Синтез, структура и морфология органо-модифицированных кремнеземов в качестве эффективных адсорбентов билирубина и носителей доксорубицина и сульфасалазина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ТИМИН Александр Сергеевич

СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И МОРФОЛОГИЯ ОРГАНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ В КАЧЕСТВЕ ЭФФЕКТИВНЫХ АДСОРБЕНТОВ БИЛИРУБИНА И НОСИТЕЛЕЙ ДОКСОРУБИЦИНА И СУЛЬФАСАЛАЗИНА

02.00.01 — неорганическая химия

1 О СЕН 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново - 2015 005562237

005562237

Работа выполнена на кафедре неорганической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» (г. Иваново)

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Румянцев Евгений Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»,

кафедра коллоидной химии, профессор Шабанова Надежда Антоновна

доктор химических наук, профессор ФГБУН Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова Российской академии наук, лаборатория химии наноматериалов,

заведующий лабораторией Губин Сергей Павлович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится «_22 » октября 2015 года в 4G QQ часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 002.106.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (ИХР РАН) по адресу 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д. 1, тел. (4932) 336272, факс (4932) 336237, e-mail: dissovet@isc-ras.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ИХР РАН http://wmv.isc-ras.ru по ссылке: http://www.isc-ras.ru/?q=ru/devatelnost/dissertacionnvv-sovet/

Автореферат разослан « 0L» 2015 г.

Ученый секретарь диссертациоиного совета

Антина Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей областью современной неорганической химии является дизайн и синтез новых неорганических веществ и гибридных материалов на их основе. Одтм из перспективных направлений является модификация неорганических матриц и каркасов функциональными группами органических веществ, включая разнообразные по структурно-функциональной организации биомолекулы. В этих целях наибольшее распространение получили ультрадисперсные кремнеземы [1]. Такие материалы уже используются в различных адсорбционных процессах, хроматографии, при построении неорганических каркасов для инкапсулирования и иммобилизации биологических объектов. Известные сегодня методы получения гибридных материалов на основе кремнеземов основаны на использовании двух стратегий: «снизу вверх» и «сверху вниз». Одним ш эффективных методов является золь-гель технология, позволяющая формировать сочетание нескольких компонентов, которые, взаимодействуя с растущей неорганической матрицей, формируют структуру нового материала [2]. Современная наука «видит» будущее в таком симбиозе и в создании «умных» материалов, совмещающих в себе несколько функций. С точки зрения наук о жизни к важнейшим из них можно отнести высокую селективность распознавания биомолекул, что позволяет создавать биосенсоры, наноконтейнеры и др.

Несмотря на достаточно большой имеющийся сегодня массив экспериментальных и теоретически работ в области золь-гель синтеза простых и модифицированных кремнеземов, оригинальные исследования их применения в качестве адсорбентов билирубина и носителей противораковых препаратов единичны. В этой связи практи-ко-ориентировашгые исследования в области золь-гель синтеза и исследования орга-но-модифицированных кремнеземов с включением молекул, имеющих различную структуру н центры донорпо-акцепгорного взаимодействия, является актуальной задачей неорганическойхшши и смежных с ней областей химической науки.

Цель работы — синтез, изучение структурно-морфологических особенностей, адсорбционных свойств и возможностей использования в качестве носителей противораковых препаратов органо-модифицированных кремнеземов, в том числе с включением функциональных полимеров. Для достижения поставленной цели решались следующие экспериметальные и теоретические задачи:

1) синтез кремнеземов, модифицированных октил-, фенил- и уринопропильными группами;

2) синтез кремнеземов с включением полигуанидинов, поливинилпирролцдона и бычьего сывороточного альбумина;

3) изучение структурных, поверхностных и морфологических особенностей полученных материалов во взаимосвязи с их составом и строением;

4)установление закономерностей адсорбции билирубина то водных растворов полученными материалами и поиск наиболее эффективных сорбентов;

5) изучение возможностей закрегаения доксорубиципа и сульфасалазина на поверхности полимер-модифицированных кремнеземов и их последующего рН-контролируемого высвобождения в индивидуальной форме.

Научная новизна. С использованием золь-гель технологии получены новые гибридные материалы на основе неорганической матрицы кремнезема с включением различных типов полимеров природного и синтетического происхождений: бычьего сывороточного альбумина, поливинилпирролвдона и гуанидинсодержащих полимеров. Установлено, что поверхностные свойства и морфология конечного материала в значительной степени определяется типом закрепленного («включенного») полимера или органосплана. Полученные кремнеземы были применены в качестве сорбентов для адсорбции билирубина — высокотоксичного пигмента и маркера функции печени из водных растворов. Показано, что иммобилизация биополимеров в неорганическую матрицу кремнезема приводит к значительному увеличению сорбционной способности по отношению к билирубину в сравнении с индивидуальным кремнеземом. Впервые модифицированные полигуанидинами кремнеземы «соге-зЬе11»-структуры использованы в качестве носителей для противораковых препаратов — доксорубицина и сульфасалазина. Показаны возможности рН-контролируемого высвобождения лекарств с поверхности полимер-модифицированных кремнеземов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования синтезированных материалов на основе кремнезема в качестве эффективных сорбентов для эффективной утилизации билирубина, а также в создании новых технологий систем адресной доставки лекарственных веществ.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные технологии иммобилизации белковых молекул и синтетических полимеров в золь-гель синтезе открывают перспективу создания новых биосовместимых материалов на основе неорганических матриц в качестве перспективных сорбентов и носителе» лекарственных препаратов, обладающих высокой связывающей способностью к билирубину, доксору-бицину и сульфасалазину. Выявлены закономерности в области влияния используемого модификатора на структурно-морфологические свойства конечного материала, что вносит несомненный вклад в область современной неорганической химии и материаловедения. Проведенные исследования по адсорбции билирубина га его водных растворов позволяют рекомендовать используемые подходы для производства новых высокоэффективных гемосорбентов и их применение в системах очистки плазмы

крови. Полученные данные по закреплению доксорубицина и сульфасалазина позволяют развить и дополнить существующие представления о системах доставки лекарственных препаратов. Эти результаты могут найти применение при разработке новых молекулярных систем (наносистем) адресной доставки лекарственных препаратов.

Методология и .методы диссертационного исследования. Для обоснования выбранной методологии автором использовались научные труды отечественных и зарубежных ученых в области золь-гель технологии, физико-химических свойств нано-материалов на основе ультрадисперсных кремнеземов, адсорбционных свойств гибридных материалов ¿и основе модифицированного кремнезема с включением различных функциональных групп, в том числе биосовместимых полимеров. Методологической основой исследования выступали общешучные и специальные методы, такие как эксперимент, анализ, синтез, сравнение и математическое моделирование.

Методы исследования выбирались исходя го поставленных задач и включали: сканирующую (растровую) и трансмиссионную микроскопию, термогравиметрию, ИК-спектроскошио, элементный анализ, низкотемпературную адсорбцию/десорбцию азота, электронную спектроскопию поглощения идр.

На защиту выносятся: результаты исследования структуры, поверхности и морфологии органо-модифицированных кремнеземов; данные о влиянии природы привитых функциональных групп на морфологию и поверхностные характеристики полученных материалов; результаты термического и элементного анализа органо-модифицированных кремнеземов; результаты по использованию поливинилпиролли-дона для улучшения удельной связывающей способности материала по отношению к бычьему сывороточному альбумину; туче иные возможности применения полученных гибридных материалов на основе ультрадисперсного кремнезема для адсорбции билирубина в статическом и динамическом режимах; применение кремнеземов, модифицированных полигуанидинами в медицине и фармакологии для закрепления доксорубицина и сульфасалазина с последующим рН-конгролируемым высвобождением .

Степень достоверности. Достоверность результатов обеспечена использованием комплекса надежных инструментальных методов, реализованных на базе научно-исследовательских центров России, Италии и Швейцарии, статистической оценкой погрешностей измерений и расчетов, воспроизводимостью экспериментальных данных, а также хорошим согласованием отдельных результатов настоящей работы с известными данными отечественных и зарубежных авторов.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена в рамках тематического плана НИР кафедры неорганической химии Ивановского государственного химико-технологического университета. Разделы работы и отдельные

ее этапы выполнены при поддержке стипендии Президента РФ для стажировки и обучения за рубежом (приказ Минобрнауки от 28.05. 2014 № 595), гранта Президента РФ для молодых российских ученых - кандидатов наук (проект № МК-287.2014.3) и РФФИ (проект № 12-03-31309).

Вклад автора. Подбор и аналш научной литературы по теме диссертации, экспериментальная часть работы и обработка полученных результатов выполнены лично автором. Стратегия и тактика исследований, планирование работы на всех ее этапах, обсуждение полученных результатов, формулирование выводов и написание публикаций выполнены совместно с научным руководителем Румянцевым Е.В.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIX Мевделевской съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), Международной Пироговской научной медицинской конференции (Москва 2012), 2-й и 3-й конференциях стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Севастополь 2012, Суздаль 2014), IV Международной конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, посвященной 80-летию со дня рождения П.Д. Сарки-сова, Международной научной конференции «Современные проблемы химии» (Киев 2013), VIII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация как форма самоорганизации вещества» (Иваново 2014), X Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик 2014) и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в журналах из перечня ВАК Российской Федерации и тезисах 10 докладов, опубликованных в трудах научных конференций.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, содержит 9 таблиц, 69 рисунок и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, заключения, включающей основные итоги работы и перспективы дальнейшего исследования, списка цитируемой литературы (193 источников).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость.

В первой главе приведен обзор литературы, начиная с объяснения основных принципов формирования ультрадисперсных кремнеземов и гибридных материалов

на их основе, а также представлен обзор швестных в литературе золь-гель методик синтеза гибридных материалов для различных практических нужд. Изложен обзор современного состояния исследований в области темплатного синтеза материалов на основе пористого кремнезема. Приведены данные об известных в современной литературе методах коваленгной и не ковале тной иммобилгаации белковых структур на поверхность модифицированных кремнеземов. Обсуждаются преимущества и недостатки современных методов очистки плазмы крови от токсичных концентраций билирубина, показана актуальность работ в данной области и представлена информация о потенциальных и уже используемых сорбентах билирубина. В последней части обсуждаются перспективы создания молекулярных систем (наносистем) доставки лекарственных веществ. Представлен основной принцип селективного действия таких систем и приведены современные примеры материалов, которые используются в качестве носителей лекарственньк препаратов. Сделаны выводы, обосновывающие цели и задачи исследований, поставленные в работе.

Вторая глава посвящена описанию методик синтеза и диагностики структуры, поверхностных характеристик и морфологии органо-модифицированных кремнеземов, а также техники проведения эксперимента адсорбции билирубина из его водных растворов в динамическом и статическом режимах и методики закрепления доксору-бицина и сульфасалазина с их последующим рН-контролируемым высвобождением в индивидуальной форме. Синтез материалов проводили с использованием золь-гель метода Для функционализации кремнезема использовали поливинилпирролцдон (ПВП, А/„ = 10 ООО г/моль, фирмы « Sigma-Aldrich» США), бычий сывороточный альбумин (БСА, ~ 66 kDa, фирмы «Агат-Мед»), полигуанидины и органосиланы, содержащие октальные, фенильные и у рино про пильные группы (рис. 1). Полигуанидины с ионогенными группами были синтезированы под руководством д.х.н., профессора С.Ю. Хашировой в Кабардино-Балкарском государственном университете im. Х.М. Бербекова [3, 4] и любезно предоставлены ею для проведения золь-гель модификации. Полученные материалы исследовали методом электронной микроскопии (SEM LEO 1550, Center of MicroNanotechnology, https://cmi.epfl.ch/metrology/LE01550.php) для установления морфологических изменений после золь-гель модификации. В случае кремнеземов, модифицированных по л лгу анилинами, для подтверждения образования «со re-s he И »-структур использовали метод скашфующей (растровой) электронной микроскопии. Качественный анхтиз модификации кремнеземов был оценен из ИК-спектров по соответствующим характеристическим частотам тех или иных химических групп.

СН3

НзСч о

СН3

Тетразгоксиеилан (ТЭОС)

Уринопропилтриметоксиси-лан (УПТМС)

ны

Полиметакрцлоилгуа нвдин щдрохлориц (ПМГГХ)

о он

Н,С-ч ° /—сн3

0-31-0

Окти-тгрготокснеилан (ОТЭОС) Фенилтриэтоксисилан (ФТЭОС)

х

Поливинил пиррол идон (ПВП)

СОО" СОО"

Полиакрилатгуанвдин (ПАГ)

N11 НО

Билирубин

Сульфаеалазин

осн, о он 9 нс)

Г >«:

ОН

Доксорубицин

Бычий сывороточный альбумин

Рис. I. Кремнийсодержащие прекурсоры, гюлимеры и органические молекулы, использованные в работе

Количество привитых полимеров в матрице кремнезема после золь-гель синтеза и стадии промывки оценивали при помощи термогравиметрии и элементного анализа.

Количество адсорбируемого билирубина на полученных материалах определяли спектрофотометрически по разнице концентрации пигмента до добавления сорбента и после установления адсорбционного равновесия. Во всех случаях использовали фосфатные буферные растворы с рН 7.4. Степень закрепления и рН-контролируемое высвобождение в раствор доксорубицина и сульфасалазина на «соге-зЬе11»-частицах модифицированных полигуанидинами кремнеземов контролировали спектрофотометрически по изменению оптической плотности на длине волны поглощения данных веществ.

н5с2о

н5с2о-

ОС2Н5

......ОС2Н5 +

ОС2Н5

к

......ОС2Н5 + зн2о

ос2н5

он

НО-"3^......ОН +4С2Н5ОН

ОН

НО-

......ОН +ЗС.2Н5ОН

ОН

НО-

он

.......

\

он

он

но-

-Э!......

^ "ОН ОН

Я к

\ ^-о^ /

р/Э! он Бг

о' \

о „ О

/ Vя \ /(

= —(СН2)7СН3

9 \

Феш1льный фрагмент

Ъ = -(СН2)3-К- КН2 н

Уринопропильный фрагмент

Октильный фрагмент

Рис. 2. Схема золь-гель синтеза органо-модифицированных кремнеземов с использованием органосиланов, содержащих октальные, фенильные и уринопропильпыс группы

В третьей главе изложены основные результаты проведенных экспериментальных исследований и их обсуждешш. Раздел 3.1 посвящен исследованию влияния природы привитой функциональной группы используемых органосиланов (рис. 2) на структурно-морфологические и поверхностные характеристики модифицированных кремнеземов. Установлено, что модификация кремнеземов повлияла, прежде всего, на поверхностные характеристики материалов. Изотерма адсорбции (рис. 3) для немо-дифицированного кремнезема соответствует типу I, что характерно для микропористых образцов с небольшой внешней поверхностью. Для органо-модифицированных образцов наблюдается ярко выраженная петля адсорбциошюго гистерезиса. Форма петли для октил- и уринопропил-модифицированных кремнеземов указывает на образование межчастичных пор в результате взаимодействий между наноколлоидными частицами кремнезема. В случае фенил-модифицированного кремнезема петля гистерезиса соответствует типу Н2, т. е. образуется сеть неструктурированных пор, при этом их форма четко не определяется. Как отмечено в работе [5], такой тип петли ха-

9

рактерен для пористых материалов, полученных по золь-гель технологии. Существенные изменения в морфологии полученных оргапо-модифицированных кремнеземов выявлены с использованием растровой просвечивающей микроскопии Доказано, что во всех случаях природа используемого органосилана определяет морфологию конечного материала: от образования универсальных сферических частиц (урино пропил- и октил-модифицированные кремнеземы) до формирования аморфных блоков (фенил-модифицированные кремнеземы) (рис. 4). Также показано, что увеличение концентрации органосилана в исходной реакционной смеси вызывает укрупнение частиц.

Уринопропил-модифицированные Кремнеземы

Октил-модифицированные кремнеземы

Фенил-модифицированные кремнеземы

/ \ [ТЭОС]:[ОТЗОС}-4:1 5

/ \ Е '

\

О 10 79

"Рчм^ пор?»}49 ''

^ Ооркие»

' \ ГТЭОС]:1ФГЭОС]=1 « /

/ }

■ \ ■" * аваот'оп 1

' \ ' '

гаос ь

ЬаЗго

/\

и!МР-1 Ш

[гьюс]-[У1тих:]-4.1 *

—»-- аетогрио^ ,'

20 30 4С 50 еп ГО Ратгр вор (ич>

Обралц: ОсЙ^РО « |ТЭОС]:[ОГХХТ-2 1 »

/' \ 1

10 24 30 40 50 У Рпиер «ста« (им)

15Р

1шо

Обр»*ц:

[ГЭ0С]-[ФТЭОС}=2:1

Л

I амогр'оп / •

1Кра:ст Ш^Р-?

(ТЗОС]:[УШМОС]^2:1

0 10 2» ЗП 40 50

РЬ. р*.

Рис. 3. Изотермы адсорбции-десорбции азота, полученных для оргапо-модифицировапных 1фемнеземов

В разделе 3.2 представлены данные по исследованию структуры и морфологии кремнеземов, модифицированных полигуанидинами и ПВП с последующей иммобилизацией БСА. Было подтверждено, что модификация неорганической матрицы ПВП значительно повышает степень закрепления молекул белка по сравнению с немоди-фицированным кремнеземом. Несвязанные электронные пары в карбонильных группах ПВП как слабые основания Льюиса обеспечивают эффективное взаимодействие с кислотными группами белка только при определенном значении рН. В данном случае максимальная адсорбция альбумина наблюдается при рН 5.1 вблизи его изоэлектри-

Фенил-модифицированный

кремнезем ([ТЭОС]:[ФТЭОС] = 4:1)

Уринопропил-модифицированный ческой точки. В процессе исследования вы-кремнезем мывания БСА было установлено, что сте-

([ТЭОС]:[УПТМОС | = 4:1) [1ень десорбции альбумина в случае немоди-

фицированного кремнезема выше (54 %), чем для кремнеземов, модифицированных ПВП (от 25 до 19%).

Связывающие свойства поверхности немодифицированного кремнезема недостаточны для обеспечения прочного закрепления молекул бежа по сравнению с кремнеземами, модифицированными ПВП, что также подтверждает высокое сродство (способность к образованию межмолекулярных контактов) полимера с молекулами альбумина. По результатам термогравиметрии и элементного анализа установлено, что с использованием золь-гель метода удалось иммобилизовать от 5 до 17 % ПВП от первоначальной массы образца. Результаты электронной микроскопии модифицированных полигуанидинами кремнеземов в сравнении с ^модифицированными аналогами указывают на существенное изменение в морфологии полученных частиц после золь-гель модификации полигуанидинами (рис. 5). Все кремнеземы характеризуются сферической формой. Размер получаемых наночастиц чистого кремнезема колеблется в широком диапазоне от 200 до 400 нм, тогда как модифицированные полигуанидинами частицы имеют размеры от 300 до 350 нм. Таким образом, использование полигуанидинов в качестве модификаторов приводит к образованию наночастиц «соге-з11е11»-структуры, представляющих собой ядро кремнезема с рифленой оболочкой полимера. Результаты термического анализа полученных материалов позволили установить массовое содержание иммобилизированных полимеров (количество вводимых полимеров составляет от 17 до 33 %). Эти данные также согласуются с результатами элементного анализа.

Октил-модифицированныи кремнезем ([ТЭОС]:[ОТЭОС] = 4:1)

Рис. 4. Микрофотографии органо-модифицированных кремнеземов по ре-зультам сканирующей электронной микроскопии

В разделе 3.3 представлены результаты исследования адсорбции билирубина из его водных растворов в присутствии различных типов органо-модифицировашшх кремнеземов.

При исследовании адсорбции билирубина на кремнеземах с привитыми октильными, фенильными и урино про пильным и фрагментами установлено, что с повышением количества привитых функциональных групп адсорбционная способность возрастает, но при этом время адсорбции тоже увеличивается (рис. 6). Если для не-модифицированного кремнезема оптимальное время адсорбции для достижения равновесного состояния составляет около 60 мин, то в случае октил- (Ос151№-3) и фенил- (РИЗПЧР-З) модифицированных кремнеземов соответственно — 90 мин. Максимальное время адсорбции (~ 120 мин) наблюдается в случае уринопропил-модифицированного кремнезема (и81№-3). Для гемосорбции плазмы пациентов с обостренным гепатитом важно, чтобы процесс гемосорбции протекал быстро (от 1 до 2 ч). Адсорбция билирубина определяется величиной удельной поверхности и природой привитых функциональных групп. Октильные и фенильные группы обеспечивают усиление гидрофобных взаимодействий с молекулами билирубина, тогда как протежированные аминогруппы уринопропил-модифицированного кремнезема связывают билирубин электростатически. При исследовании адсорбции билирубина в присутствии кремнеземов, модифицированных ПВП и БСА, наблюдается похожая ситуация, как и в случае органо-модифицированных кремнеземов: в самом начале адсорбции резко возрастает, затем достигает насыщения.

Из полученных кинетических кривых следует, что с повышением количества иммобилизованного БСА требуется больше времени для достижения равновесного состояния: для немодифицированного кремнезема время достижения равновесного

Немодифицированн ый кремнезем

Кремнезем, модифицированный ПАГ

Кремнезем, модифицированный ПМГГХ

Рис. 5. Микрофотографии немодифицированного кремнезема и модифицированных полигуанидинами аналогов

состояния составляет ~ 30 мин., тогда как для кремнезема с включенными ПВП и БСА это время значительно больше (- 140—150 мин).

я 1-0.

»0.0+*—,-

£

2.0.

X

/

_i-

PhSiNP-3 OctaNP-3

SiNP

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Время адсорбции (мин)

Рис. 6. Кинетические кривые адсорбции билирубина на немодифнцированном и органо-модифицированных кремнеземах (слева) и сравнительная гистограмма адсорбционной способности каждого типа сорбента (справа): 81ЫР - немодифицированный кремнезем; ОсЙЮТ-3 - октил-модифицированный кремнезем ([ТЭОС]:[ОТЭОС] = 2:1); РИвМР-З - фенил-модифицированньгй кремнезем ([ТЭОС]:[ОТЭОС] = 2:1); Шй^Р-З - уринопропил-модифицированньгй кремнезем ([ТЭОС]:[ОТЭОС] = 2:1)

Очевидно, что с повышением количества связанного БСА возрастает время взаимодействия с молекулами билирубина, так как на поверхности адсорбента появляется больше реакционных центров для связывания тетрапиррольного пигмента, что требует значительно больше времени достижения адсорбционного равновесия. Иммобилизация БСА в матрицу модифицированного кременезема приводит к значительному возрастанию адсорбционной способности (рис. 7). БСА является транспортным белком и способен образовывать с билирубином прочный межмолекулярный комплекс [6]. Связывание между молекулами БСА и билирубином осуществляется в основном за счет Ван-дер-Ваальсовых и электростатических взаимодействий, что безусловно значительно усиливает адсорбцию.

Результаты адсорбции билирубина кремнеземом, модифицированном ПВП и БСА свидетельствуют, что влияние ПВП на адсорбционную способность к билирубину не столь велико по сравнению с БСА. Для достижения такой же адсорбционной способности требуется гораздо большее количество ПВП, чем в случае БСА. Взаимодействие ПВП с молекулами билирубина может осуществляться посредством водородных связей. Полученные экспериментальные изотермы адсорбции были обработаны в рамках моделей Ленгмюра и Фрейндлиха. Из полученных значений средних квадратичных отклонений следует, что модель Ленгмюра лучше всего подходит для формального описания экспериментальных изотерм адсорбции.

= 2.0 ■ |15

1 1.0.

4 я

» 0.5 к

5 о.о.

Б;-РУР-4 с 53 мг/г БСА вьРУР-З с 43 мг/г БСА

л-$ -

5|-Р\'Р-2 с 35 мг/г ВСА -1-1

в.-РУР-! с 28 мг.'г БСА

|

515

о 14 мг/г БСА -8-8

-з-1 8Пч>Р

О 20 40 60 80 100 120 140 ¡60 Время адсорбции (мнн)

5.1гР\'Р-4 с 53 мг/г БСА БиРХ'Р-З с 43 мг/г БСА

. 5|-РУР-2 с 35 мг/г БСА

>-Р¥Р-| с 28 мг/г БСА

—Ленгмюр .....Фрейндлих

.5:\!> с 14 чг > К('А

Г

С (мг/мл)

Рис. 7. Изотермы адсорбции билирубина, полученные в динамическом и статическом режимах в присутствии немодифицированного и ПВП-модифицированных кремнеземов с включением БСА: 5МР — немодифицированньш кремнезем; 5ьР\'Р-1 - кремнезем, модифицированный Г1ВП (содержание полимера ~ 5.3 %); 81-Р\'Р-2 - кремнезем, модифицированный ПВП (содержание полимера ~ 7.1 %); 8¡-РУР-3 — кремнезем, модифицированный ПВП (содержание полимера ~ 11.4 %): 81-РУР-4 - кремнезем. модифицированный ПВП (содержание полимера ~ 17.1 %)

При исследовании адсорбции билирубина на поверхности наночастиц кремнезема, модифицированных ПМГГХ и ПАГ. установлено, что адсорбционная способность в большей степени определяется природой функциональных групп в полимерной цепи используемых ПМГГХ и ПАГ. Установлено, что для достижения адсорбционного равновесия ПМГГХ модифицированному кремнезему (81МР@РМСОН-3) требуется большое количество времени -4 ч, тогда как ПАГ-модифицированный кремнезем (81'МР@РАО-3) быстро, как и немодифицированный аналог достигает равновесного состояния (рис. 8).

Результаты исследования влияния количества вводимых полимеров на адсорбцию билирубина свидетельствуют о том, что модификация поверхности кремнезема ПАГ полимером приводит к незначительному увеличению сорбционной способности (от 0.26 до 0.9 мг/г), тогда как в случае модификации ПМГГХ адсорбционная способность значительно возрастает (до 32 мг/г). Учитывая, что ПАГ является производным полиакриловой кислоты, диссоциирующей с образованием карбоксилат-анионов, электростатическое отталкивание будет возникать между частицами кремнезема, модифицированного ПАГ и анионами билирубина Только Ван-дер-Ваальсовые и водородные связи могут влиять на незначительное повышение адсорбционной способности. Структура полимера ПМГГХ содержит гуанидиновые фрагменты, диссоциирующие в водном растворе с образованием катиона гуанидиния, взаимодействуя с карбоксилат-аниоиами природного тетрапиррола. Таким образом, адсорбционная способность должна резко возрастать для ПМГГХ-модифицированных сорбентов, что мы и наблюдали экспериментально.

я 30 Я

1.25 п.

в 20

ю

Я 15 о.

г ю

к

в 5

я

I 0

-----

Л —я—

/ —•— З^РС^РАО-З

/ —•— 8ЮТ@РМСОН-3

¥ I 1 1 I /

« 2(1 с 15

Экспериментальные точки для ?1ЫР(фРМССН-3 — Лэнгмюр .—-

Фрейндлих - -

^ | г;

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Время адсорбции (ч)

20 30 С (мг/л)

Рис. 8. Изотермы адсорбции билирубина, полученные в динамическом и статическом режимах в присутствии кремнеземов, модифицированных полигуанидинами: БМР - немодифи-цированный кремнезем; SiNP@PAG-3 - ПАГ-модифицированный кремнезем ( количество привитого полимера ~ 33 %); 8й\Р@РМСОН-3 - ПМГГХ-модифицированный кремнезем (количество привитого полимера — 34 %)

Сравнительный анализ адсорбционной способности полученных модифицированных кремнеземов с имеющимися аналогами (рис. 9) показывает конкурентоспособность синтезируемых материалов. Наибольшую эффективность проявляет ПМГГХ-модифицированный кремнезем.

о-ю о

5

| Полиакриламндные I ранулы 1 Макросетчатые сорбенты I Полиэтилен-винил 1 Полиамидные сорбенты 9 Пористые мембраны 1 По.ти(гидрохсиэтил-ме гакрнлат ■)

нки на основе оксида титана

ШЛ Фенил-модифш1нр|»ваншл: кремнеземы Окгил-модифи циро ванные кремнеземы ШВ Уринопрошш-модифицированные кремнеземы

Кремведеи. модифицированный ПВП и БСА ЩШ Кремнезем, модифицированный ПАГ К ' Кремнезем, модифицированный ПМГТХ

Рис. 9. Сравнительные гистограммы адсорбционной способности по отношению к билирубину синтезированных в работе материалов и аналогов, для которых приведены данные в литературе

Последний раздел 3.4 третьей главы посвящен возможности использования кремнеземов, модифицированных полигуанидинами (наночастицы «соге-зИеП»-структуры) в качестве носителей гидрофобных противораковых препаратов - доксо-рубицина и сульфасалазина. Модификация кремнеземов гуанидинсодержащими полимерами приводит к увеличению степени закрепления препаратов. В случае доксо-рубицина эффективность связывания возрастает с ростом рН, тогда как максимальная

степень закрепления сульфасалазина достигается в кислой области (рН 3 - 4). Эффек-

15

тивность закрепления доксорубицина на поверхности ^модифицированного кремнезема составляет 38 % (31.5 ± 1.5 мкмоль/г) при рН 7.4 (рис. 10). В случае кремнезема, модифицированного ПАГ, эффективность закрепления возрастает до 92 % (79.1 ± 2.5 мкмоль/г). Сравнение полученных значений с имеющимися литературными данными [7, 8] показывает, что адсорбционная способность кремнезема, модифицированного ПАГ, весьма высокая. Максимальная степень закрепления сульфасалазина для кремнезема, модифицированного ПМГГХ, составляет 44.5 мкмоль/г прирН 3.

Основная причина различной адсорбционной способности полимер-модифицированных кремнеземов по отношению к сульфасалазину и доксорубицину связана с особенностями электростатических взаимодействий органических молекул с поверхностью модифицированного кремнезема. Доксорубицин (рКа = 8.2) при рН < 8 находится в протонированной форме (-ЫНз*) и эффективно взаимодействует с анионными частицами. В случае кремнезема, модифицированного ПАГ, на поверхности модифицированного кремнезема располагается множество карбоксильных групп (СООН) ПАГ, при диссоциации которых образуются карбоксилат-ашюны, и поверхность наночастицы становится отрицательно заряженной. В другом случае, сульфаса-лазин (рКа = 2.4) находится в анионной форме при рН > 2.5, поэтому может взаимодействовать только с катионами, что и объясняет значительное увеличение адсорбции в случае кремнезема, модифицированного ПМГГХ, имеющей в своей полимерной цепи катионы гуанидиния.

Рис. 10. Влияние рН среды на степень закрепления доксорубицина (слева) и сульфасалазина (справа) присутствии кремнеземов, модифицированных полигуанидинами: ЗЙЧ'Р - немоди-фицированный кремнезем; 81ЫР@РАО-3 - ПАГ-модифицированный кремнезем ( количество привитого полимера ~ 33 %); 32ЧР@РМСОН-3 - ПМГГХ-модифицированный кремнезем (количество привитого полимера ~ 34 %)

Из кинетических кривых рН-высвобождения исследуемых соединений (рис. 11) следует, что в случае доксорубицина максимальное высвобождение лекарства наблю-

дается в кислой области, тогда как в случае сульфасалазина - наоборот, в щелочной. Таким образом, в работе демонстрируется принципиальная возможность использования полигуанидинов для модификации кремнезема с целью дальнейшего закрепления противораковых препаратов с рН-контролем последующего высвобождения. В настоящее время полученные формы доксорубицина исследуются на клинической базе Научно-исследовательского центра Ивановской государственной медицинской академии.

.тпния - рН 5 пунктир - рН 7.4 „„ ----------------»-----~

/

............ ..... —г— БПМРМРМСОН-З ■—5№йРАО-3 —

/ У / «-"' , • • .....:

/ / >■ - - ~ ---------......<

10 15

Время(ч)

линия - рН 3 пунктир - рН 7.4

- - 51КР<|РМСОН-3

10

Время(ч)

Рис. II. Кинетические кривые рН-высвобождения для доксорубицина (слева) и сульфасалазина (справа) в присутствии кремнеземов, модифицированных полигуанидинами: БП^Р - не-модифицированный кремнезем; 81>1Р@РАО-3 - ПАГ-модифицированный кремнезем (количество привитого полимера ~ 33 %); 51ЫР@РМСОН-3 - ПМГТХ-модифицированный кремнезем (количество привитого полимера - 34 %)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основываясь на полученные результаты исследования, можно подвести следующие итоги:

С использованием золь-гель технологии синтезированы и охарактеризованы модифицированные кремнеземы с привитыми октальными, фенильными, уринопропильными группами, а также содержащие полигуанидины, поливи-нилпирролидон и бычий сывороточный альбумин. На основе данных структурно-морфологических исследований полученных материалов установлено, что:

• модификация силикатной матрицы во всех исследуемых случаях приводит к увеличению удельной поверхности и формированию пористой структуры материала;

• увеличение содержания модифицирующих групп повышает распределение частиц по размерам и незначительно снижает удельную поверхность, что связано с их агломерацией;

• природа модифицирующей группы оказывает существенное влияние на морфологию получаемых материалов: от сферических универсальных частиц (урино-прольные, октальные группы) до аморфных блочных систем (фепильные группы);

• иммобилизация по л игуан ид и но в в процессе золь-гель синтеза в неорганическую матрицу приводит к формированию наночастиц «core-shell» (300 — 350 нм) с ио-ногеиными группами на периферии частицы;

• предварительная иммобилизация даливинилпирролидона в силикатную матрицу позволяет значительно (более, чем в 2.5 раза) повысить ее удельную связывающую способность по отношению к бычьему сывороточному альбумину для увеличения эффективности последующей адсорбции билирубина

Исследование адсорбции билирубина из водных растворов при рН 7.4 в присутствии полученных материалов показывает, что:

• введение модифицирующих групп в кремнеземную матрицу приводит к увеличению адсорбции билирубина с одновременным эффектом кинетического торможения адсорбции вследствие различий в активных центрах немодифицированного и модифицированного сорбентов;

• наибольшая адсорбция билирубина достигается при использовании модифицированных полигуанидинами кремнеземов, эффективность которых выше известных аналогов, что вызвано морфологическими особенностями («core-shelb-наночастицы) и кооперативным эффектом электростатических взаимодействий поликатиона гуани-диния и анионов билирубина.

Изучение взаимодействия доксорубицина и сульфасалазина с поверхностью «core-shell»-HaH04acTim, модифицированных полигуанпдпнами кремнеземов позволило установить принципиальную возможность и высокую эффективность закрепления противораковых препаратов и их последующего рН-контролируемого высвобождения в раствор. Полученные результаты позволяют рассматривать исследуемые частицы как перспективные адресные системы доставки лекарственных веществ к клеткам-мишеням.

Таким образом, в данной работе удалось получить органо-модифицированные кремнеземы различных типов, структуры и морфологии. Как показано в работе, такие материалы могут использоваться в адсорбционных процессах для эффективного связывания билирубина и закрепления лекарств с функцией последующего их рН-контролируемого высвобождения в индивидуальном виде. Полученные результаты по адсорбции билирубина и закреплению доксорубицина и сульфасалазина на наноча-стицах «core-shell »-структур f,i демонстрируют перспективность органо-неорганических гибридных материалов на основе ультрадисперсного кремнезема для

улучшения способов гемосорбции и создания новых систем адресной доставки противораковых препаратов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Публикации в ведущих рецензируемых журналах:

1. Timin, A.S. Application of guanidine-containing polymers for preparation of pH responsive silica-based particles for drug delivery systems/ A.S.Timin, E.V. Balantseva, S.Yu. Khashirova, E.V. Rumyantsev // Colloids and Surfaces A. - 2015. - V. 477. - P. 26-34.

2. Timin, A.S. Synthesis and application of silica hybrids grafted with new guanidine containing polymers as highly effective adsorbents for bilirubin removal/ A.S. Timin, S.Yu. Khashirova, A. Zhansitov, E.V. Rumyantsev//Journal of Colloid and Polymer Science -2015.-V. 293.-P. 1667 - 1674.

3. Timin, A.S. Preparation and characterization of organo-functionalized silicas for bilirubin removal/ A.S. Timin, E.V. Rumyantsev, A.V. Solomonov, I.I. Musabirov, S.N. Ser-geev, S.P. Ivanov, Gloria Berlier, E.V. Balantseva // Colloids and Surfaces A. - 2015. -V. 464.-P. 65 -77.

4. Timin, A.S. Characterization and evaluation of silica particles coated by PVP and albumin for effective bilirubin removal/ A.S. Timin, A.V. Solomonov, I.I. Musabirov, S.N. Sergeev, S.P. Ivanov, E.V. Rumyantsev //Journal of Sol-Gel Science and Technology. -2014. -V. 74. - P. 187- 198.

5. Timin, A.S. Immobilization of bovine serum albumin onto porous PVP modified silicas/ A.S. Timin, A.V. Solomonov, I.I. Musabirov, S.N. Sergeev, S.P. Ivanov, E.V. Rumyantsev, A.A. Goncharenko //Journal of Industrial and Engineering Chemistry Research. -2014.-V. 53.-P. 13699-13710.

6. Timin, A.S. Preparation and surface properties ofmesoporous silica particles modified with poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) as a potential adsorbent for bilirubin removal/ A.S. Timin, E.V. Rumyantsev, S.N. Lanin, S.A. Rychkova, S.S. Guseynov, A.V. Solomonov, E.V. Antina // Journal of Materials Chemistry and Physics. -2014. - V. 147. - P. 673 -683.

7. Tiimiiii, A.C. Сорбенты билирубина на основе мезопорнстого кремнезема, модифицированного аминогруппами и альбумином/ А.С. Тимин, Е.В. Румянцев // Известия высших учебных заведений: Химия и химическая технология. - 2014. -Т. 57.-С. 87-91.

Другие публикации:

8. Timin, A.S. Regulatory action of bile pigments in terms of the native and modified RNA bases interaction with drug carrier protein/ А V. Solomonov, A. S. Timin, E. V. Ru-myantsev, M. K. Serebryakova, S. P. Ivanov, B. A. Kochergin// FEBS journal. - 2014. -V.281.-P.673.

9. Тимин, A.C. Синтез мезопористых материалов на основе силикателя с привитыми функциональными группами для адсорбции билирубина/ АС. Тимин, Е.В. Румянцев/ Золь-гель синтез и исследование неорганических, соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем: Третья международная конференция стран СНГ: тез.докл. - Суздаль, 2014. - С. 95.

10.Тимин, A.C. Золь-гель синтез силикателя с включением наночастиц серебра с использованием пол и-4-винил пиррол идо на/ A.A. Гончаренко, АС. Тимин, Е.В. Румянцев /X Международная научно-практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы»: тез. докл. — Нальчик, 2014. — С. 87.

11.Тимин, A.C. Золь-гель синтез функциональных материалов основе фенил и октил модифицированных силикагелей/ A.C. Тимин, Е.В. Румянцев// VIII Международная научная конференция «Кинетика и Механизм Кристаллизации. Кристаллизация как форма самоорганизации вещества»: тез. докл. - Иваново, 2014. - С. 119.

12.Тимин, A.C. Методические подходы к проведению исследований антимикробной активности композиционных материалов/ А.Д. Клемина, A.A. Гончаренко, A.C. Чуловская, A.C.Тимин // Международная научная конференция студентов и молодых ученых с международным участием «Медико-Биологические, Клинические и Социальные Вопросы Здоровья и Патологии Человека»: тез. докл. - Иваново, 2014.-С. 272.

13.Тимин, A.C. Золь-гель синтез амида- и тиол-модифицированных материалов на основе Si02 с включением природных и синтетических полимеров/ АС. Тимин, Е.В. Румянцев // Четырнадцатая Международная научная конференция студентов иаспирантов «Современные проблемы химии» : тез. докл. -Киев,2013.-С. 56.

14.Тимин, A.C. Органо-модифицированные материалы на основе оксида кремния. Получение и адсорбционная способность/ АС. Тимин, Е.В. Румянцев // Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем: Вторая конференция стран СНГ: тез. докл. - Севастополь, 2012. - С. 172.

15.Тимин, A.C. Золь-гель сшлез мезопористых материалов с включением полимеров природного и синтетического происхождения и способ модификации Si02 амино-про пилт р им е то кс ис I Li а I ю м/ АС. Тимин, Е.В. Румянцев // Химичекая технология и

биотехнология новых материалов и продуктов. IV Международная конференция Российского химического общества имени Д.И. Менделеева, посвященная 80-летию со дня рождения П.Д. Саркисова: тез. докл. — Москва, 2012. — С. 245. 16.Тимин, А.С. Создание и исследование биоццдного действия гибридных материалов на основе мезопористого диоксида кремния и наноразмерного серебра/ АС. Тимин, К. А. Шахова, Е.В. Гарасько, Е.В. Румянцев // Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем: Вторая конференция стран СНГ: тез. докл. - Севастополь, 2012.-С. 185.

]7.Timin A.S. High efficient adsorbents for toxins removing using hybrid materials based on «organic-inorganic» and «organic-organic» systems/ A.S. Timin, E.V. Rumyantsev// XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: тез. докл. - Волгоград, 2011.-С. 609.

Цитируемая литература:

1. Hoffmann F. Silica-based mesoporous organic-inorganic hybrid materials / F. Hoffmann, M. Cornelius, J. Morell, M. Froba //Angew. Chem. Int. Ed. Engl. -2006. - V. 45.No 20.-P. 3216-3251.

2. Шабанова Н.А. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема/ Н.А. Шабанова, П. Д. Саркисов; М.: Академкнига, 2004. —208 С.

3. Хаширова, С.Ю. Синтез новых мономеров на основе диаллилгуанидина и их способность к радикальной полимеризации/ С.Ю. Хаширова, Н.А. Сивов, Н.И. Попова, ЕЛО. Кабанов, АИ. Мартынешсо, Д.А. Топчиев// Известия вузов. Сев. - Кавк. Регион. Сер. Естеств. Науки. - 2002. - Д» 3. - С. 82 - 85.

4. Zaikov, G.E. Synthesis and potential radical copolymerization of new monomers based on diallylguanidine/ G.E. Zaikov, Yu.A Malkanduev, S.Yu. Khashirova, A.M. Esmur-ziev, AI. Martynenko, L.I. Sivova, N.A. Sivov // J. Appl. Pol. Sci. - 2004. - V. 91. -p. 439-444.

5. Naumov, S. Hysteresis Phenomena in Mesoporous Materials, 2009. University of Leipzig.-95 p.

6. Лнтина, Е.В. Химия билирубина и его аналогов / Е.В. Антина, Е.В. Румянцев; М.:

Красацд. 2009.-352 С.

7. Tonga, Н. Facile synthesis of рН sensitive polymer-coated mesoporous silica nanopar-

ticles and their application in drug delivery/ H. Tanga, J. Guoa, Y. Sunb, B. Changa, R. Qingguang, W. Yanga//lnt. J. Pharm. 2011.- V. 421.-P. 388-396.

8. Dadsetan, M. Controlled release of doxorubicin from pH-responsive microgels/ M. Dad-setan, K.E. Taylor, C. Yong, Z. Bajzer, L. Lu, M. J. Yaszemski//Acta Biomater. -2013,- V.9.-P. 5438-5446.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю Евгению Владимировичу Румянцеву за его неоценимую помощь при подготовке диссертации, ценные консультации и советы, а также всему коллективу кафедры неорганической химии за всестороннюю поддержку. Автор считает необходимым выразить признательность Баланцевой Е.В., Хашировой С.Ю., Соломонову A.B., Панину С.Н. и Раденовик А. за участие в совместных исследованиях и плодотворном обсуждении полученных результатов.

Подписано в печать 30.06.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 80 экз. Заказ 3922

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., 7