НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ХІМІЇ ПОВЕРХНІ

Михайлова Інна Василівна

УДК 541.183+ 615.4+547.96

АДСОРБЦІЯ КАТІОННИХ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН І БІЛКІВ ТА ЇЇ ВПЛИВ НА СТАБІЛЬНІСТЬ СУСПЕНЗІЙ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО КРЕМНЕЗЕМУ

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні НАН України.

Науковий керівник: доктор фармацевтичних наук,

старший науковий співробітник

Геращенко Ігор Іванович,

Інститут хімії поверхні НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Нижник Валерій Васильович,

Київський національний універститет

імені Тараса Шевченка,

професор кафедри хімії високомолекулярних сполук

кандидат хімічних наук

Богатирьов Віктор Михайлович,

Інститут хімії поверхні НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут колоїдної хімії та хімії води

ім. А.В.Думанського НАН України

Захист відбудеться „ 5 ” червня 2003 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01

в Інституті хімії поверхні НАН України за адресою:

03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 17

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту хімії поверхні НАН України, 03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 17).

Автореферат розісланий „ 30 ” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Приходько Г.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вивчення стабільності й адсорбційних властивостей суспензій високодисперсного кремнезему в присутності фізіологічно активних речовин обумовлено такими основними причинами. Як відомо, адсорбцію лікарських субстанцій на твердих носіях, зокрема на поверхні дисперсного кремнезему, можна розглядати як один з підходів до створення комплексних лікарських засобів із пролонгованою дією. Для одержання адсорбованих препаратів із заданими властивостями шляхом адсорбції з розчину і для прогнозування поведінки таких препаратів у біологічних середовищах необхідно мати повну інформацію щодо параметрів адсорбційного процесу (ємність сорбенту, швидкість і оборотність адсорбції), а також умов стабільності таких систем. Перспективним представляється застосування в медицині суспензій кремнезему, що містять катіонні поверхнево-активні речовини (КПАР), які проявляють антимікробну дію. Колоїдно-хімічні властивості таких багатокомпонентних систем залишаються недостатньо вивченими. У літературі є лише окремі повідомлення про можливість за допомогою КПАР регулювати стабільність суспензій кремнезему. З огляду на інтерес до розробки лікарських препаратів на основі високодисперсного кремнезему, важливим є вивчення властивостей суспензій кремнезему у присутності біомолекул, зокрема білків, що знаходяться в біологічних рідинах. Характерною рисою ПАР і білків є їх виражена поверхнева активність.

З теоретичної точки зору вивчення механізму взаємодії поліелектролітів з поверхнею дисперсних адсорбентів залишається актуальним. Предметом дослідження ряду робіт є структура адсорбційного шару на оксидах кремнію, алюмінію, заліза в залежності від рН, іонної сили середовища і температури. Питання агрегативної стійкості систем дисперсна фаза - білок при цьому не порушуються. Це пов’язано зі складністю процесів, що відбуваються в досліджуваних системах: взаємодія біополімерів із твердою поверхнею є функцією молекулярної маси, конформаційної стабільності макромолекул, ступеня гомогенності білкових препаратів. Для вивчення багатокомпонентних систем на основі високодисперсного кремнезему, що містять фізіологічно активні добавки, перспективним є комплексний підхід до розгляду всіх процесів, що відбуваються при адсорбції вказаних речовин на поверхні адсорбенту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в Інституті хімії поверхні НАН України згідно з планом науково-дослідної теми “Теоретичні дослідження і розробка лікарських композитів з адсорбційним механізмом дії і регульованою фармакодинамікою” (державний реєстраційний номер 0199U002299).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - дослідження закономірностей взаємодії суспензій високодисперсного кремнезему з деякими фізіологічно активними речовинами (КПАР і білками) і вивчення умов стабільності даних суспензій у їхній присутності.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі задачі:

·

·

·

·

Об’єкт дослідження – стабільність багатокомпонентних систем на основі високодисперсного кремнезему.

Предмет дослідження – адсорбція катіонних ПАР і білків та її вплив на агрегативну стійкість суспензій високодисперсного кремнезему.

Методи дослідження. У роботі використовували: турбідиметричний метод для вивчення агрегативної стійкості суспензій високодисперсного кремнезему; концентраційний метод визначення адсорбції КПАР і білків; метод макроелектрофорезу для визначення ?-потенціалу частинок суспензій; метод лазерної кореляційної спектроскопії для вивчення розподілу частинок за розмірами.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі вивчення адсорбційних властивостей і флокуляції в присутності катіонних ПАР і білків у даній роботі визначені умови стабільності суспензій високодисперсного кремнезему. Показано, що в випадку катіонних ПАР суспензія втрачає агрегативну стійкість як у результаті нейтралізації поверхневого заряду частинок, так і внаслідок флокулюючої дії КПАР. При цьому взаємодія з поверхнею обумовлюється переважно електростатичними (декаметоксин), або дисперсійними і гідрофобними силами (бромід цетилтриметиламонію). Встановлено, що адсорбція КПАР по кожному з цих механізмів може супроводжуватися агрегуванням молекул на поверхні, що приводить до зростання швидкості флокуляції. Показано, що заповнення поверхні кремнезему молекулами КПАР відбувається одночасно на двох типах поверхневих центрів (заряджених і нейтральних), що відповідає моношаровій моделі адсорбції.

У присутності білків стабільність суспензій кремнезему в цілому описується в рамках електростатичного механізму. Встановлено, що для деяких альбумінів, гемоглобіну людини і желатини швидкість флокуляції при низьких рН проходить через максимум: зі збільшенням заповнення поверхні адсорбованим білком, крім флокуляції, відбувається одночасне руйнування великих агрегатів і агломератів частинок кремнезему, присутніх у суспензіях кремнезему при низьких рН. Показано, що характер флокулюючої дії сироваткових альбумінів залежить від способу їх здобування. Наявність домішок ліпідів, очевидно, обумовлює збільшення адсорбції білків і призводить до зростання швидкості флокуляції, особливо при високих рН в умовах електростатичного відштовхування від поверхні.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати знайдуть використання при створенні й оптимізації складу стабільних багатокомпонентних суспензій на основі високодисперсного кремнезему, призначених для застосування в медицині.

Особистий внесок здобувача. Підбір, огляд та аналіз літературних даних проведено особисто дисертантом. Основні експериментальні результати, а саме: дослідження адсорбції катіонних ПАР (декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію) та білків (яєчного альбуміну, бичачого сироваткового альбуміну, гемоглобіну і желатини) на поверхні кремнезему; дослідження флокуляції суспензій кремнезему в присутності катіонних ПАР та білків турбідиметричним методом; дослідження електрокінетичних властивостей суспензій кремнезему в присутності катіонних ПАР методом макроелектрофорезу отримано особисто автором. Одержання зразків кінетично стійкої фракції суспензій кремнезему і аналіз відтворюваності запропонованої методики отримання кінетично стійких суспензій кремнезему проведено особисто дисертантом. Постановка задачі, обговорення результатів дослідження та формулювання висновків проводилися спільно з науковим керівником доктором фармацевтичних наук І.І. Геращенком. Дослідження розподілу частинок кремнезему за розмірами методом лазерної кореляційної спектроскопії та вивчення електрокінетичних властивостей суспензіій в присутності білків проведено спільно з к.х.н. В.І. Зарком; обговорення результатів дослідження розподілу частинок кремнезему за розмірами проводилося спільно з д.х.н. В.М. Гуньком.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідались на 14th Heidelberg Cytometry Symposium (HCS) (Annual Meeting of the German Society of Cytometry (DGfZ), October 18th to 20th 2001), міжнародній конференції “Функціоналізовані матеріали: синтез, властивості і застосування” (Київ, 2002), конференції “Фізико-хімічні і медико-біологічні проблеми поверхні”, присвяченій 15-річчю ІХП НАН України (Київ, 2001), молодіжній конференції “Оксидні функціональні матеріали” (Київ, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статті і тези 2 доповідей на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертацію викладено на 131 сторінках машинописного тексту; вона складається зі вступу, огляду літератури, матеріалів та методів дослідження, результатів досліджень, представлених в п’яти розділах, висновків. Перелік посилань містить 160 джерел. Робота ілюстрована 6 таблицями та 56 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність розглянутої теми, сформульована мета дослідження, визначено задачі, які необхідно вирішити для її досягнення.

В першому розділі розглянуто сучасні уявлення про адсорбційні властивості високодисперсних оксидів по відношенню до катіонних ПАР і білків, проаналізовані теоретичні й експериментальні результати досліджень в області флокуляції дисперсій поверхнево-активними речовинами і поліелектролітами.

У другому розділі приведено основні характеристики використаних у роботі суспензій високодисперсного кремнезему, катіонних ПАР (декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію) і деяких білків (яєчного альбуміну, бичачого сироваткового альбуміну, гемоглобіну і желатини). Описано методику одержання суспензій, основні методи

дослідження їхніх адсорбційних властивостей, агрегативної стійкості, електрокінетичних властивостей і розподілу частинок за розмірами.

Величини адсорбції фізіологічно активних речовин розраховували за різницею концентрацій КПАР і білків у розчині до і після контакту із суспензією кремнезему; концентрацію КПАР у водних розчинах визначали фотоколориметричним методом з еозіном, білків – біуретовим методом або мікрометодом у модифікації Бенедикта. Агрегативну стійкість суспензій оцінювали турбідиметричним методом: як величину швидкості флокуляції розглядали приріст оптичної густини через хвилину після введення добавки ДD(1). Електрокінетичні властивості вивчали методом макроелектрофорезу. Ефективний діаметр частинок і розподіл частинок за розмірами визначали методом лазерної кореляційної спектроскопії.

В третьому розділі приведено результати дослідження колоїдно-хімічних властивостей вихідних індивідуальних суспензій кремнезему. Приготовлені диспергуванням аеросилу у воді за допомогою кульового млина суспензії з масовою часткою кремнезему 5 % підлягали подальшому відстоюванню протягом не менш 2-х місяців для відділення кінетично нестійкої фракції. Показано, що одержані таким способом суспензії з концентрацією дисперсної фази 3,6±0,1 (%) і рН=4,11±0,06 є високостабільними і характеризуються добре відтворюваним параметром агрегативної стійкості n=3,03±0,21, де n - показник розмірів частинок у відомому рівнянні залежності оптичної густини від довжини хвилі світла D=const-n.

Дослідження впливу електроліту і температури на стабільність індивідуальних суспензій високодисперсного кремнезему обумовлене необхідністю розв’язання конкретних фармако- технологічних задач. Було виявлено, що при підвищенні температури критичні умови коагуляції досягаються при температурі вище 50 оС, що може бути пов’язане з кінетичною енергією частинок кремнезему і їх частковою дегідратацією. При цьому швидкість коагуляції вихідних суспензій кремнезему практично не залежить від рН, а обумовлюється головним чином температурним фактором. У присутності електроліту швидкість процесу різко зростає також після досягнення температури 50 оС. При невисокій концентрації NaCl (0,05 М) швидкість коагуляції з ростом рН зменшується, що відповідає зростанню стабільності суспензій і погоджується з теорією ДЛФО. При збільшенні концентрації електроліту (0,2-0,4 М NaCl), навпаки, коагуляція при високих рН іде з більшою швидкістю, що свідчить про те, що коагулююча дія катіонів лужних металів на дисперсії кремнезему не зводиться лише до нейтралізації заряда поверхні: можуть мати місце й інші механізми. Максимальна стійкість суспензій в ізоелектричній точці кремнезему (рН 2) суперечить теорії електростатичної стабілізації ДЛФО: незважаючи на відсутність заряду на поверхні частинок, швидкість коагуляції суспензій мізерно мала, і присутність електроліту слабко впливає на її величину. Це можна пояснити наявністю гідратного шару на поверхні частинок, який екранує сили притягання між ними.

Четвертий розділ присвячено дослідженню адсорбції антимікробних препаратів декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію (СТАВ), що належать до класу катіонних ПАР, на високодисперсному кремнеземі (аеросилі з питомою поверхнею ? 300 м2) і закономірностей флокуляції суспензій кремнезему в їхній присутності.

Ізотерми адсорбції КПАР при рН 4, 6 і 8 мають вигляд ізотерм Ленгмюра з крутим підйомом при рН 6 і 8. Характер заповнення кремнеземної поверхні адсорбованими молекулами в насиченому адсорбційному шарі (табл. 1) дозволяє виявити такі закономірності. Для СТАВ в області максимальної адсорбції при рН 8 спостерігається гарний збіг значень експериментальної і розрахункової площ, зайнятих однією молекулою адсорбату, з чого можна зробити висновок про щільне заповнення адсорбційного шару з орієнтацією молекул у вигляді „частоколу”. Формально можна припустити, що утворення подвійного шару молекул СТАВ, очікуване при концентраціях, близьких до критичної концентрації міцелоутворення (ККМ) (?10-3 М), не відбувається. Для декаметоксину при рН 8 адсорбційний шар заповнений досить щільно, але меншою мірою в порівнянні зі СTAB. Видно також, що співвідношення між концентрацією SiO- груп і кількістю адсорбованих молекул декаметоксину при рН 6 і 8 і для етонію при рН 6 близьке до 1:1. Таке співвідношення повинне спостерігатися, якщо припустити, що для вказаних ПАР реалізується тільки електростатичний тип взаємодії.

Для однозарядного катіона СТАВ гранична адсорбція при всіх значеннях рН перевищує концентрацію іонізованих силанольних груп: в адсорбційному шарі на одну групу SiО приходиться від ?5 (рН 8) до 50 (рН 4) молекул адсорбата. Зі зменшенням рН, як видно, внесок електростатичної взаємодії з поверхнею для СТАВ зменшується, тобто можливі інші типи взаємодії. Зменшення внеску електростатичної взаємодії, очевидно, має місце і для декаметоксину при рН 4.

Таблиця 1

Параметри адсорбційного шару для декаметоксину, етонію і СТАВ при різних рН

рН | [SiO-],

мкмоль/г | СТАВ

(So~0,4 нм2) | Етоній

(So~0,7 нм2) | Декаметоксин

(So~1,2 нм2)

Г, мкмоль/г | S,

нм2 | Г,

мкмоль/г | S,

нм2 | Г,

мкмоль/г | S,

нм2

4 | 6 | 300* | 1,7 | - | - | 11 | 40,7

6 | 50 | 730* | 0,7 | 40 | 12,5 | 44 | 11,4

8 | 220 | 1120 | 0,4 | - | - | 180 | 2,8

Г - величина граничної адсорбції, обчислена за рівнянням Ленгмюра;

(*) - експериментальне значення Г при відхиленні ізотерми від рівняння Ленгмюра;

S - площа, що приходиться на одну молекулу ПАР в адсорбційному шарі з даних по адсорбції (S=Sпит./ГNA);

So - розміри “посадкової площадки” (площа проекції молекули адсорбата на поверхню) з даних по будові молекули.

Таким чином, результати вивчення адсорбції КПАР на кремнеземній поверхні дозволяють стверджувати про моношарове заповнення поверхні. Адсорбція біс-четвертинних амонієвих сполук етонію і декаметоксину, на відміну від моно-четвертинної амонієвої сполуки СТАВ, обумовлена головним чином електростатичною взаємодією, особливо при підвищених рН. Показано, що адсорбція декаметоксину носить оборотний характер, що може бути використано для створення носіїв з регульованим вивільненням препарату в навколишнє середовище.

Для дослідження процесу флокуляції в присутності катіонних ПАР був вивчений взаємозв’язок між швидкістю флокуляції, адсорбційними і електрокінетичними властивостями високостабільних суспензій кремнезему. На підставі даних по кінетиці флокуляції як величину, що характеризує швидкість процесу, розглядали приріст оптичної густини суспензій через хвилину після введення КПАР ?D(1).

У випадку декаметоксину залежність швидкості флокуляції ?D(1) від концентрації при всіх зазначених рН (2, 4, 6 і 8) має вигляд кривої з максимумом (рис. 1). У діапазоні концентрацій декаметоксину, що відповідає виходу ізотерми на плато, відбувається різке падіння величини ?- потенціалу, що пояснюється нейтралізацією поверхневого заряду позитивно зарядженими молекулами КПАР. При подальшому збільшенні концентрації КПАР відбувається перезарядження частинок кремнезему і стабілізація суспензій, однак, позитивний заряд поверхні не перевищує 15 мВ, що фактично відповідає заповненню моношару.

Закономірності флокуляції, приведені вище для декаметоксину, повторюються для етонію. Однак, на відміну від декаметоксину, при рН 6 і 8 швидкість флокуляції у присутності етонію має дещо більшу абсолютну величину і проходить через максимум в більш широкому інтервалі концентрацій. У присутності СТАВ (рис. 2) флокуляція в суспензіях відбувається при концентраціях, на порядок більших, ніж для декаметоксину, що можна пояснити однозарядністю катіона. Явно виражений максимум флокуляції проявляється при рН 4 і 6, тоді як при рН 2 і 8 інтенсивна флокуляція відбувається в досить широкому діапазоні концентрацій СТАВ.

Істотним є те, що в області нейтралізації поверхневого заряду рівноважні концентрації етонію при рН 6 і 8 і СТАВ при усіх вивчених нами значеннях рН близькі до критичної концентрації міцелоутворення (ККМ) (2,2·10-3 М і 10-3 М, відповідно), на відміну від декаметоксину, для якого ККМ майже на порядок більша (9,3·10-3 М). При концентраціях близьких до ККМ можливе агрегування молекул ПАР не тільки в розчині, але і на поверхні дисперсної фази, що може бути причиною різкого зростання адсорбції і, відповідно, швидкості флокуляції, у випадку етонію і СТАВ (рис. 3). Як нами показано раніше (табл. 1), для КПАР крім електростатичної можлива і неелектростатична взаємодія з поверхнею кремнезему, особливо при невисоких рН. При цьому неелектростатична взаємодія характерна більшою мірою для СТАВ, ніж для етонію і декаметоксину. Як видно з таблиці 2, розмір флокул у присутності етонію і декаметоксину закономірно збільшується з ростом рН, що підтверджує електростатичний механізм взаємодії зазначених КПАР з поверхнею. Для СТАВ розмір флокул практично не залежить від величини поверхневого заряду при рН 4, 6 і 8, а при рН 2 спостерігається найбільший розмір агрегатів. Очевидно, для СТАВ при рН 2, на відміну від етонію і декаметоксину, взаємодія з поверхнею кремнезему носить переважно дисперсійний характер (є результатом гідрофобного ефекту) і обумовлюється адсорбцією на незаряджених ділянках поверхні.

Таблиця 2

Величина D(1) у максимумі флокуляції як показник розмірів флокул

рН | D(1) (max)

Декаметоксин | Етоній | СТАВ

2 | 0,054 | 0,038 | 0,449

4 | 0,088 | 0,100 | 0,369

6 | 0,166 | 0,246 | 0,368

8 | 0,263 | 0,368 | 0,339

Така ленгмюрівська адсорбція, що одночасно відбувається на двох типах поверхневих центрів (заряджених і нейтральних), відповідає моношаровій моделі адсорбції, запропонованій для адсорбції СТАВ на негативно зарядженій поверхні кварцу. Згідно з цими уявленнями, можливість перезарядження поверхні при підвищенні концентрації СТАВ пояснюється ростом позитивного заряду за рахунок адсорбції на нейтральних центрах поряд із триваючою нейтралізацією негативно заряджених центрів. У присутності електроліту швидкість флокуляції в випадку етонію і СТАВ вища, ніж для декаметоксину, що підтверджує висновок про роль неелектростатичних взаємодій у процесі флокуляції у випадку етонію і СТАВ, що мають у своїй структурі довгі вуглеводневі ланцюги.

Таким чином, в присутності катіонних ПАР суспензії кремнезему втрачають стабільність як у результаті нейтралізації поверхневого заряду частинок, так і внаслідок флокулюючої дії КПАР. При цьому механізм флокуляції суспензій в залежності від фізико-хімічних параметрів середовища і природи КПАР визначається двома факторами. По-перше, взаємодія з поверхнею може обумовлюватися переважно електростатичними (декаметоксин), або дисперсійними (у результаті гідрофобного ефекту) силами (СТАВ). По-друге, адсорбція КПАР по кожному з цих механізмів може супроводжуватися агрегуванням молекул на поверхні, що викликає різке зростання швидкості флокуляції.

В п'ятому розділі проаналізовано особливості взаємодії яєчного альбуміну, бичачого сироваткового альбуміну, одержаного різними способами, гемоглобіну і желатини з високодисперсним кремнеземом у залежності від рН, присутності електроліту і концентрації компонентів. Кінетичні криві флокуляції суспензій у присутності цих білків мають характерний вигляд: швидкий початковий приріст оптичної густини (протягом 1 хв) приводить до її граничного значення, що практично не змінюється протягом доби. Досягнення граничної величини оптичної густини свідчить про утворення міцних агрегатів, що не розпадаються в часі. Оскільки величина адсорбції більшості глобулярних білків при концентрації більшій 0,1 - 0,2 мг/мл протягом 1-2 хвилин близька до величини плато, можна стверджувати, що швидкість флокуляції не залежить від швидкості адсорбції, а визначається лише її величиною. Тому величина оптичної густини суспензій через хвилину після введення білка ?D(1) може бути використана як міра ефективності швидкої флокуляції частинок кремнезему в присутності білків.

Величина адсорбції Г і швидкість флокуляції суспензій ?D(1) як функції концентрації білка в розчині залежать від рН, присутності електроліту й у великій мірі від природи білка. У загальному випадку швидкість флокуляції, як і величина адсорбції, з ростом концентрації білка зростає. Виняток складає рН 2: в області малих концентрацій білка криві флокуляції проходять через максимум. Це пояснюється частковим руйнуванням (у міру заповнення поверхні) агрегатів вихідних частинок кремнезему, що присутні у суспензіях при низьких рН. Для всіх вказаних білків при малих концентраціях швидкість флокуляції при рН 2 і 3,5 вища, ніж при більш високих рН. При більш високих значеннях рН для нейтралізації заряду частинок і флокуляції суспензій необхідні більші кількості білка, причому при високих рН із ростом концентрації білка дезагрегування не спостерігається.

Взаємодія яєчного альбуміну з кремнеземом (рис. 4) має переважно електростатичну природу: при невисокій концентрації білка (до 2 мг/мл) швидкість флокуляції з ростом рН зменшується. Це пов’язано із зростанням електростатичного відштовхування негативно заряджених поверхні кремнезему і білкових молекул при рН вище ізоелектричної точки яєчного альбуміну. У присутності електроліту (0,15 М NaCl) криві флокуляції і ізотерми адсорбції при всіх рН, крім рН 2, збігаються, що підтверджує електростатичний характер взаємодії яєчного альбуміну з поверхнею кремнезему. З ростом концентрації білка заряд поверхні кремнезему, очевидно, екранується адсорбованими молекулами, і швидкість флокуляції суспензій визначається величиною адсорбції.

В присутності бичачого сироваткового альбуміну БСА-1, здобутого методом висолювання, суспензії найменш стабільні також при невисоких значеннях рН (2 і 3,5) і невеликій концентрації білка в розчині (рис. 5). Однак, на відміну від яєчного альбуміну при рН 6,5 швидкість флокуляції з концентрацією зростає помітно швидше, ніж при рН 4,8 (рН ізоелектричного стану БСА), тоді як ізотерми адсорбції БСА-1 при цих рН практично збігаються. Висока швидкість флокуляції в присутності БСА-1 при рН 6,5 у порівнянні з рН в ізоелектричній точці може свідчити про те, що негативно заряджені молекули БСА-1 при рН 6,5 адсорбуються в розгорнутому стані, і це може сприяти більш ефективній флокуляції частинок кремнезему. Рушійною силою адсорбції БСА в цьому випадку, коли і білок і поверхня заряджені негативно, є зменшення упорядкованості структури білка. Крім того, порівнянна величина адсорбції при рН 4,8 і 6,5 може означати, що взаємодія БСА-1 з поверхнею носить менш виражений електростатичний характер, ніж у випадку яєчного альбуміну. Це підтверджується тим, що в присутності електроліту швидкість флокуляції дещо зменшується з ростом рН (рис. 6). Такі особливості БСА поряд з більшою конформаційною мінливістю його молекул, обумовленою генетично, дозволяють віднести його до більш „м’яких” білків, ніж яєчний альбумін.

Помітно іншою виявилася картина флокуляції в присутності БСА-2, отриманого методом спиртового фракціонування. При низьких рН (2 і 3,5) суспензії також найменш стабільні, причому швидкість флокуляції проходить через максимум, і при концентрації більшій 1 мг/мл суспензії стабілізуються, зберігаючи стабільність при великих надлишках білка в розчині (рис. 7). При рН 4,8 і 6,5 швидкість флокуляції суспензій невимірно мала, відповідно, відсутня адсорбція, що також спостерігається у присутності БСА-3, очищеного за допомогою активованого вугілля. При додаванні електроліту при рН 4,8 і 6,5 суспензія починає флокулювати, причому швидкість флокуляції досить висока і відповідає величині адсорбції. Розходження в поводженні різних препаратів БСА можна пов’язати з особливостями їхньої структури: у залежності від методу здобування і очищення білків ступінь упорядкованості і гетерогенності молекул може бути різною, наслідком чого може бути утворення структурних конформерів білка, що розрізняються своїми фізико-хімічними властивостями. Ліпіди і жирні кислоти, що містяться в сироваткових альбумінах як основні домішки, можуть викликати додаткове притягання білка до поверхні в результаті гідрофобного ефекту, особливо при високих рН, коли взаємодії з поверхнею перешкоджає електростатичний бар’єр. Це відповідним чином відбивається на картині флокуляції суспензій. Так, для БСА-4, вміст домішок в якому у порівнянні з іншими препаратами БСА помітно вищий, швидкість флокуляції при рН 4,8 і 6,5 досить висока і порівнянна зі швидкістю флокуляції при рН 3,5 (рис. 8).

Картина флокуляції суспензій кремнезему в присутності гемоглобіну є найбільш типовою: швидкість флокуляції зменшується з ростом рН, крім рН 2 (швидкість флокуляції проходить через максимум), що відповідає збільшенню стабільності суспензій із зростанням рН і вказує на переважно електростатичний характер взаємодії гемоглобіну з кремнеземом.

При використанні желатини швидкість флокуляції суспензій з ростом концентрації білка монотонно зростає, також крім рН 2. Желатина є продуктом гідролізу колагену і не має нативної конформації, тому її адсорбційна і флокулююча дія не виявляє помітної залежності від рН.

Таким чином, картина флокуляції суспензій високодисперсного кремнезему у присутності білків в цілому описується в рамках електростатичного механізму і відбиває збільшення агрегативної стійкості суспензій з ростом рН. Характер флокулюючої дії сироваткових альбумінів обумовлюється способом їх одержання і залежить від кількості ліпідів як домішок.

Для підтвердження виявлених закономірностей адсорбції і флокуляції суспензій кремнезему в присутності білків було вивчено розподіл частинок кремнезему за розмірами при перебігу цих процесів методом лазерної кореляційної спектроскопії. Показано, що поблизу ізоелектричної точки кремнезему ефективний діаметр dеф агрегатів і агломератів частинок дуже високий (максимальний) і зменшується з ростом рН (рис. 9). Це пояснюється тим, що в ізоелектричній точці кремнезему частинки не заряджені і через відсутність електростатичного бар’єру у великій мірі агреговані. Як ми припускаємо, це пояснює високу нестабільність суспензій при рН 2 і малих концентраціях білків: невеликих кількостей білків (<1 мг/мл) досить для помітної флокуляції великих агрегатів частинок. При подальшому збільшенні концентрації білків ступінь заповнення поверхні зростає, що приводить, навпаки, до часткового руйнування пухких агрегатів частинок. При більш високих рН починає виявлятися електростатичне відштовхування частинок, що забезпечує агрегативну стійкість суспензій. У цьому випадку витрачається більша кількість білка для нейтралізації негативного заряду поверхні і швидкої флокуляції. Крім того, залежність ефективного діаметра частинок dеф від рН у присутності білків має максимум біля pН ізоелектричної точки білків. Це пов’язано з більш ефективною агрегацією частинок, тому що поряд з відсутністю електростатичного бар’єра флокуляції адсорбції незаряджених молекул білка не перешкоджає їхнє латеральне відштовхування.

Розподіл частинок за розмірами погоджується з електрофоретичною рухливістю (Uе) агрегатів частинок у присутності білків (рис. 10). Далеко від рН ізоелектричної точки білків рухливість частинок, покритих зарядженими молекулами білків, зростає, що викликає зменшення ефективності флокуляції і, відповідно, діаметра флокул. При цьому електрофоретична рухливість модифікованих білком частинок більша, ніж для частинок кремнезему вихідних суспензій чи відповідних білків. Це пояснюється змінами в структурі адсорбованих білкових молекул, що призводять до збільшення густини заряду в подвійному електричному шарі. Отже, величина електрофоретичної рухливості частинок кремнезему в присутності білків визначається головним чином зарядом адсорбованого білка.

Таким чином, порівняння швидкості флокуляції, розподілу частинок за розмірами і їх електрофоретичної рухливості показує інтенсивний перерозподіл скупчень частинок у залежності від рН, концентрації білка й електроліту, особливо поблизу рН ізоелектричної точки кремнезему чи білка.

ВИСНОВКИ

1. Експериментальне вивчення впливу адсорбції катіонних ПАР і водорозчинних білків на стабільность суспензій високодисперсного кремнезему показало, що взаємодія даних речовин з поверхнею кремнезему описується головним чином в рамках електростатичного механізму і призводить до флокуляції суспензій. Запропонований в роботі методичний підхід для оцінки ефективності флокуляції забезпечує точність і відтворюваність отриманих результатів.

2. Показано, що ізотерми адсорбції декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію на високодисперсному кремнеземі мають вигляд ізотерм Ленгмюра при малих концентраціях катіонних ПАР. При концентраціях, близьких до відповідних критичних концентрацій міцелоутворення, спостерігається різке збільшення адсорбції етонію і броміду цетилтриметиламонію, що можна пов’язати з агрегуванням катіонних ПАР на поверхні сорбенту. При цьому адсорбція катіонних ПАР може відбуватися як на заряджених, так і нейтральних адсорбційних центрах в рамках моношарової моделі, особливо при невисоких значеннях рН.

3. Встановлено, що залежність швидкості флокуляції суспензій від концентрації катіонних ПАР характеризується наявністю максимуму. Порушення агрегативної стійкості суспензій відбувається як через нейтралізацію негативного заряду поверхні, так і в результаті флокулюючої дії КПАР.

4. Показано, що швидкість флокуляції суспензій високодисперсного кремнезему в присутності білків в загальному випадку зростає із збільшенням концентрації білка. При невисоких заповненнях поверхні і при рН, близьких до ізоелектричної точки кремнезему, концентраційні залежності швидкості флокуляції проходять через максимум. Методом лазерної кореляційної спектроскопії встановлено, що із збільшенням адсорбції білків одночасно з флокуляцією відбувається руйнування агрегатів частинок кремнезему, присутніх в суспензіях при низьких рН.

5. Встановлено, що характер флокулюючої дії сироваткових альбумінів залежить від способу їх здобування. Наявність домішок ліпідів, очевидно, обумовлює збільшення адсорбції білків і призводить до зростання швидкості флокуляції, особливо при високих рН в умовах електростатичного відштовхування від поверхні.

6. Показано, що електрофоретична рухливість частинок кремнезему з адсорбованим білком зростає в порівнянні з індивідуальними білковими молекулами або частинками кремнезему, що пов’язано зі збільшенням густини заряду в подвійному електричному шарі внаслідок адсорбції і призводить до інтенсивного перерозподілу частинок кремнезему за розмірами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ:

1. Михайлова И.В., Геращенко И.И. Адсорбция катионных ПАВ на высокодисперсном кремнеземе // Коллоид. журн. -2001. -Т.63, №4. -С.482-485.

Здобувачем було проведено порівняльне дослідження адсорбції катіонних ПАР декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію на високодисперсному кремнеземі в широкому діапазоні рН.

2. Михайлова И.В., Геращенко И.И. Стабильность и адсорбционные свойства суспензий высокодисперсного кремнезема в присутствии катионных ПАВ // Коллоид. журн. -2002. - Т.64, №5. -С.645-650.

Здобувачем було досліджено взаємозв’язок між швидкістю флокуляції, адсорбційними і електрокінетичними властивостями високодисперсного кремнезему в суспензіях в присутності декаметоксину, етонію і броміду цетилтриметиламонію.

3. Михайлова І.В. Стабільність суспензій високодисперсного кремнезему в присутності білків // Хімія, фізика та технологія поверхні. –2003. –Вип.9. -С.99-106.

Здобувачем було досліджено взаємозв’язок між адсорбційними властивостями високодисперсного кремнезему і швидкістю флокуляції його суспензій в присутності деяких водорозчинних білків.

4. Gun'ko V.M., Mikhailova I.V., Zarko V.I., Guzenko N.V., Janusz W., Leboda R., Chibowski S. Study of Interaction of proteins with fumed silica in aqueous suspensions by adsorption and photon correlation spectroscopy methods // J. Colloid and Interface Sci.- 2003.- Vol.260/1.- P.56-69.

Здобувачем було досліджено процес флокуляції в суспензіях високодисперсного кремнезему, електрокінетичні властивості суспензій та розподіл часток суспензій за розмірами в присутності деяких водорозчинних білків.

5. Igor I. Gerashchenko, Bogdan I. Gerashchenko, Vladimir M. Gyn’ko, Olena I. Shtat’ko, Inna V. Mikhailova, Hiroshi Hosoya. Probing the Silica Surfaces by Red Blood Cells // 14th Heidelberg Cytometry Symposium (HCS) / Annual Meeting of the German Society of Cytometry (DGfZ) – October 18th to 20th 2001.

Здобувачем було досліджено гемолітічну дію високодисперсного кремнезему на еритроцити крові і процес флокуляції суспензій в присутності гемоглобіну.

6. Михайлова И.В., Геращенко И.И. Закономерности коагуляции коллоидных дисперсий кремнезема в присутствии катионных ПАВ и белков // Міжнародна конференція “Функціоналізовані матеріали: синтез, властивості та застосування”, 24-29 вересня 2002 р, м. Київ. С.59.

Здобувачем проведене порівняльне дослідження флокуляції суспензій кремнезему в прсутності деяких фізіологічно активних речовин.

АНОТАЦІЯ

Михайлова І.В. Адсорбція катіонних поверхнево-активних речовин і білків та її вплив на стабільність суспензій високодисперсного кремнезему. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена вивченню адсорбційних властивостей високодисперсного кремнезему та стабільності його суспензій в присутності деяких фізіологічно активних речовин. Експериментально встановлено, що заповнення поверхні кремнезему молекулами катіонних ПАР (КПАР) – моно- і біс-четвертинних амонієвих сполук – відбувається одночасно на двох типах поверхневих центрів (заряджених і нейтральних), що відповідає моношаровій моделі адсорбції. Порушення агрегативної стійкості суспензій високодисперсного кремнезему відбувається як через нейтралізацію негативного заряду поверхні, так і в результаті флокулюючої дії КПАР. Адсорбція КПАР на високодисперсному кремнеземі може супроводжуватися агрегуванням молекул на поверхні, що призводить до зростання швидкості флокуляції суспензій.

Досліджено закономірності флокуляції суспензій високодисперсного кремнезему в присутності деяких альбумінів, гемоглобіну людини і желатини та встановлено, що в присутності білків стабільність суспензій кремнезему в цілому описується в рамках електростатичного механізму. При невисоких заповненнях поверхні і при рН, близьких до ізоелектричної точки кремнезему, концентраційні залежності швидкості флокуляції суспензій проходять через максимум: із збільшенням адсорбції білків одночасно з флокуляцією відбувається руйнування агрегатів частинок кремнезему, присутніх в суспензіях при невисоких рН. Характер флокулюючої дії сироваткових альбумінів залежить від способу їх одержання. Наявність домішок ліпідів, очевидно, обумовлює збільшення адсорбції білків і призводить до зростання швидкості флокуляції, особливо при високих рН в умовах електростатичного відштовхування від поверхні.

Ключові слова: високодисперсний кремнезем, катіонні ПАР, альбуміни, стабільність, флокуляція.

АННОТАЦИЯ

Михайлова И.В. Адсорбция катионных поверхностно-активних веществ и белков и её влияние на стабильность суспензий высокодисперсного кремнезема. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 01.04.18 – физика и химия поверхности. – Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена изучению адсорбционных свойств высокодисперсного кремнезема и стабильности его суспензий в присутствии некоторых физиологически активных веществ. Экспериментально установлено, что заполнение поверхности кремнезема молекулами катионных ПАВ (КПАВ) – моно- и бис-четвертичных аммониевых соединений – происходит одновременно на двух типах поверхностных центров (заряженных и нейтральных), что отвечает монослойной модели адсорбции.

Нарушение агрегативной устойчивости суспензий кремнезема в присутствии катионных ПАВ происходит как по причине нейтрализации отрицательного заряда поверхности, так и в результате флокулирующего действия ПАВ. Установлено, что зависимость скорости флокуляции суспензий от концентрации КПАВ характеризуется наличием максимума. При концентрациях этония и бромида цетилтриметиламмония, близких к критической концентрации мицеллообразования, наблюдается резкое увеличение адсорбции, и, соответственно, скорости флокуляции суспензий, что можно связать с агрегированием ПАВ на поверхности сорбента. При добавлении электролита скорость флокуляции в присутствии этония и СТАВ выше, чем в присутствии декаметоксина, что подтверждает вывод о роли неэлектростатических взаимодействий в процессе флокуляции в случае этония и СТАВ, имеющих в своей структуре длинные углеводородные цепи.

Исследованы закономерности флокуляция суспензий высокодисперсного кремнезема в присутствии яичного альбумина, бычьего сывороточного альбумина, гемоглобина человека и желатина и показано, что в присутствии белков стабильность суспензий кремнезема в целом описывается в рамках электростатического механизма. При невысоких заполнениях поверхности и при рН, близких к изоэлектрической точке кремнезема, концентрационные зависимости скорости флокуляции суспензий проходят через максимум: с увеличеним адсорбции белков одновременно с флокуляцией происходит разрушение агрегатов частиц кремнезема, присутствующих в суспензиях при невысоких рН.

Различия в флокулирующем действии препаратов сывороточных альбуминов обусловлены особенностями их структуры в зависимости от метода выделения и очистки. Наличие примесей липидов, по-видимому, обусловливает увеличение адсорбции белков, что приводит к возрастанию скорости флокуляции суспензий, особенно при высоких рН в условиях электростатического отталкивания от поверхности.

Зависимость эффективного диаметра частиц от рН в присутствии белков имеет максимум вблизи изоэлектрической точки белков. Это связано с более эффективной агрегацией частиц, так как адсорбции незаряженных молекул белка не препятствует их латеральное отталкивание.

Установлено, что электрофоретическая подвижность частиц кремнезема с адсорбированным белком возрастает по сравнению с индивидуальными белковыми молекулами или частицами кремнезема, что можно объяснить изменениями в структуре адсорбированных молекул, приводящими к увеличению плотности заряда в двойном электрическом слое. В результате этого происходит интенсивное перераспределение частиц кремнезема по размерам.

Ключевые слова: высокодисперсный кремнезем, катионные ПАВ, альбумины, стабильность, флокуляция.

SUMMARY

Mikhailova I.V. The adsorption of cationic surfactants and proteins and its influence on stability of suspensions of highly dispersed silica. – Manuscript.

Dissertation for obtaining scientific degree of candidate of science (chemistry) by speciality 01.04.18 – physics and chemistry of surface. – Institute of Surface Chemistry of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2003.

The dissertation devoted to the study of adsorption properties of highly dispersed silica and stability of its suspensions in the presence of some physiologically active substances. It was experimentally established that the interaction of silica surface with the molecules of cationic surfactants – mono- and bis-quarternary ammonium compounds – takes place simultaneously on two types of the surface centres (charged and neutral) that corresponds to the monolay adsorption model. The disturbance of aggregative stability of suspensions of highly dispersed silica takes place both due to neutralization of negative charge of surface and phloculating action of cationic surfactants. The adsorption of cationic surfactants on highly dispersed silica make be accompanied by the aggregation of molecules on the surface that results in the rate increase of suspensions phloculation.

There have been studied the conformity of suspensions phloculation of highly dispersed silica in the presence of some albumins, human hemoglobin and gelatin. It was found that in the presence of proteins the silica suspensions stability is described with the help of electrostatic mechanism. It was determined that at low covering of the surface and at pH approaching to isoelectric point of silica, maximum is observed on the concentration dependence of suspensions phloculation rates. With increasing of protein adsorption simultaneously with