночастиц металлов, предотвращая их агрегацию.

Уникальные свойства металл-полимерных нанокомпозитных материалов (оптические, каталитические, электрофизические и т.д) и перспективы их широкого использования определяют возрастающий интерес к разработке методов получения макромолекулярных нанокомпозитов.

Цель работы - разработка новых подходов к созданию стабильных макромолекулярных систем на основе водорастворимых производных хитина, в частности 6-О-карбоксиметилхитина (KMX) и наночастиц металлов. В соответствии с целью исследования в работе были использованы физико-химические методы для решения следующих задач:

• исследовать возможность совмещения водной дисперсии наночастиц серебра (ВДС) с полиэлектролитами ряда хитин-хитозана с целью получения стабильных наносистем;

• осуществить транспорт наночастиц железа и серебра из их мицеллярного раствора в изооктане непосредственно в раствор водорастворимого производного хитина - KMX с использованием обработки ультразвуком (УЗ) гетерофазной системы изооктан-вода;

• провести радиационно-химический синтез наночастиц серебра при восстановлении ионов металла непосредственно в полимерной матрице KMX. Выявить оптимальные условия (концентрация полимера и соли серебра, доза облучения и т.д.), необходимые для получения стабильных, однородных по форме и размерам наночастиц серебра. Изучить влияние степени ионизации карбоксильных групп KMX на процессы формирования кластеров и наночастиц серебра при радиацион-но-химическом восстановлении из ионов;

• получить нанокомпозитные материалы на основе разработанных макромолекулярных систем;

• провести комплексные исследования состава и структуры полученных композитных наноматериалов методами УФ-Вид-спектроскопии, ИК-Фурье-спектроскопии, растровой электронной микроскопии, просвечивающей электрон-

ной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгеноспектрального и ренгтгеноструктурного анализа;

• провести оценку бактерицидного действия нанокомпозитных материалов, содержащих наночастицы серебра, в опытах in vitro.

Научная новизна. Получены новые макромолекулярные системы на основе KMX и наночастиц металлов. Данные о закономерностях их образования и стабилизации дополняют и развивают теоретические представления в области химии высокомолекулярных соединений и нанохимии.

Впервые для создания металлсодержащих нанокомпозитных полимерных систем предложен одностадийный процесс, исключающий стадию получения водной дисперсии наночастиц металлов. Для этого использовали УЗ-обработку гете-рофазной системы изооктан-вода, содержащей наночастицы металла и KMX соответственно.

Показано, что использование антиоксидантов растительного происхождения (галловая кислота, дигидрокверцетин и сиреневая кислота) приводит к дополнительной стабилизации наночастиц серебра в такой макромолекулярной системе вследствие образования водородных связей между функциональными группами фенольного антиоксиданта и KMX.

Впервые показано, что при радиационно-химическом восстановлении ионов серебра Ag+, связанных в поликомплекс с KMX, образуются наночастицы серебра, характеризующиеся высокой стабильностью как в растворе, так и в пленочном композите.

Практическая значимость. Разработка способов, позволяющих регулировать процессы образования наночастиц металлов, их размер и форму, а также повышать их стабильность, имеет большое практическое значение. Макромолекулярные системы на основе KMX, содержащие наночастицы серебра, могут быть использованы при создании раневых покрытий для ускорения процессов регенерации и эпителизации, для обеспечения пролонгированного антимикробного действия с целью предотвратить риск инфицирования раневой поверхности патогенной микрофлорой, а также поддерживать поступление в область раны кислорода, необходимого для процессов заживления. Макромолекулярные системы на основе KMX, содержащие наночастицы железа, могут быть использованы в области биомедицины (биосенсоры, магнитно-резонансная томография, маркеры биомолекул, управляемая локальная гипертермия опухолей, биосепарация и т.д.).

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на 16 всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах: VIII, IX, X и XI Международные конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Казань, 2006; Ставрополь, 2008; Нижний Новгород, 2010; Мурманск, 2012), XIV Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем Яльчик-2007» (Казань, 2007), Четвертая и Пятая Всероссийские Каргинские конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007; Москва, 2010), «III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics» (Moscow, Russia, 2008), «Научная конференция ИНХС РАН, посвященная 75-летию института» (Москва, 2009), «9th International Conference of the European Chitin Society» (Venice, Italy, 2009), XVI и XIX Международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009; Москва, 2012), «1st International Summer School - Nano2009. Nanomaterials and Na-

notechnologies in Living Systems» (Moscow région, Russia, 2009), Первая Всероссийская школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Москва, 2009), lst Russian-Hellenic Symposium with International Participation and Young Scientists School «Biomaterials and Nanobi-omaterials: Resent Advances Safety and Toxicology Issues» (Heraclion, Greece, 2010), «lOth International Conférence of the European Chitin Society» (Saint Petersburg, Russia, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ: 3 статьи в квалификационных журналах, 1 патент, 10 статей в научных сборниках материалов конференций и 11 тезисов докладов российских и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах, состоит из введения, литературного обзора (глава 1), результатов и их обсуждения (глава 2), экспериментальной части (глава 3), выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения. Список цитируемой литературы включает 206 наименований.

Список использованных сокращений приведен на странице 24 автореферата.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цели, определена научная новизна и возможные области применения.

В литературном обзоре проанализированы и обобщены имеющиеся данные по получению и применению производных хитина (хитозан, КМХ), методы получения наночастиц металлов в обращенных мицеллах, химические, фото- и радиа-ционно-химические методы получения металл-полимерных наноструктур, в частности наносистем на основе производных хитина и наночастиц металлов.

В экспериментальной части описаны характеристики исходных реагентов, растворителей, приведены описания методик синтеза полимеров, используемых для создания нанокомпозитных материалов, а также др. экспериментов и методов исследования.

Результаты и их обсуждение. Наночастицы металлов были получены методами биохимического синтеза (концерн «Наноиндустрия») и радиационно-химического синтеза (ООО «Ланаком»),

Принцип метода биохимического синтеза наночастиц серебра состоит в восстановлении ионов металла из солей металла биологически активным веществом (кверцетином) в обращенных мицеллах анионного ПАВ - 1,4-бис-[(2-этилгексил)окси]-1,4-диоксобутан-2-сульфонат) натрия (Аэрозоль-ОТ или АОТ) в изооктане. Поскольку АОТ хорошо растворим во многих неполярных растворителях и позволяет получать стабильные обращенные мицеллы в широком диапазоне концентраций ПАВ и степеней гидратации со = [Н20]/[ПАВ], то АОТ находит широкое применение для создания водно-органических мицеллярных растворов наночастиц металлов. На рис. 1 приведено схематичное изображение мицеллярного раствора наночастиц серебра в изооктане и ВДС.

1. Разработка способов получения и стабилизации макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим способом. Включение наночастиц серебра в структуру полимерной матрицы (КМХ) осуществляли путем постепенного введения ВДС в раствор полимера заданной концентрации при непрерывном перемешивании. Количест-

венное определение содержания наночастиц серебра и оценку их агрегативной устойчивости в растворах с KMX проводили путем измерения величины оптического поглощения наночастиц серебр Определение размеров наночастиц серебра, а также частиц полимера (как в исходном растворе, так и в композиции с наночастицами серебра) осуществляли методом фотонной корреляционной спектроскопии. В результате проведенных исследований выявлены водорастворимые производные хитина и хитозана, образующие наиболее стабильные системы с наночастицами серебра. Это анионные полиэлектролиты - KMX и сульфат хитозана. В случае применения поликатионов (хитозан, триметилхитозан и др.) получению устойчивых к агрегации наносистем препятствовало образование ПАВ-полиэлектролитного комплекса вследствие взаимодействия функциональных сульфогрупп ПАВ (АОТ) и аминогрупп макромолекул хитозана, что приводило к дестабилизации наночастиц серебра и выпадению осадка. Таким образом, выбор KMX в качестве исходной полимерной матрицы был обусловлен отсутствием в его структуре функциональных групп, вступающих в конкурирующее взаимодействие со стабилизирующей оболочкой мицеллы наночастиц серебра KMX с молекулярной массой (ММ) 12х104 и степенью карбоксиметилирования 1.0 синтезировали из хитина (рис.2) по известной методике.

Типичный спектр оптического поглощения и распределение частиц по размерам в ВДС представлены на рис. 3. Как видно из рисунка За, наночастицы серебра в водной дисперсии имеют характерную полосу поглощения при Хмакс 420 нм. Используя коэффициент поглощения (экстинкции) наночастиц серебра е = (1.03 ± 0.08) х 104л/мольхсм, по величине оптической плотности в максимуме полосы поглощения определяли концентрацию наночастиц серебра в водной дисперсии и в композиции с KMX. Из рис. 36 видно, что значительная доля частиц —75% представляет собой малые мицеллы диаметром порядка 1-3 нм. Из данных электронного спектра KMX, представленных на рис. 4а, 1, видно отсутствие полос поглощения в той области, которая характеризует наночастицы серебра (>Чикс 420 нм). Это позволяет легко регистрировать и количественно определять наночастицы серебра в их композиции с KMX как в растворах, так и в пленках. Из сравнения данных, представленных на рис. 4а, 2, 3 видно, что интенсивность поглощения наночастиц серебра пропорциональна их концентрации в полимерной композиции. Таким образом, были выявлены оптимальные условия получения совместимых и аг-регативно устойчивых систем полимер-наночастицы серебра. Следует отметить, что величина оптического поглощения наночастиц серебра в полимерной компо-

420 нм.

Рис. 1. Наночастицы металлов в растворах: мицелляр-ный раствор (слева) и водная дисперсия (справа)

Рис. 2. Реакция карбоксиметилирования хитина

зиции (Хмакс 420 нм) оставалась практически неизменной в течение длительного периода наблюдений (рис. 46), что подтверждает стабильность этих частиц в данных условиях.

Поглощение, отн. сл.

(б)

Рис. 3. Электронный спектр водной дисперсии наночастиц серебра (а) и гистограмма распределения частиц (%) по размерам (б); I - Ihm, II - 20 нм

Поглощение, отя. ед.

0.4

0,2

(а)

Поглощение, отя. ед.

(б)

МО

500

«00 Я, им

[ ГГ III

Врем», недели

Рис. 4. Спектры оптического поглощения системы при различном содержании ВДС (а) и изменение оптической плотности в максимуме полосы поглощения наночастиц серебра (420 нм) в системе КМХ-ВДС: 1 - 0.5 мае. % раствор KMX в воде, 2 - КМХ-ВДС (10:1 об./об.), 3 - КМХ-ВДС (5:1 об./об.).; I, II, III - недели

С использованием метода фотонной корреляционной спектроскопии было показано образование более крупных частиц в композиции КМХ-ВДС по сравнению с исходным KMX и раствором наночастиц серебра и практическое отсутствие мелких частиц. Это может быть обусловлено агрегацией макромолекул с включенными в них наночастицами серебра вследствие электростатического взаимодействия и образования водородных связей.

Созданные на основе KMX и наночастиц серебра биодеградируемые пленочные композитные материалы проявляют выраженную концентрационнозависимую антимикробную активность по отношению к штаммам как грамположительных Staphilococcus aureus, так и грамотрицательных Salmonella tythimurium бактерий.

2. Разработка способов получения н стабилизации макромолекулярных систем на основе KMX и наночастиц металлов, полученных радиацнонно-химмческим методом. В случае, когда наночастицы металлов в обращенных мицеллах используют для создания нанокомпозитных материалов (пленок, волокон и

т.д.), возникает необходимость совмещать наночастицы с водным раствором полимера. Для этого требуется предварительно получить водную дисперсию наноча-стиц металлов из их мицеллярного раствора в углеводороде. Однако данный процесс сопровождается длительной выдержкой гетерофазной системы до тех пор, пока не будет достигнуто четкого разделения органического и водного слоев. Кроме того, указанный процесс связан с потерей частиц вследствие их окисления и дестабилизации. В связи с этим был разработан одностадийный процесс для перевода наночастиц металлов из их мицеллярного раствора в изооктане в водный раствор KMX, исключая промежуточную стадию получения водной дисперсии наночастиц металлов. Для достижения этой цели использовали УЗ-обработку гетерофазной системы изооктан-вода, содержащей наночастицы металла и полимер соответственно. Процесс осуществляли на воздухе без использования инертных газов. Такие нанокомпозиты обладают практической значимостью и могут найти применение в медицине, электронике, а также в технологиях по защите окружающей среды (например, очистка грунтовых вод от примесей радионуклидов, а также дезактивация токсичных соединений с использованием полимерных систем, содержащих наноразмерные частицы железа).

2.1 Композиты карбоксимстилхитина с наночастицами железа.

Наночастицы железа использовали в виде водно-органического мицеллярного раствора. Метод радиационно-химического синтеза наночастиц железа основан на восстановлении ионов металла из водного раствора соли FeS04'7H20 в обратно-мицеллярной системе, стабилизированной анионным ПАВ - АОТ, общего состава Mt"+(H20)-A0T-H-anKaH активными восстановительными частицами радиолиза: сольватированным электроном, атомарным водородом или др. радикалами, генерируемыми у-излучением 60Со. Доза облучения составляла 10 кГр, степень гидратации со = [Н20]/[А0Т] варьировали в пределах 1.0-8.0 (рис. 5). Коллоидные

частицы со степенью гидратации со = 4 были выбраны для дальнейших исследований, поскольку при такой величине со в электронном спектре наблюдается наиболее интенсивная и стабильная во времени полоса поглощения наночастиц.

В сосуд для проведения УЗ-обработки вводили водный раствор 0.5-2.0 мае. % KMX (ММ = 8 х Ю4), а затем добавляли порциями без перемешивания требуемое количество мицеллярного раствора наночастиц железа в изооктане в различном соотношении с учетом величины оптической плотности наночастиц. УЗ-обработку полученных гетерофазных систем выполняли на установке с частотой 44 кГц для генерации УЗ-волн путем создания кавитации в жидкости. Время УЗ-обработки варьировали в интервале 5-20 мин.

Количественное определение содержания наночастиц железа при переходе на-

X, им

Рис. 5. Электронные спектры мицеллярного раствора наночастиц железа в изооктане в зависимости от величины степени гидратации со, равной 1.5 (7), 3.0 (2), 4.0 (5), 5.0 (4) и 8.0 (5)

ночастиц из органической фазы в водную, а также оценку их устойчивости в системах с KMX проводили с использованием метода УФ-Вид-спектрофотомерии путем измерения интенсивности поглощения наночастиц железа при 290 нм. Как показали результаты исследования, по мере увеличения продолжительности УЗ-обработки от 5 до 20 мин. с последующей выдержкой гетерофазной системы КМХ-наночастицы железа в течение недели содержание наночастиц железа (290 нм) в органической фазе уменьшалось на 80-90% и симбатно возрастало в растворе полимера при дальнейшей выдержке системы (рис. 6).

Интенсивность поглощения наночастиц железа в растворе полимера практически оставалась неизменной в течение двух недель. Устойчивость наночастиц железа в водном растворе KMX обусловлена, по-видимому, тем, что частицы, стабилизированные АОТ, имеющего длинные гидрофобные «хвосты», обращенные к среде (вода), окружены дополнительным гидрофильным слоем ионизированных макромолекул. В результате образуются устойчивые в воде трехкомпонентные системы, состоящие из ядра - металлических частиц железа, стабилизированных гидрофобным ПАВ и гидрофильным KMX (рис. 6).

1>, %

Иххил« I , лот

10 15

(б) 1

II 1

II 1 I

1 1

у. 1 Щ

г- Р г 1 Ж

Г А

Врэмя УЗ-обработки, г

Рис. 6. Влияние условий обработки гетерофазной системы КМХ-наночастицы железа ультразвуком, а также времени выдержки этой системы на содержание b наночастиц железа в мицеллярном растворе (а) и в растворе KMX (0.5 мае. %), рН 7.5 (б): 1 и 2 -содержание наночастиц железа в органическом мицеллярном слое и при времени выдержки, I и II — содержание наночастиц железа водном растворе KMX. Время выдержки 1 и 7 дней соответственно

Для исследования природы связей, образующихся в системе КМХ-наночастицы железа, был использован метод ИК-Фурье спектроскопии. Было проведено сравнительное изучение спектров следующих модельных систем: исходных АОТ и KMX, мицеллярного раствора наночастиц железа, а также систем КМХ-наночастицы железа и КМХ-АОТ. На рис. 7а, 76 представлены спектры пленок, полученных из водного раствора АОТ и мицеллярного раствора наночастиц железа. В спектрах наблюдаются лишь небольшие различия в соотношении интенсивности отдельных полос. Это происходит за счет того, что АОТ, являясь натриевой солью сульфокислоты, имеет в спектре поглощения вполне определенные полосы, характеризующие сульфогруппы в интервалах частот 1245-1220 и 1110-1000 см"1.

Каждая из указанных областей имеет по нескольку колебательных частот от смешанных колебаний всей сульфогруппы. В области 1245-1220 см~' находятся полосы, ответственные за колебания двойных связей -8=0, а в более длинновол-

-й.

новой области (1110-1000 см-1) - ответственные за связи и углы в группах ° .

Именно в этих областях спектра и наблюдаются существенные изменения относительной интенсивности полос при переходе от спектра АОТ к спектру ми-целлярного раствора наночастиц железа. Таким образом, связывание АОТ с нано-частицами железа приводит к изменению геометрии группы -S03~, которое сопровождается изменением относительной интенсивности полос поглощения связей и углов.

Согласно рис. 7а и 7в, кривая 2, на-ночастицы железа образуют с макромолекулой KMX систему водородных связей. Об этом можно судить по сдвигам полосы »оо, принадлежащей как нано-частицам железа, так и KMX. В спектре пленки наночастиц железа полоса ис=о наблюдается при 1737 см^1, а в спектре системы КМХ-наночастицы железа она сдвинута в длинноволновую область на 15 см-1 за счет образования водородных связей с амидными группами KMX. Полоса, характерная для амидных групп, проявляющаяся как плечо при 1652 см-1 в спектре KMX (рис. 7в, кривая 1), за счет сдвига в длинноволновую область не видна в спектре системы КМХ-наночастицы железа (рис. 7в, кривая 2), поскольку она маскируется очень интенсивной полосой 1604 см-1, характеризующей карбоксилат-анион.

Подобные изменения в спектре поглощения KMX были обнаружены при введении в водный раствор KMX индивидуального соединения АОТ (рис. 8). В композиции КМХ-АОТ (рис. 8, кривая 2) вместо двух полос (1601 и 1650 см-1), характерных для KMX (рис. 8, кривая /), появляется одна более интенсивная в области 1605 см-1. Такие изменения полос поглощения (рис. 7 и 8) можно рассматривать как спектральное проявление поляризации связи -N-H в амидной группе KMX и

Рис. 7. ИК-спектры пленок, полученных из водного раствора АОТ (а), мицеллярного раствора наночастиц железа в изоокгане (б), а также KMX (1) и композиции с КМХ-наночастицы железа (2) (в)

связи -С=0 в сложноэфирной группе образования водородных связей.

наночастиц железа, за счет

Наноразмерный характер частиц железа в полимерном композите (2-4 нм) был подтвержден методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рис. 9). Пленки из растворов KMX в воде, модифицированные наночастицами железа с концентрацией 0.03 и 0.06 мае. % (по полимеру), формовали методом полива на чашках Петри с испарением растворителя в течение 24 ч. Из анализа электронных спектров, представленных на рис. 10, следует, что полоса поглощения при длине волны 290 нм в пленках соответствует полосе поглощения нано-частиц железа в исходном мицеллярном растворе в изооктане (рис. 5). Величина оптической плотности наночастиц железа в композитных пленках не менялась в течение как минимум 6 месяцев.

Рис. 8. ИК-спектры пленок, полученных из водного раствора KMX (/), и системы КМХ-АОТ (2)

Рис. 9. Электронная микрофотография наночастиц железа (0.06 мае. % по KMX) в композиции с KMX (0.5 мае. %)

Рис. 10. Электронные спектры поглощения пленок, сформированных из KMX и наночастиц железа: I - KMX (4 мае. %), 2 - КМХ-наночастицы железа (0.03 мае. % по KMX), 3 - КМХ-наночастицы железа (0.06 мае. % по KMX)

На основе результатов микрорентгеноспектрального анализа (рис. 11) можно заключить, что в состав наночастиц железа в композите КМХ-наночастицы железа входят в основном частицы альфа-железа в нуль-валентном состоянии (рис. 11а), для которых характерен тип объемно-центрированной кубической решетки. Помимо этого, в композитах КМХ-наночастицы железа наблюдалось образование некоторого количества частиц окиси железа - магнетита Fe304 (рис. 116). Поскольку оба вида обнаруженных частиц обладают ферромагнетизмом, то такие ме-таллполимерные нанокомпозиты могут найти применение во многих областях медицины и электроники.

Исследования методами ПЭМ и микрорентгеноспектрального анализа нанокомпозигов KMX— железо выполнены в ФГУП «ВИМС» д.г.-м.н., проф. В.Т. Дубинчуком, которому автор выражает благодарность.

(б)

Рис. 11. Электронные микрофотографии, соответствующие им дифракционные картины и микрорентгенограммы пленок, полученных из водных растворов системы КМХ-наночастицы железа: альфа-железо (а) и магнетит РезС>4 (б)

Таким образом, анионный полиэлектролит KMX может быть успешно использован в качестве матрицы для создания композитов с наночастицами железа. При этом полимер в такой системе выступает не только в качестве пленкообразующего материала, но и выполняет функции стабилизатора наночастиц железа и модификатора, изменяющего сродство поверхности гидрофобной наночастицы железа к молекулам воды.

2.2 Композиты карбоксиметилхитина с наночастицами серебра.

Транспорт наночастиц серебра из их мицеллярного раствора в изооктане в водный раствор KMX осуществляли используя УЗ-обработку гетерофазной системы изооктан-вода, содержащей наночастицы серебра и KMX с антиоксидантом соответственно. Для защиты наночастиц серебра от окисления кислородом, растворенным в воде, в водный раствор полимера добавляли различные антиоксидан-ты растительного происхождения: дигидрокверцетин - 3,3',4',5,7'-пентагидрокси-флаванон (ДГК), галловую кислоту - 3,4,5-тригидроксибензойная кислота (ГК) и сиреневую кислоту - 4-гидрокси-3,5-диметоксибензойная кислота (СК), которые характеризуются низкой токсичностью и широким спектром полезной биологической активности (рис. 12). Отметим, что эффективность перевода наночастиц серебра из мицеллярного раствора в водный раствор KMX без использования анти-оксидантов была заметно ниже. Для того, чтобы выявить оптимальное соотношение полимер-антиоксидант, брали две концентрации антиоксиданта: 0.5 и 1.0 мае. % (от массы полимера), что соответствует концентрации антиоксидантов, часто применяемых для защиты субстратов от окисления.

{»> он

Рис. 12. Структурные формулы ДГК (а), ГК (б) и СК (в)

После проведения УЗ-обработки гетерофазной системы и во время выдержки наблюдали изменение окраски водного раствора полимера от светло-желтого до коричневого цвета Это свидетельствует о появлении наночастиц серебра в водном растворе полимера, что также было подтверждено данными УФ-Вид-

спектроскопии (рис. 13). Как видно из представленных данных (рис. 13а), наибольшая величина оптической плотности при 400-420 нм, а, следовательно, и максимальная концентрация наночастиц серебра была достигнута при концентрации ГК 0.5 мае. %. Таким образом, присутствие ГК в системе обеспечивает наиболее полный перевод наночастиц серебра из их мицеллярно-го раствора в изооктане в водный раствор KMX. Рост величины оптической плотности и доли наночастиц серебра, переведенных в водный раствор KMX, наблюдали также для систем, содержащих ДГК и СК, но эффективность процесса в присутствии указанных антиоксидантов была значительно ниже. Следует отметить, что в отличие от ГК повышение

Рис. 13. Электронные спектры систем 0.5 мае. % КМХ-наночастицы серебра-антиоксидант (а, б - ГК, в, г -ДГК, д, е - СК). Концентрация антиоксиданта 0.5 (а, в, д) и 1.0 мае. % по полимеру (б, г, е); 1,2 — время выдержки системы 1 и 14 суток соответственно, 3 - 0.5 мае. % KMX в воде. Время УЗ-обработки 10 мин.

концентрации СК в системе от 0.5 до 1.0 мае. % приводило к увеличению концентрации наночастиц серебра в водной среде. По-видимому, это обусловлено наличием только одной гидроксильной группы в структуре СК, в то время как в струк-

туре ГК присутствуют три гидроксильные группы, расположенные в мета- и пара-положении по отношению к карбоксильной группе (рис. 126).

Чтобы сравнить стабильность наночасгиц серебра в водном растворе KMX в присутствии ГК, ДГК и СК в аналогичных условиях, период выдержки системы после УЗ-обработки был продлен до 30 суток без отбора промежуточных проб. Из данных табл. 1 следует, что в указанный период величина оптической плотности наночастиц серебра в матрице KMX практически не менялась. При этом максимум полосы поглощения наночастиц серебра сдвигался в длинноволновую область при переходе от ГК (395 нм) к ДГК (400 нм), и затем к СК (430 нм). Также нужно отметить уширение полосы поглощения наночастиц серебра в ряду ГК-ДГК-СК (рис. 13), свидетельствующее об увеличении размеров наночастиц серебра, что будет в дальнейшем подтверждено данными ПЭМ.

Таблица 1. Поглощение системы 0.5 мае. % КМХ-наночастицы серебра-антиоксидант после

Ангиоксцданг Концентрация антиоксиданта, мае. % Оптическая плотность а«акс,нм

ГК 0.5 0.97 395

1.0 0.83 420

ДГК 0.5 0.16 400

1.0 0.41 400

СК 0.5 0.29 430

1.0 0.64 430

Влияние антиоксидантов на стабильность наночастиц серебра в матрице KMX может быть обусловлено не только защитой частиц от окисления, но и образованием системы водородных связей с участием функциональных групп антиоксидантов и полимерной матрицы. Для проверки этой гипотезы провели сравнительное исследование методом ИК-Фурье-спектроскопии растворов KMX, содержащих используемые антиоксиданты.

В присутствии ГК в макромолекулярной системе были отмечены четкие спектральные признаки взаимодействия между функциональными группами KMX и гидроксильными группами ГК (рис. 14а). Сильное расщепление полос поглощения в области 3500-3300 см"1, присущей группам -ОН и при 1660-1580 см"1, характерных для карбонила -С=0 у ацетамидной и карбоксильной групп соответственно, указывает на значительные изменения природы ассоциации таких групп в KMX из-за взаимодействия с ГК. В результате образуются гораздо более ассоциированные связи, что приводит к сдвигу полос поглощения этих групп в длинноволновую область. Отмеченные спектральные признаки подтверждают присутствие ГК и ее взаимодействие с матрицей в макромолекулярной системе. Полученные спектральные данные находятся в согласии с результатами др. исследователей, подтверждающих образование водородных связей ГК с полимерами хитин-хитозанового ряда. Из данных, приведенных на рис. 146 и 14в, видно, что спектральные признаки взаимодействия функциональных групп полимера с гидроксильными группами ДГК и СК выражены значительно слабее. В случае СК это, возможно, связано с присутствием одной гидроксильной группы и ее стерически затрудненным характером в структуре антиоксиданта. В структуре ДГК содержится пять гидроксильных групп. Однако, известно, что две из них участвуют в образовании внутримолекулярных водородных связей, что может снижать стабилизирующий эффект ДГК по отношению к наночастицам серебра в матрице KMX.

(«5

u \

V,J.

Таким образом, стабилизирующее влияние KMX и антиоксиданта по отношению к наночастицам серебра может быть обусловлено не только эффектом стерической изоляции частиц макромолекулами, но также образованием системы водородных связей между наружной оболочкой наночастиц, антиоксидан-том и макромолекулой.

Размер и морфология наночастиц серебра, иммобилизованных в матрице KMX, были охарактеризованы на основе анализа данных ПЭМ и локальной дифракции электронов . Согласно результатам ПЭМ (рис. 15), было отмечено увеличение размеров наночастиц серебра в композитной макромолекулярной системе в ряду антиоксидантов: ГК, ДГТС и СК. Это может быть вызвано различиями во взаимодействии указанных антиоксидантов как с полимерной матрицей, так и с наружной оболочкой, стабилизирующей наночастицы серебра. Среднее значение размера наночастиц серебра в присутствии ГК в системе составляло 5 нм (рис. 15а), в то время как в присутствии ДГК и СК отмечено укрупнение частиц до 30-40 и 40-50 нм соответственно (рис. 156, 15в). Данные ПЭМ согласуются с результатами, полученными с использованием методов УФ-Вид- и ИК-Фурье-спектроскопии. При переходе от ГК к ДГК и СК было отмечено значительное ослабление спектральных признаков, свидетельствующих об образовании водородных связей между функциональными группами KMX и антиоксиданта. По-видимому, ослабление взаимодействия наночастиц серебра с полимером и антиоксидан-том (в случае ДГК и СК) приводит к заметному увеличению размера частиц (рис. 156 и 15в). Неравномерное распределение частиц в матрице KMX может быть связано с полиэлектролитной природой матрицы, которая имеет форму клубка в водном растворе, что может приводить к различной доступности функциональных групп полимера при взаимодействии с ан-тиоксидантом и стабилизирующей оболочкой наночастиц серебра.

На рис. 15 помимо ПЭМ представлены данные локальной дифракции электронов. На микродифрактограммах присутствуют данные, соответствующие кристаллической решетке серебра.

15Ш mb ШЮ 3200 3SC0 4000

Рис. 14. ИК-спектры пленок, полученных из водного раствора KMX (1) и композиции КМХ-ГК (а), КМХ-ДГК (б) и КМХ-СК (в) в воде (2)

Исследования методами ПЭМ и локальной дифракции электронов нанокомпозигов серебра и KMX выполнены сотрудниками Центра коллективного пользования МГУ имени М.В. Ломоносова, которым автор выражает благодарность.

Рис. 15. Электронные микрофотографии и соответствующие им дифракционные картины пленок из водных растворов систем КМХ-наночастицы серебра-ГК (а), КМХ-наночастицы серебра-ДГК (б) и КМХ-наночастицы серебра-СК (в). Соотношение водный раствор KMX : мицеллярный раствор наночастиц серебра 1:1 (по объему), концентрация KMX 0.5 мае. %, концентрация антиоксиданта 0.5 мае. % по полимеру

3. Радиационно-химическое восстановление ионов серебра в матрице KMX.

Способ синтеза наночастиц металлов в обращенных мицеллах в двухфазных водно-органических системах широко известен и позволяет получать однородные как по размеру, так и по форме наночастицы металлов. Однако получаемый коллоидный раствор содержит большое количество неполярного растворителя - изо-октана, что существенным образом ограничивает возможности применения таких систем в биологии и медицине. В последние годы широко развиваются методы, позволяющие проводить синтез наночастиц при восстановлении ионов металлов непосредственно в полимерной матрице. При таком способе стабилизации наночастиц металлов в растворе в качестве восстановителя могут быть использованы как химические реагенты, так и различные виды излучений высоких энергий, в частности у-излучение.

Для получения коллоидного раствора наночастиц серебра использовали нитрат серебра AgN03 и в качестве стабилизатора наночастиц серебра водорастворимый полимер KMX (ММ = 8><104). При этом концентрацию раствора полимера варьировали в пределах 0.1-3.0 мае. %. Присутствующий в реакционной среде кислород инициирует побочные реакции окисления. Поэтому полученный раствор, содержащий KMX и AgN03, продували аргоном 1.5-3.0 часа в реакционном сосуде и тщательно герметизировали. Затем деаэрированные растворы подвергали у-облучению в дозе 1—4 кГр .

Влияние концентрации KMX на процессы образования кластеров и наночастиц серебра. На рис. 16 представлены электронные спектры продуктов радиолиза водных растворов KMX в различной концентрации и при постоянном содержании AgN03. Увеличение концентрации KMX сопровождается повышением доли связанных полимером ионов Ag+ и снижением скорости их диффузии. Это существенно замедляет процессы формирования кластеров. При использовании более низких концентраций менее 0.1 мае. % стабилизирующий эффект полимера значительно снижался, в частности при концентрации 0.05 мае. % образование наночастиц серебра не наблюдалось (рис. 16, 1). При радиационно-химическом восстановлении ионов Ag+ в водным растворе 2.0 мае. % KMX и 15.6 мМ AgN03 происходило резкое увеличение вязкости раствора и образование гелей, что, вероятно, связано с формированием специфических координационных поперечных сшивок

у-облучение образцов проводилось в РХТУ имени Д.И. Менделеева совместно с к.х.н. A.A. Фени-ным, которому автор выражает благодарность.

между линейными макромолекулами KMX, где в роли координационно-сшивающего агента выступают ионы серебра. При у-облучении ионов Ag+ в 0.5 мае. % KMX наблюдалось повышение интенсивности оптического поглощения раствора и заметное изменение в структуре спектра (рис. 16, 2).

При действии у-облучения в электронном спектре системы наблюдали появление широкой полосы поглощения в области 300-500 нм. Форма этой полосы поглощения изменялась при дальнейшем увеличении дозы облучения (рис. 16, 2 и рис. 17). Это свидетельствует о том, что в этой области поглощения представлено сочетание оптических полос, характерных для промежуточных кластеров серебра. При этом происходило постепенное исчезновение полосы с максимумом при 275 нм (кластеры А^2+) и появление отчетливой полосы с максимумом при 290 нм (кластеры Agg2+). Кроме того, на этой стадии радиационно-химического восстановления ионов Ag+ отчетливо проявлялись полосы с максимумом при 360-370 нм и 480-510 нм (Agn-олигомерные кластеры), принадлежащие квазиметаллическим частицам серебра. Далее рост интенсивности поглощения квазиметаллических частиц сопровождался исчезновением полосы поглощения кластера Ag82+. При этом также происходило постепенное смещение полосы поглощения квазичастиц к 390-420 нм и дальнейший рост интенсивности этой полосы, которая обусловлена поглощением наночастиц серебра, возникающих на заключительной стадии агрегации промежуточных кластеров. Смещение оптической полосы квазиметаллических частиц вызвано трансформацией их в частицы с металлическими свойствами (наночастицы серебра). Таким образом, макромолекулы KMX влияют на процесс формирования и роста частиц, контролируя их размер и форму.

Рис. 17. Электронные спектры водных растворов, содержащих 0.5 мае. % KMX, 7.8 мМ AgNC>3, 0.05 мл ИПС в 1 сутки после у-радиолиза при поглощенной дозе 1 кГр, 2 кГр, 3 кГр, 4 кГр

Рис. 16. Электронные спектры водных растворов, содержащих KMX концентраций 0.05 мае. % (1), 0.5 мае. % (2), 1.0 мае. % (5) и 2.0 мае. % (4), 7.8 мМ AgN03 и 0.05 мл ИПС, полученные в 1 сутки после у-радиолиза при поглощенной дозе 2 кГр

Влияние дозы радиационного облучения на процессы образования кластеров и наночастиц серебра. По мере увеличения дозы облучения (продолжительность у -облучения) происходило повышение интенсивности оптического поглощения раствора и заметное изменение в структуре спектра (рис. 17). Установлено, что даже при малых дозах облучения при содержании KMX 0.5 мае. % в течение месяца после у-облучения, наблюдался рост интенсивности полосы поглощения с максимумом при 420 нм, которую можно отнести к наночастицам золя серебра. Такое по-

ведение наночастиц серебра можно объяснить тем, что образовавшаяся коллоидно-металлическая фаза катализирует последующее восстановление ионов металла.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что KMX проявляет способность стабилизировать промежуточные кластеры серебра различной нук-леарности, образующиеся при радиационно-химическом восстановлении, которые являются предшественниками наночастиц металла.

3.1 Изучение сорбционной способности карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме по отношению к ионам серебра. Особенности строения полиэлектролитов оказывают существенное влияние на поведение таких макромолекул при изменении рН среды. Известно, что карбоксилатные группы полиэлектролитов способны образовывать комплексы с катионами металлов, восстанавливать их под действием у-облучения, а также взаимодействовать с положительно заряженными кластерами и атомами металла на поверхности наночастиц, обеспечивая их стабилизацию. В связи с этим было изучено влияние степени ионизации карбоксильных групп KMX на размер и форму наночастиц серебра, образующихся при радиационно-химическом восстановлении ионов Ag+, связанных в поликомплекс с KMX.

В качестве микрореактора для проведения процессов превращения ионов серебра в наночастицы был использован KMX, синтезированный в трех формах: солевой (KMX-Na), кислой (КМХ-Н) и смешанной (КМХ-50Н), содержащей звенья макромолекул KMX с группами -СООН и -COONa в равном соотношении.

Солевую форму получали в условиях синтеза в щелочной среде. Кислую форму полимера получали путем проведения реакции ионного обмена при пропускании раствора KMX-Na через катионит .

Степень ионизации (a) KMX изменяли, варьируя рН раствора. Кривая псгген-циометрического титрования раствора КМХ-Н представлена на рис. 18. Показано, что солевая форма KMX-Na образуется при рН 8.5 (а = 1.0), смешанная КМХ-50Н образуется при рН 4.5 (а = 0.5), а полностью кислая форма КМХ-Н имеет рН < 3.0 (а= 0). В твердом виде три формы KMX выделяли в виде волокнистого материала лиофильной сушкой. Помимо этого были получены пленки из водных растворов KMX в трех формах. С целью изучения закономерностей образования наночастиц серебра, формирующихся в результате радиационно-химического восстановления ионов, было проведено исследование влияния рН среды на взаимодействие макромолекул KMX-Na, КМХ-50Н и КМХ-Н, имеющих различную степень ионизации карбоксильных групп с катионами серебра. Для этого была изучена сорбцион-ная способность трех форм KMX по отношению к ионам серебра, источником которых являлся 0.1М раствор AgNOs. Сорбционную способность характеризовали величиной степени заполнения макромолекул каждой из трех форм полиэлектролитов катионами серебра (0СВяз)> которую рассчитывали по данным об изменении содержания в растворе свободных ионов Ag+ в присутствии KMX по уравнению:

0с„»з=(Сл8-[А8+]/)/[КМХ], (1)

где [Ag'J^ - концентрация свободных катионов серебра, моль/л; CAg - общая концентрация серебра в растворе, моль/л; [KMX] — нормальность KMX в растворе, осново-моль/л.

* Получение кислой формы KMX и на ее основе смешанной и солевой форм KMX, а также определение сорбционной способности трех форм KMX по отношению к ионам серебра выполнено совместно с А.С. Петросян, которой автор выражает благодарность.

Содержание свободных катионов Ag+ в системе определяли с использованием Ag-селективного электрода. Из анализа представленных на рис. 19 данных можно сделать вывод, что заполнение полимера ионами серебра наиболее эффективно происходит в матрице KMX-Na и КМХ-50Н. Поскольку известно, что исходная концентрация ионов Ag+ оказывает существенное влияние на процесс формирования наночастиц серебра, в настоящей работе при проведении радиационно-химического синтеза таких частиц были исследованы три степени заполнения макромолекул полиэлектролита KMX в трех формах ионами Ag+ - 0.2, 0.4 и 0.6 от максимально возможной, согласно кривым сорбции (рис. 19).

2 4 6 в !0 12 14

Обк»НаОН,ма

Рис. 18. Кривая потенциометрического Рис. 19. Изменение степени заполнения мак-титрования раствора KMX в кислой форме ромолекул KMX-Na (/), КМХ-50Н (2) и КМХ-(КМХ-Н) 0.05М раствором NaOH н (3) катионами серебра @СВя3 во времени

На рис. 20 представлены электронные спектры макромолекулярных систем, полученных на основе KMX в двух исследуемых формах, при дозе облучения 2 кГр, содержащих наночастицы серебра. Для оценки стабильности наночастиц серебра в растворе KMX снятие спектров проводили повторно через определенные промежутки времени, при этом реакционные смеси выдерживали в темноте при комнатной температуре. Из сравнения данных (рис. 20), полученных для двух форм KMX-Na и КМХ-50Н, при равной степени заполнения макромолекул ионами Ag+, видно, что оптическая плотность наночастиц серебра, полученных в матрице KMX-Na выше, чем для КМХ-50Н. Для всех описанных систем полосы поглощения в области 300—500 нм идентичны и с увеличением степени заполнения наблюдался рост оптической плотности наночастиц серебра. Полосы поглощения в области 340-550 нм относятся к кластерам серебра, содержащим различное число атомов металла.

В результате восстановления ионов Ag+ в матрице KMX-Na при у-облучении получали коллоидный раствор однородных по форме наночастиц серебра с размером частиц 1-5 нм (рис. 21). Следует отметить, что на микродифрактограммах, приведенных на рис. 21, присутствуют рефлексы, соответствующие межплоскостным расстояниям кристаллической решетки серебра

Представленные на рис. 22 электронные спектры наносистем, полученных с использованием в качестве исходной полимерной матрицы KMX в трех формах, подтверждают, что в исследуемых полиэлектролитах радиационно-химическое восстановление наночастиц серебра из ионов проходит эффективно, при этом достигается оптическая плотность 2.3.-2.4 (при Хшкс 420 нм).

Однако из электронных микрофотографий (рис. 23) этих систем видно, что для KMX-Na при степенях заполнения 0.2 и 0.4 (рис. 23а и 236) образуются нано-

частицы серебра размером 1-5 нм сферической формы. При увеличении степени заполнения макромолекулы ионами Ag+ до 0.6 формировались уже более крупные частицы, достигающие 10-15 нм, причем появляются наночастицы овальной фор-

мы.

Рис. 20. Электронные спектры систем, полученных в результате радиационно-химического восстановления при поглощенной дозе 2 кГр композиций КМХ-Ыа-А^^ (1-3) и КМХ-50Н-А§+ (Г-З% Степень заполнения 0.2 (1,1% 0,4 (2,2") и 0,6 (3,3% концентрация полимеров 0.5 мае. %, объем ИПС 0.05 мл. Спектры сняты через 1 (а) и 30 (б) суток после облучения

При использовании КМХ-50Н уже при малых степенях заполнения (рис. 23г и 23д) на фоне частиц с размером 1-10 нм отмечалось появление более крупных частиц 20-25 нм, имеющих неправильную форму. При степени заполнения 0.6 для КМХ-50Н (рис. 23е) наблюдалось агрегирование частиц и образование фрактальных структур. Образование подобных структур может быть обусловлено как внутри-, так и межмолекулярным некооперативным взаимодействием карбоксильных групп макромолекулы с ионами Ag+. Для кислой формы КМХ-Н эти процессы агрегирования частиц видны уже при малых степенях заполнения.

Данные ренгеноструктурного анализа также подтверждают, что наносистемы, полученные на основе KMX-Na, характеризуются наиболее высоким содержанием наночастиц в кристаллической фазе - 77.3%. При этом, с увеличением степени заполнения макромолекулы ионами Ag+ от 0.2 до 0.6, содержание наночастиц серебра в кристаллической фазе заметно снижалось до 69.8%. Такое же снижение содержания наночастиц серебра в кристаллической фазе в наносистеме при увеличении степени заполнения макромолекулы наблюдали и для другой формы - КМХ-50Н. Повышение содержания наночастиц серебра в кристаллической фазе в наносистеме может быть достигнуто при увеличении дозы радиационного облучения до 15 кГр, при этом достигается практически полное восстановление ионов в наночастицы. Дальнейшее увеличение суммарной дозы облучения нежелательно, поскольку может приводить к уменьшению MM KMX вследствие расщепления основной цепи по гликозидным связям.

Рис. 21. Электронные микрофотографии наночастиц серебра, полученных в результате радиационно-химического восстановления (поглощенная доза 2 кГр) водных растворов КМХ-Ыа-А£+ при степени заполнения 0.2 (а) и 0.6 (б)

В KMX-Na карбоксильные группы диссоциированы, и вследствие взаимного отталкивания одноименно заряженных групп макромолекула KMX-Na в водном растворе приобретает форму рыхлого клубка, что способствует равномерному распределению ионов Ag+ по карбоксильным группам полимера.

Можно также использовать смешанную форму КМХ-50Н, но при этом степень заполнения макромолекул ионами Ag+ не должна превышать 0.4. Отметим, что ранее в этой работе было показано, что прочностная характеристика пленок, сформованных из смешанной формы KMX, выше, чем показатели для пленок из солевой формы, поэтому в некоторых случаях использование в качестве исходной матрицы КМХ-50Н более предпочтительно для создания нанокомпозитов.

Рис. 22. Электронные спектры систем, полу- Рис. 23. Электронные микрофотографии на-ченных в результате облучения (поглощенная ночастиц серебра, полученных в результате доза 10 кГр) систем KMX-Na-Ag+-HIIC (1-3), радиационно-химического восстановления KMX-50H-Ag+-MlC (4-6) и KMX-H-Ag+- (поглощенная доза 10 кГр) водных раство-ИПС (7-9). Степень заполнения ионами се- ров KMX-Na-Ag+ (а-в), KMX-50H-Ag+ (г-е) ребра 0.2 (2, 4, 7), 0.4 (2, 5, 8) и 0.6 (3, 6, 9), и KMX-H-Ag+ (ж-и). Степень заполнения концентрация раствора полимеров 0.5 мае. %, 0.2 (а, г, ж), 0.4 (б, д, з) и 0.6 (в, е, и) объем ИПС 0.05 мл. Спектры сняты в 1 (а, в, д) и 30 (б, г, е) сутки после облучения

Таким образом, при радиационно-химическом синтезе наночастиц серебра из ионов Ag+ полимерная матрица KMX служит микрореактором, в котором происходит восстановление ионов, предварительно равномерно распределенных по карбоксильным группам полимера, в кластеры и далее в наночастицы серебра. Такие наночасти-цы, отделенные друг от друга структурными фрагментами макромолекул, характеризуются высокой стабильностью как в растворе, так и в пленках.

4. Исследование антимикробной активности нанокомпозитов с наночасти-цами серебра в матрице солевой формы KMX. Металл-полимерный пленочный

композитный материал получали путем добавления водного раствора KMX-Na с концентрацией 2.0-4.0 мае. % к полученному после у-облучения коллоидному раствору наночастиц серебра. Затем из полученного раствора по сухому способу формовали металл-полимерные композитные пленочные материалы путем удаления воды испарением до достижения влажности 10 мае. %.

Исследование бактерицидной активности коллоидного раствора наночастиц серебра и пленочного композитного материала. Антимикробные свойства исследуемых образцов оценивали по зоне угнетения роста патогенных микробов, четко выделяющейся на фоне сплошного микробного роста на питательных средах. В качестве тест-культур применяли штаммы грамотрицательных - Salmonella typhimurium 79 и грамположи-тельных - Staphylococcus aureus АТСС 6538Р бактерий, полученных из коллекции Государственного НИИ стандартизации и контроля медицинских и биологических препаратов им. JI.A. Та-расевича . Из представленных данных на рис. 24 видно, что коллоидный раствор проявляет сильное бактерицидное Рис. 24. Антимикробная активность коллоид-действие по отношению, как к грампо- ного раствора различной концентрации в отложительным, так и к грамотрицатель- ношении исследованных тест-культур микро-ным штаммам бактерий, причем это организмов: I - 0.5 мае. %, II - 0.25 мае. %, III действие сохраняется при разбавлении -0-17 мае. /о коллоидного раствора в 2 и 3 раза. Отметим, что зона задержки роста > 25 мм указывает на высокую чувствительность бактерий к антимикробному препарату.

Результаты по исследованию антимикробной активности пленок из KMX-Na, и композитных пленок из KMX-Na с наночастицами серебра приведены в табл. 2.

Таблица 2. Динамика влияния пленок из KMX-Na, содержащего наночастицы серебра, на коли 4eCTBOjmeTOKjJ^_

Тестируемый штамм, доза Тестируемый образец пленки 1£ числа живых бактерий в исследуемых пленках в промежутки времени (ч)

3.0 24.0

Salmonella typhimurium 79 105 КОЕ/мл Исходная культура (контроль) 5.15 5.15

КМХ-Ыа 4.26 3.69

КМХ-Ыа-наночастицы серебра 0 0

Staphilococcus aureus 653 8-P 105 КОЕ/мл Исходная культура (контроль) 5.09 5.09

КМХ-№ 4.78 4.38

КМХ-Ыа—наноч асти цы серебра 0 0

Salmonella typhimurium 79 103 КОЕ/мл Исходная культура (контроль) 3.02 3.02

КМХ-Ыа 2.19 1.75

КМХ-1Ча-наночастицы серебра 0 0

Staphilococcus aureus 6538-P 103 КОЕ/мл Исходная культура (контроль) 3.10 3.10

КМХ-Ыа 2.98 2.19

КМХ-Ка-наночасти цы серебра 0 0

* Эксперимент по определению антимикробной активности проведен в Московском государственном университете прикладной биотехнологии к.т.н., н.с. A.C. Багдасарян, которой автор выражает благодарность.

S 60-

а. Sil -2

1 30 ■

s 2<>-

о,

ii)-

1в6 КОЕ/мл 1ÖJ KOK/m-i II)6 КОЕ/ил ц}4 КОЕ/мл .Staphilococcus aureus Salmonella typhimurium

Из представленных данных видно, что непродолжительный контакт пленки KMX-Na-наночастицы серебра с микроорганизмами в течение 3 ч. приводит к практически полному уничтожению тест-культуры как грамположигельных, так и грамот-рицательных бактерий. Это свидетельствует об универсальном характере антимикробного действия композитных пленок на основе KMX-Na и наночастиц серебра. Пленка из KMX-Na, не содержащая наночастиц серебра, оказывала бактериостатиче-ское действие, замедляя рост микроорганизмов.

Таким образом, полученные композитные пленочные материалы проявляют выраженное бактерицидное действие по отношению к штаммам Salmonella typhimurium и Staphilococcus aureus.

ВЫВОДЫ

1. Впервые созданы стабильные наносистемы и композитные пленочные материалы на их основе при совмещении водного раствора KMX с водной дисперсий наночастиц серебра и показано, что они проявляют выраженную бактерицидную активность.

2. Впервые показана возможность транспорта наночастиц железа и серебра из их мицеллярного раствора в изооктане в водный раствор KMX при обработке ультразвуком гетерофазной системы изооктан-вода. На основании выявленных закономерностей разработан одностадийный процесс, исключающий стадию получения водной дисперсии наночастиц металлов. Подтверждена стабильность образующихся композитных наносистем как в растворе, так и в пленках.

3. Показано, что повышения стабильности наночастиц серебра можно достичь путем введения в систему антиоксидатов растительного происхождения (галловая кислота, дигцдрокверцетин и сиреневая кислота). Методом ИК-Фурье-спектроскопии подтверждено образование системы водородных связей между стабилизирующей оболочкой наночастиц, состоящей из молекул ПАВ, антиокси-дангом и макромолекулой KMX, что приводит к дополнительной стабилизации наночастиц серебра в наносистеме. При этом в присутствии галловой кислоты размер наночастиц серебра является наименьшим и составляет 2-5 нм.

4. Впервые осуществлен радиационно-химический синтез наночастиц серебра из ионов Ag+ в матрице KMX. Установлено, что исходная концентрация раствора полимера и ионов Ag+, а также доза у-облучения оказывает существенное влияние на размер и форму образующихся наночастиц, наличие которых подтверждали с использованием УФ-Вид-спектроскопии и ПЭМ.

5. Выявлено влияние степени ионизации карбоксильных групп KMX в солевой, кислой и смешанной форме на размер и форму наночастиц серебра, образующихся при радиационно-химическом восстановлении ионов Ag+, связанных в поликомплекс с KMX.

6. Впервые в опытах in vitro установлено, что созданные биодеградируемые нано-композитные материалы (растворы и пленки) проявляют выраженную концентра-ционнозависимую бактерицидную активность по отношению к штаммам как грамположигельных Staphilococcus aureus, так и грамотрицательных Salmonella tythimurium бактерий.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Широкова Л.Н., Александрова В.А., Егорова Е.М., Вихорева Г.А. Макромолекулярные системы и бактерицидные пленки на основе производного хитина и наночастиц серебра // Прикладная биохимия и микробиология. - 2009. - Т. 45, № 4. - С. 422-426.

2. Александрова В.А., Широкова Л.Н., Ревина A.A. Карбоксиметилхигин как матрица для композитов с наночастиизми железа // Высокомолек. соед. Сер. Б. - 2010. - Т. 52, № 10. - С. 1866-1872.

3. Александрова В.А., Широкова Л.Н., Бовдаренко Г.Н., Петросян А.С. Нанокомпозигы серебра и карбоксиметилхигина // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2013. - Т. 55, № 2. - С. 176-183.

4. Александрова В.А., Широкова Л.Н. Коллоидный раствор шночастиц серебра, металл-полимерный нанокомпозигный пленочный материал, способы их получения, бактерицидный состав на основе коллоидного раствора и бактерицидная пленка из металл-полимерного материала/Патент России № 2474471. 2013. Бюл. № 4.

5. Широкова Л.Н., Александрова В.А., Вихорева Г.А., Егорова Е.М. Макромолекулярные системы на основе полимеров ряда хигин-хигозана и наночастиц серебра / Сборник статей Восьмой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хигозана». Россия, Казань, 13-16 июня 2006. - С. 270-271.

6. Широкова Л.Н., Александрова В.А., Вихорева Г.А. Особенности стабилизации наночастиц серебра полиэлекгролигами ряда хигин-хигозана / Сборник статей XIV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем Яльчик-2007», выпуск 1. Россия, Казань, 25-30 июня 2007. - С. 333-336.

7. Широкова Л.Н., Александрова В.А., Ревина А.А., Вихорева Г.А. Полимерные матрицы для стабилизации наноразмерных частиц металлов на основе производного хитина / Сборник статей Девятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хигозана», Россия, Ставрополь, 13-16 октября 2008. - С. 130-131.

8. Широкова Л.Н., Александрова В.А., Бовдаренко Г.Н., Ревина А.А. Стабилизация наночастиц металлов в матрице карбоксиметилхигина / Материалы научной конференции ИНХС РАН, посвященной 75-летию института, Россия, Москва, 6-8 апреля 2009. - С. 186.

9. Shirokova L.N., Alexandrova V.A., Vihoreva G.A., Revina А.А. Chitin derivatives as systems for metal nanoparticles stabilization / Advances in chitin science volume XI. Proceedings of «9th International Conference of the European Chitin Society», Venice, Italy, May 23-26, 2009. - P. 535538.

10. Shirokova L.N., Alexandrova V.A., Revina A.A., Vihoreva G.A. Macromolecular systems on basis of carboxymethylchitin and metal nanoparticles / Abstracts Book of «1st International Summer School - Nano2009. Nanomaterials andNanotechnologies in Living Systems», Russia, Moscow region, June 29 - July 4,2009. - P. 382-384.

11. Shirokova L.N., Alexanderova V.A., Revina A.A. Iron nanoparticles coated with carboxymethylchitin / Materials of 1st Russian-Hellenic Symposium with International Participation and Young Scientists School «Biomaterials and Nanobiomaterials: Resent Advances Safety and Toxicology Issues», Heraclion, Greece, May 3-9, 2010. - P. 49-50.

12. Широкова Л.Н., Александрова B.A., Ревина A.A., Дубинчук В.Т. Получение и свойства наночастиц железа в матрице карбоксиметилхигина / Сборник статей Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хигозана», Россия, Нижний Новгород, 29 июня-2 июля 2010. - С. 70-73.

13. Александрова В.А., Широкова Л.Н., Доночкина А.С., Вихорева Г.А. Возможные пути стабилизации шночастиц металлов в матрице карбоксиметилхигина / Сборник статей Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хигозана», Россия, Нижний Новгород, 29 июня-2 июля 2010. - С.10-13.

14. Shirokova L.N., Petrosyan A.S., Alexandrova V.A., Vihoreva G.A. Carboxymethylchitin structure, spectral and strength characteristics of it's films / Advances in chitin science volume XIII. Proceedings of the «10-th International Conference of the European Chitin Society», St. Petersburg, Russia, May 20-24,2011. - P. 258-262.

15. Широкова Л.Н., Александрова B.A., Колягин Ю.Г. Стабилизация наночастиц серебра в матрице карбоксиметилхигина в присутствии ангиоксвдангов / Сборник статей Одиннадцатой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хигозана», Россия, Мурманск, 25-29 июня 2012. - С. 120-125.

Список использованных сокращений: АОТ - Аэрозоль-ОТ, ВДС - водная дисперсия наночастиц серебра, ГК - галловая кислота, ДГК - дигидрокверцетин, KMX - 6-0-карбоксиметилхитин, KMX-Na - KMX в солевой форме, КМХ-Н - KMX в кислой форме, КМХ-50Н - KMX в смешанной форме, ММ - молекулярная масса, ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия, СК - сиреневая кислота, УЗ - ультразвук, а — степень ионизации, ©связ- степень заполнения KMX катионами Ag+.

Заказ № 122-Р/09/2013 Подписано в печать 25.09.13 Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1,2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; е-тай: info@cfr.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Широкова, Людмила Николаевна, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАУКИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА им. А. В. ТОПЧИЕВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201363374 Широкова Людмила Николаевна

МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ - ПРОИЗВОДНЫХ ХИТИНА И НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

ДИССЕРТАЦИЯ иа соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Бондаренко Галина Николаевна,

кандидат химических наук Александрова Валентина Андреевна

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ....................................................................................2

СПИСОК ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ СОКРАЩЕНИЙ....................................................4

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

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................................................................9

1.1 Хитин и его производные: получение, свойства и применение......................9

1.1.1 Деацетилирование хитина.................................................................................10

1.1.2 Карбоксиметилирование хитина.......................................................................13

1.1.3 Области применения карбоксиметилхитина...................................................16

1.2 Наноструктуры: общая характеристика и методы получения.......................20

1.3 Металлсодержащие наночастицы: методы получения и стабилизации.......22

1.3.1 Методы синтеза наночастиц металлов в обращенных мицеллах..................25

1.3.2 Основные условия стабилизации наночастиц металлов полимерами..........31

1.3.3 Химическое восстановление ионов металлов в присутствии полимеров .... 33

1.3.4 Фото- и радиационно-химическое восстановление ионов металлов в растворах полимеров..........................................................................................39

1.3.4.1 Фотолиз металл-полимерных систем...............................................................40

1.3.4.2 Радиол из металл-полимерных систем..............................................................45

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.............................................................51

2.1 Разработка способов получения и стабилизации макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим способом............................................................51

2.1.1 Исследование совместимости и агрегативной устойчивости макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим методом.......................52

2.1.2 Создание композитных пленок, модифицированных наночастицами серебра, полученными биохимическим способом и исследование антимикробных свойств пленок.......................................................................62

2.2 Разработка способов получения и стабилизации макромолекулярных систем на основе карбоксиметилхитина и наночастиц металлов, полученных радиационно-химическим методом...........................................66

2.2.1 Композиты карбоксиметилхитина с наночастицами железа.........................67

2.2.2 Композиты карбоксиметилхитина с наночастицами серебра. Влияние природных антиоксидантов на стабильность наночастиц серебра в матрице карбоксиметилхитина.........................................................................79

2.3 Радиационно-химическое восстановление ионов серебра в матрице карбоксиметилхитина........................................................................................92

2.3.1 Изучение сорбционной способности карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме по отношению к ионам серебра........................99

2.3.2 Характеристика структуры и свойств карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме.............................................................................103

2.3.3 Радиационно-химический синтез наночастиц серебра и характеристика структуры нанокомпозитов на основе карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме.............................................................................113

2.3.4 Исследование антимикробной активности нанокомпозитов с наночастицами серебра в матрице солевой формы

карбоксиметилхитина......................................................................................121

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ................................................................127

3.1 Материалы.........................................................................................................127

3.2 Методы..............................................................................................................129

3.2.1 Синтез карбоксиметилхитина.........................................................................129

3.2.2 Получение пленок из водных растворов полимеров....................................130

3.2.3 Перевод наночастиц металлов из миделлярного раствора в водный раствор полимера с помощью обработки ультразвуком..............................130

3.2.4 Получение карбоксиметилхитина в кислой форме......................................131

3.2.5 Радиационно-химический синтез наночастиц серебра в матрице карбоксиметилхитина......................................................................................131

3.3 Методы анализа................................................................................................132

3.3.1 Количественное определение содержания серы...........................................132

3.3.2 Определение молекулярной массы полимеров с использованием метода седиментации....................................................................................................132

3.3.3 Определение кинематической вязкости растворов полимеров...................133

3.3.4 Определение показателя преломления растворов полимеров.....................134

3.3.5 Определение размеров наночастиц серебра, полимеров и их композиций методом фотонной корреляционной спектроскопии....................................134

3.3.6 Потенциометрическое титрование карбоксиметилхитина...........................137

3.3.7 УФ-Вид-спектроскопия...................................................................................137

3.3.8 ИК-Фурье-спектроскопия................................................................................137

3.3.9 Определение концентрации свободных катионов серебра методом

потен циометрического титрования................................................................137

3.3.10 Исследования антимикробных свойств металл-полимерных коллоидных растворов и нанокомпозитных пленок.....................................138

3.3.11 Растрово-электронная микроскопия...............................................................140

3.3.12 Просвечивающая электронная микроскопия.................................................140

3.3.13 Атомно-силовая микроскопия.........................................................................140

3.3.14 Рентгеноструктурный анализ..........................................................................141

3.3.15 Микрорентгеноспектральный анализ.............................................................141

3.3.16 Термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия....................................................................................................141

3.3.17 ЯМР-спектроскопия....................................................................................142

3.3.18 ЬС ЯМР-спектроскопия твердого тела..........................................................142

3.3.19 Физико-механические испытания...................................................................142

ВЫВОДЫ.......................................................................................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................145

Приложение 1.................................................................................................................166

Приложение 2.................................................................................................................167

СПИСОК ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ СОКРАЩЕНИЙ

АОТ бис(2-этилгексил) сульфосукцинат натрия

АСМ атомно-силовая микроскопия

ВДС водная дисперсия наночастиц серебра

ГК галловая кислота (3,4,5-триоксибензойная кислота)

ДГК дигидрокверцетин (3,3',4',5,7-пентогидроксифлавонон)

ДПП длинноволновая полоса поглощения

ДСК дифференциальная сканирующая калориметрия

ИК инфракрасный

ИПС изопропиловый спирт (изопропанол-2)

KMX 6-О-карбоксиметилхитин

КМХ-Н кислая форма KMX

КМХ-50Н смешанная форма KMX

KMX-Na солевая форма KMX

ММ молекулярная масса

МХУК монохлоруксусная кислота

НРЧ наноразмерные частицы

ПА полиакрилат-анионы

ПАК полиакриловая кислота

ПАВ поверхностно-активное вещество

ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия

РСА рентгеноструктурный анализ

СД степень деацетилирования

СК сиреневая кислота (3,5-диметокси-4-оксибензойная кислота)

СХ сульфат хитозана

СХ-70 сульфат хитозана с ММ 7* 104

СХ-120 сульфат хитозана с ММ 12х104

ТГА термогравиметрический анализ

ТСО триптический соевый отвар

УЗ ультразвук(овой)

УФ-Вид ультрафиолетовый-видимый

ЬС ЯМР ядерный магнитный резонанс на ядрах ЬС

'Н ЯМР ядерный магнитный резонанс на ядрах

тв. ЬС ЯМР твердотельный ядерный магнитный резонанс на ядрах 1 С

dcp средний диаметр частиц

Qr кверцетин (3,3',4',5,7 -пентагидроксифлавон)

а степень ионизации

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Создание мультифункциональных полимерных материалов с комплексом ценных свойств является актуальным и перспективным направлением современных научных исследований. Выбор полиэлектролитов - производных хитина для создания макромолекулярных систем обусловлен уникальным комплексом свойств этих полимеров, таких как низкая токсичность, биосовместимость, возможность биодеструкции, способность образовывать волокна и пленки и др. материалы, широко применяемые в биохимии и медицине. Следует также отметить, что интерес исследователей к хитину ((1—>4)-2-ацетамидо-2-деокси-Р-0-глюкан) обусловлен наличием возобновляемых в природе источников сырья (панцири крабов, омаров и др. ракообразных, кутикула насекомых, стенки клеток грибов, а также дрожжи, оболочки микробов, зоопланктон, кораллы, водоросли).

Модификацию таких полимеров можно осуществлять путем полимераналогичных превращений с участием их функциональных групп или введением биологически активных веществ, в частности некоторых наночастиц металлов. Полимерная матрица в подобных системах играет роль стабилизатора наночастиц металлов, предотвращая их агрегацию.

Уникальные свойства металл-полимерных нанокомпозитных материалов (оптические, каталитические, электрофизические и т.д.) и перспективы их широкого использования определяют возрастающий интерес к разработке методов получения макромолекулярных нанокомпозитов.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории «Химии полиэлектролитов и медико-биологических полимеров» ИНХС РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ института.

металлов. В соответствии с целью исследования в работе были использованы физико-химические методы для решения следующих задач:

• провести радиационно-химический синтез наночастиц серебра при восстановлении ионов металла непосредственно в полимерной матрице KMX. Выявить оптимальные условия (концентрация полимера и соли серебра, доза облучения и т.д.), необходимые для проведения этого процесса. Изучить влияние степени ионизации карбоксильных групп KMX на процессы формирования кластеров и наночастиц серебра при радиационно-химическом восстановлении из ионов;

• получить нанокомпозитные материалы на основе разработанных макромолекулярных систем;

• провести комплексные исследования состава и структуры полученных композиционных наноматериалов методами УФ-Вид-спектроскопии, ИК-Фурье-спектроскопии, растровой электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгеноспектрального и ренгтгеноструктурного анализа;

Впервые для создания металлсодержащих нанокомпозитных полимерных систем предложен одностадийный процесс, исключающий стадию получения водной дисперсии наночастиц металлов. Для этого использовали УЗ-обработку гетерофазной системы изоокан-вода, содержащей наночастицы металла и KMX соответственно.

Показано, что использование антиоксидантов растительного происхождения (галловая кислота, дигидрокверцетин и сиреневая кислота) приводит к дополнительной стабилизации наночастац серебра в такой макромолекулярной системе вследствие образования водородных связей между функциональными группами фенольного антиоксиданта и KMX.

Впервые показано, что при радиационно-химическом восстановлении ионов серебра Ag~, связанных в поликомплекс с KMX, образуются наночастицы серебра, характеризующиеся высокой стабильностью как в растворе, так в пленочном композите.

Практическая значимость работы. Разработка способов, позволяющих регулировать процессы образования наночастиц металлов, их размер и форму, а также повышать их стабильность имеют большое практическое значение. Макромолекулярные системы на основе KMX, содержащие наночастицы серебра, могут быть использованы при создании раневых покрытий для ускорения процессов регенерации и эпителизации, для обеспечения пролонгированного антимикробного действия с целью предотвратить риск инфицирования раневой поверхности патогенной микрофлорой, а также поддерживать поступление в область раны кислорода, необходимого для процессов заживления. Макромолекулярные системы на основе KMX, содержащие наночастицы железа, могут быть использованы в области биомедицины (биосенсоры, магнитно-резонансная томография, маркеры биомолекул, управляемая локальная гипертермия опухолей, биосепарация и т.д.).

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на 16 всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах:

VIII, IX, X и XI Международные конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Казань, 2006; Ставрополь, 2008; Нижний Новгород, 2010; Мурманск, 2012), XIV Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем Яльчик-2007» (Казань, 2007), Четвертая и Пятая Всероссийские Каргинские конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007; Москва, 2010), «III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics» (Moscow, Russia, 2008), «Научная конференция ИНХС РАН, посвященная 75-летию института» (Москва, 2009), «9th International Conference of the European Chitin Society» (Venice, Italy, 2009), XVI и XIX Международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009; Москва, 2012), «1st International Summer School - Nano2009. Nanomaterials and Nanotechnologies in Living Systems» (Moscow region, Russia, 2009), Первая Всероссийская школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Москва, 2009), 1st Russian-Hellenic Symposium with International Participation and Young Scientists School «Biomaterials and Nanobiomaterials: Resent Advances Safety and Toxicology Issues» (Heraclion, Greece, 2010), «10th International Conference of the European Chitin Society» (Saint Petersburg, Russia, 2011).

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Хнтнн и его производные: получение, свойства и применение

Биополимеры хитинового ряда обратили на себя внимание ученых в первой половине XIX века (Н. Вгасоппо^ 1811) [1]. Хитин является основным компонентом экзоскелета (кутикулы) беспозвоночных животных и содержится в панцире крабов, омаров и других ракообразных, в кутикуле насекомых, в стенках клеток грибов, а также в дрожжах, оболочке микробов, зоопланктона, кораллах, в водорослях. Каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается до 10п-1012 тонн хитина [2, 3]. Только в планктоне океанов и морей ежегодно обновляются миллиарды тонн хитина. Практически неисчерпаемые запасы сырья, а также комплекс уникальных свойств хитина и его производных - биосовместимость, способность к биодеструкции в организме, низкая токсичность, высокая сорбционная способность и др., вызывают все больший интерес исследователей к их получению и применению.

Хитин, представляющий собой линейный полисахарид, неразветвленные цепи которого состоят из элементарных звеньев 2-ацетил-2-амино-2-дезокси-0-глюкозы и соединены 1,4-Р-гликозидной связью, содержит в структуре две гидроксильные группы, одна из которых у С-3 - вторичная, а вторая у С-6 -первичная (рис. 1).

НзС^О.....Н*. НзСуО.....К.

НгСч ^НгС^О—^От^^Н ^ ^С^О^ _

......

О-«'0 н3сАо.....Н"° К,сЛо-

Рис. 1. Структура хитина и схема образования внутримолекулярных водородных связей (точечные линии) в хитине [4] Большая длина и ограниченная гибк