WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Спиридонова Валентина Михайловна

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГИДРОГЕЛИ НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА И НИТРАТА СЕРЕБРА: ПОЛУЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

ТВЕРЬ – 2012

Работа выполнена на кафедре физической химии

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тверской государственный университет»

Научный руководитель

доктор химических наук, профессор, Пахомов Павел Михайлович

Официальные оппоненты:

Новоселов Николай Петрович, доктор химических наук,  заслуженный деятель науки РФ,  профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии дизайна», заведующий кафедрой теоретической и прикладной химии

Луцик Владимир Иванович, доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой химии

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», химический факультет

Защита состоится «15» июня 2012 г. В 15 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.263.02 при ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» по адресу: 170002, г. Тверь, Садовый переулок, 35, ауд.226.

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

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

Автореферат разослан «__» мая  2012

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.263.02,

кандидат химических наук, доцент М.А. Феофанова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Получение новых гелей, изучение их строения и процессов гелеобразования является актуальной проблемой прикладной и фундаментальной науки. Этот интерес обусловлен широкой распространенностью гелей в живой и неживой природе, применением гелеобразующих материалов в технологических процессах и быту. Среди гелеобразующих систем особый интерес представляют супрамолекулярные гидрогели. Супрамолекулярные гели образуются благодаря различным типам слабых межмолекулярных взаимодействий (водородным связям, электростатическим, Ван-дер-Ваальсовым и донорно-акцепторным взаимодействиям), а переходы раствор–золь–гель в таких системах инициируется изменением pH, температуры. Гидрогели, исследуемые в настоящей работе, принадлежат к классу супрамолекулярных гелей с экстремально низкой концентрацией дисперсной фазы. Для таких систем наряду с пластической формосохраняемостью часто наблюдается явление обратимой тиксотропии. Ввиду того, что физика подобных систем изучена недостаточно, необходим поиск и изучение гелей с подобными свойствами. В настоящей работе исследуются условия получения, строение и свойства гелеобразующей системы на основе водных растворов L-цистеина и нитрата серебра.

Рассматриваемая система представляет интерес также и с прикладной точки зрения, поскольку основные компоненты гидрогеля являются биологически активными веществами. Такие гидрогели могут быть перспективной матрицей для разработки новых биоактивных композиций и фармакологических препаратов.

Работа выполнялась в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 – 2011) № 2.1.1.10767 а также программы УМНИК государственный контракт № 6050р/8448 от 30.04.2008

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании процесса получения, структуры и свойств низкоконцентрированных гидрогелей на основе водных растворов L-цистеина и нитрата серебра с использованием комплекса современных экспериментальных методов. Для достижения этой цели были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:

- определить концентрационные критерии, необходимые для  получения гидрогеля;

- установить температурный интервал протекания процесса гелеобразования;

- исследовать влияние электролитов на процесс гелеобразования и свойства получаемого гидрогеля;

- получить широкую реологическую характеристику данной системы при использовании различных электролитов;

- исследовать микроструктуру гидрогелей методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ);

- определить совместимость гидрогеля с водорастворимыми полимерами  различного происхождения.

- изучить антибактериальные свойства гидрогелей.

Методы исследования. Для изучения процессов структурообразования и гелеобразования в водных цистеин-серебряных растворах (ЦСР) в работе использованы такие современные методы как: УФ-, ИК- спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), ротационная вискозиметрия и динамическое светорассеяние (ДРС).

Положения выносимые на защиту:

  1. Результаты экспериментально установленных критериев (температурный и концентрационный диапазоны) протекания процесса гелеобразования в ЦСР.
  2. Закономерности изменения физико-химических свойств гидрогеля при добавлении в ЦСР различных типов растворов электролитов.
  3. Результаты экспериментального исследования реологических свойств тиксотропных низкомолекулярных гидрогелей; подтверждение факта существования данных гелей при экстремально низких концентрациях дисперсной фазы.
  4. Результаты исследования антибактериальных свойств гидрогелей, как систем обладающих уникальными бактерицидными свойствами.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- определены концентрационные и температурные критерии протекания процесса гелеобразования в водном растворе L-цистеина и нитрата серебра; показана возможность образования гидрогеля при крайне низких концентрациях дисперсной фазы, (~6·10-4 масс.%.);

- изучено влияние растворов различных электролитов (Na2SO4 ,MgSO4 , Na2SO3 , NH4Cl ,CoCl2 , NiCl2 , Na2WO4 , Na2MoO4 ,NaCl , KCl) на свойства геля и структуру образующейся перколяционной сетки;

- получены количественные реологические характеристики широкого спектра гидрогелей на основе L-цистеина и нитрата серебра;

- исследована совместимость гидрогелей на основе L-цистеина с водорастворимыми полимерами (ПВП, ПВС), изучено влияние данных полимеров на реологические, структурные и антибактериальные свойства гидрогеля;

- исследована способность водных растворов L-цистеина и нитрата серебра, а также гидрогелей на их основе, оказывать угнетающее действие на широкий спектр грамм-отрицательных и грамм-положительных бактерий.

Практическая и теоретическая значимость работы. Определенные концентрационные и температурные интервалы позволяют направленно проводить получение гидрогелей, для их дальнейшего исследования как в рамках учебного, так и научного процесса.

Выполненные исследования реологических свойств гидрогеля на основе ЦСР, позволяют оптимизировать состав системы для дальнейшего использования.

Установленное антибактериальное действие гидрогеля придает дополнительную специфику использования его в медицинской и фармакологической практиках.

Выявленная совместимость компонентов системы с биологически активными полимерами открывает возможность создания новых супрамолекулярных композиций и лекарственных препаратов.

Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно проведены все экспериментальные исследования, а также их обработка и анализ результатов. Постановка задачи исследования, определение методов ее решения, обсуждение результатов диссертационной работы выполнены совместно с научным руководителем.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих международных и отечественных конференциях: XVIII Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», (Екатеринбург, 2006); XIV–XVII Региональные Каргинские чтения. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии», (Тверь, 2007-2010); III- V Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием « Современные проблемы науки о полимерах», (Санкт-Петербург, 2007-2009); 24 Симпозиум по реологии с международным участием, (Карачарово 2008); II конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», (Звенигород, 2009); 25 Симпозиум по реологии (Осташков 2010); III конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», (Суздаль 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них 4 в отечественных и зарубежных научных журналах входящих в перечень ВАК, а также 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения (3 главы), выводов, списка литературы (127 наименований). Общий объем диссертации составляет 120 стр., включает 56 рисунков, 10 таблиц.

Содержание работы

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

Первая глава является обзором литературы, посвященным анализу современного состояния исследовательских работ по супрамолекулярным гидрогелям. Рассмотрены вопросы, касающиеся структурообразования в гелевых системах, методов изучения строения и свойств, различных супрамолекулярных гелей. Особое внимание в обзоре уделено процессам самоорганизации в низкоконцентрированных тиксотропных системах, а также особенностям гелеобразующей системы на основе водных растворов аминокислоты L-цистеина и нитрата серебра.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования был выбран ряд систем на основе низкоконцентрированных водных растворов L-цистеина и нитрата серебра, способных к гелеобразованию в присутствии широкого спектра растворов электролитов. Содержание L-цистеина в ЦСР составляло 3·10-3моль/л, концентрацию AgNO3 – варьировали в диапазоне (3–4)·10-3 моль/л, концентрацию электролитов (Na2SO4 ,MgSO4 , Na2SO3 , NH4Cl ,CoCl2 , NiCl2 , Na2WO4 , Na2MoO4 ,NaCl , KCl ,KSCN) изменяли в диапазоне от 1·10-4 до 1·10-2 моль/л.

УФ спектры записывали на спектрофотометре Specord М-40, фирмы «Carl Zeiss» с помощью программы SOFT-SPECTRA, временной интервал измерения составлял от 5 до 20 мин., а диапазон длин волн от 330 до 430 нм. УФ спектры растворов регистрировали, используя кварцевые кюветы с толщиной поглощающего слоя 0,2 и 1,0 см.

Для определения вязкости ЦСР и гидрогелей использовался вискозиметр Убеллоде с диаметром капилляра 0,86 мм. Кроме того, прецизионные реологические исследования выполняли на ротационном реометре Physica MCR 301 производства Anton Paar GmbH в следующих режимах деформирования:

- динамический малоамплитудный режим, в диапазоне угловых частот от 0.5 до 250 с-1;

- измерение амплитудной зависимости модуля упругости путем сканирования по величине амплитуды при постоянной частоте 6.28 с-1;

- измерение кривой течения в диапазоне напряжений сдвига от 0.01 до 40,0Па.

Регистрацию ИК-спектров осуществляли на ИК-Фурье спектрометре Equinox 55 фирмы Bruker. При этом исследуемый образец замораживался при -18 С, через сутки размораживался, выпавший осадок центрифугировался, промывался этиловым спиртом, повторно центрифугировался и высушивался. Затем формовалась таблетка с KBr и регистрировался ИК спектр.

Анализ строения ЦСР и гидрогелей на его основе проводили с помощью метода ПЭМ в центре коллективного пользования «Просвечивающая электронная микроскопия» МГУ, используя электронный микроскоп «LEO 912 AB OMEGA» (Carl Zeiss, Германия). Водный раствор или гидрогель наносился на стандартную медную сетку с полимерной подложкой из формвара (поливинилформаля) толщиной около 100 нанометров, высушивали и помещали в электронный микроскоп.

Растворы электролитов и гели были охарактеризованы значениями pH и содержанием ионов [Ag+] при помощи ионометра Экотест-120.

Распределение рассеивающих агрегатов по размерам анализировали методом ДСР на приборе «Zetasizer Nano».

Глава 3 содержит описание процесса получения гидрогелей, а также результаты исследования по определению необходимых условий для протекания процесса гелеобразования в ЦСР.

Проведение многочисленных экспериментов показало, что для осуществления процесса гелеобразования требуется соблюдение следующих условий:

1) наличие необходимого диапазона соотношения концентраций компонентов дисперсной фазы в ЦСР (L-цистеина, нитрата серебра и электролита), т.к. процесс гелеобразования в исследуемой системе возможен только при начальном избытке нитрата серебра;

2) поддержание в процессе синтеза определенного температурного интервала;

3) определение необходимых временных рамок для полноценного завершения происходящих процессов

На рис 1. представлена схема, характеризующая двух этапное получение гидрогеля. На первом этапе в результате смешения растворов L-цистеина и нитрата серебра наблюдается помутнение, что связано с образованием молекул меркаптида серебра (МС), однако через несколько часов стояния раствора в темноте осадок пропадает.

  Рис. 1.  Схема получения гидрогеля на основе L цистеина и нитрата серебра

Это так называемая стадия созревания ЦСР. На втором этапе происходит образование гидрогеля при добавлении в систему небольшого количества электролита.

Рис. 2. Изменение интенсивности полосы 390 нм в ЦСР зависимости от времени стояния образца при разных соотношениях исходных компонентов:  а) С(AgNO3)/C(Cys) = 1,27; б)  С(AgNO3)/C(Cys) = 1,22.

Установлено, что в процессе структурообразования на первой стадии созревания ЦСР появляется и растет интенсивность полосы поглощения с максимумом 390 нм (рис 2). Возникновение данной полосы, несомненно, связано с появлением слабых межмолекулярных взаимодействий между молекулами МС и избыточными ионами серебра находящимися в ЦСР при образовании олигомерных цепочек.

Рис. 3. а. – Зависимость относительной вязкости ЦСР от времени стояния при 24 С и соотношении концентраций компонентов СAgNO3/CCys: 1,23 (1); 1,25 (2); 1,26 (3); 1,27 (4); 1,29 (5); 1,31(6); 1,4 (7); б – зависимость относительной вязкости ЦСР от соотношения концентрации компонентов при Т 24 С и t =180 мин.

Обнаружено также, что максимальная интенсивность данной полосы проявляется при соотношении концентраций компонентов дисперсной фазы 1,27, тогда как диапазон возможных соотношений С(AgNO3)/C(Cys), при котором наблюдалось появление полосы поглощения, составляет от 1,24 до 1,35.  Полученные результаты хорошо коррелируют с данными метода капиллярной вискозиметрии. На рис. 3. представлены зависимости относительной вязкости ЦСР от времени его созревания при различном соотношении концентрации исходных компонентов. Рис. 3б. демонстрирует, что оптимальное соотношение концентраций исходных компонентов для образования гидрогеля лежит в диапазоне от 1,25 до 1,29, при соотношениях выше 1,29 и ниже 1,25 наблюдалось снижение вязкости системы (рис. 3.5б).

Важным моментом являлось также определение температурного и временного диапазона созревания ЦСР. Необходимо при этом отметить, что компоненты из которых строится пространственная сетка геля являются биологически активными веществами, а следовательно крайне чувствительными к малейшим изменениям температуры окружающей среды. На рис. 4а. представлена зависимость относительной вязкости ЦСР от времени его созревания при различной температуре. Очевидна связь между температурой эксперимента и временем, необходимым для созревания системы: с увеличением температуры уменьшается время образования олигомерных цепей.

Рис. 4. Зависимость относительной вязкости ЦСР  а) от времени созревания при различной температуре Т = 15 (1); 18 (2); 20 (3); 24 (4); 27 (5); 30 (6); 35 (7); 40 C (8). б от температуры при t = 180 мин, С(Сys)=3мМ, C(AgNO3)=3.75мМ, C(Na2SO4)=0.5 мM.

Видим, что максимальная вязкость системы достигается в интервале от 24 до 27 С. Следует отметить, что при температуре ниже 24 С в течение эксперимента не удалось достичь максимального значения относительной вязкости. При температуре выше 27 С максимально достигнутое значение вязкости существенно ниже, чем в интервале от 24 до 27 С. Таким образом ЦСР имеет наивысшую относительную вязкость при его получении в диапазоне температур 24-27°С.

Изучение морфологии ЦСР методом ПЭМ показало, что высушенный раствор имеет гомогенную структуру, покрытую серыми пятнами-кластерами, образованными из молекул МС, и имеющими размеры 3-5 нм (рис. 5.), естественно эти размеры занижены вследствие удаления воды при высушивании раствора.

Рис. 5. Микрофотографии созревшего ЦСР при различном увеличении С(AgNO3)/C(Cys) = 1,27.

И действительно, данные ДСР демонстрируют наличие кластеров большего размера (~ 50нм). Рост размеров кластеров отмечался с течением времени. Влияние времени созревания раствора на характер распределения коэффициента диффузии W(D) для ЦСР с соотношением С(AgNO3)/C(Cys) = 1,27, при 25°С иллюстрирует рис. 6.

Рис. 6. Влияние времени созревания ЦСР при 25°С на характер распределения коэффициента диффузии: а – свежеприготовленный, б - через 4 часа стояния в темноте.

Таким образом, можно заключить, что для оптимального протекания первой стадии процесса гелеобразования (созревание ЦСР) необходимо соблюдение следующих условий:

- соотношение концентраций Сcys/CAg  должно составлять 1,25 – 1, 27;

- оптимальные условия созревания ЦСР отвечают температуре 24 – 27 С;

- временной критерий созревания ЦСР равняется 120 минутам и более.

В главе 4 рассматриваются строение и свойства гидрогелей на основе ЦСР. Также глава содержит результаты реологических исследований указанных гидрогелей. Показано, что модуль упругости исследованных гелей практически постоянен в широком частотном диапазоне, а механические потери малы (рис. 7). Оба факта типичны для эластичных гелей и свидетельствуют о том, что существует область твердообразного поведения, наблюдаемая для всех исследованных систем. Деформационно-амплитудные зависимости модуля накопления для всех исследованных систем состоят из двух частей - линейной и нелинейной (которая соответствует более или менее резкому падению упругости) области (рис. 8).

Рис. 7. Частотные зависимости модуля накопления (сплошные значки) и модуля потерь (незаштрихованные значки) для серий исследованных систем. Na2WO4 (1, 1'), Na2MoO4 (2, 2') и их смеси с соотношением Na2WO4:Na2MoO4=50:50 (3, 3'), 70:30 (4, 4'), 80:20 (5, 5'), 30:70 (6, 6') и 20:80 (7, 7')

Рис. 8. Амплитудные зависимости модуля накопления для исследованных систем. Na2WO4 (1), Na2MoO4 (2') и их смеси с соотношением Na2WO4: Na2MoO4=50:50 (3), 70:30 (4), 80:20 (5), 30:70 (6) и 20:80 (7)

Полученные данные свидетельствуют, о том, что область линейной вязкоупругости гелей довольно продолжительна. Линейность механического поведения сохраняется до деформации порядка 10%. Это довольно большие значения деформации характерные для эластичных гелей.

Вязкостные свойства (кривые течения) исследованных систем типичны для “слабых” гелей (рис. 9.), причем максимальная вязкость, η0, зависит от состава “геля”. Затем происходит резкое падение кажущейся вязкости в довольно узком интервале напряжения сдвига, которое можно трактовать как предел текучести τY. Глубина падения может достигать 7 десятичных порядков, что характерно для структурированных систем. Следовательно, предел текучести необходимо рассматривать, как напряжение, соответствующее прочности структурной сетки, и относящееся, соответственно, к объемному структурному переходу. В реологическом поведении исследованных систем можно выделить три области: при < Y, происходит течение среды с сохранением структуры в неразрушенном состоянии; затем при   = Y происходит кажущийся переход “твердое тело - жидкость”, а при > Y наблюдается течение сильно разбавленного раствора.

Рис. 9. Зависимости кажущейся вязкости от напряжения сдвига для исследованных систем  Na2WO4 (1), Na2MoO4 (2') и их смеси с соотношением Na2WO4:Na2MoO4 =50:50 (3), 70:30 (4), 80:20 (5), 30:70 (6) и 20:80 (7).

Рис. 10. Зависимость предела текучести (1), модуля упругости (2) и pH (3) для системы цистеин/Ag при добавлении смеси электролитов Na2WO4 и Na2SO4.

Роль электролита в формировании гелей и их влияние на реологические свойства показана на рис. 10., где граничные точки на оси абсцисс соответствуют 100% одного из электролитов (Na2WO4 и Na2SO4 ), а промежуточные точки получены для смеси этих электролитов. Во всех случаях прочность систем (τY) и их упругость (G') проходит через максимум при определенном содержании электролитов, и этот максимум связан с минимумом pH раствора. Такое экстремальное влияние на реологические свойства может быть связано с взаимным влиянием двух солей, которое отражается на их гидролизе. Так, из-за подавления гидролиза возрастает ионная сила раствора, а это способствует структурированию.

Необходимо отметить, что природа вводимого электролита оказывает различное влияние на строение и свойства получаемых гелей. Предполагается, что основную роль при этом играет анион, связывающий между собой олигомерные цепочки МС, таким образом формируя пространственную гель-сетку. Так при использовании двухзарядных анионов можно наблюдать увеличение интенсивности полосы поглощения 390 нм (рис. 11.), что связано с увеличением числа слабых связываний в процессе структурирования системы. Тогда как при введении однозарядных анионов происходит сначала сдвиг данной полосы в сторону меньших длин волн, а затем и полное ее исчезновение, следствием чего является разрушение гидрогеля через некоторое время. Таким образом, метод УФ спектроскопии подтверждает различный механизм образования связей в пространственной сетке гидрогеля.

Рис. 11. Изменение УФ спектра ЦСР во времени при введении электролита а) Na2WO4, б) NH4Cl.

Рис. 12 Микрофотографии гидрогелей полученные добавление различных электролитов: а) сульфата натрия, б) молибдата натрия, в) смеси сульфата натрия и хлорида аммония, г) хлорида аммония.

Наглядным подтверждением различного характера образующейся гель-сетки являются данные, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии. Рис. 12. демонстрирует строение гидрогеля,

полученного введением различных электролитов в созревший ЦСР. Можно видеть, что пространственные сетки имеют различное строение, но во всех случаях  более детальный анализ пространственной сетки геля показал, что волокна состоят из кластеров размером от 2 до 5 нм, т.е. примерно тех же размеров, что и в исходном ЦСР.

Таким образом, можно предположить, что пространственная сетка геля образована агрегатами-заготовками, состоящими из супрамолекулярных цепей МС, образовавшихся в созревшем ЦСР. Длительное выдерживание геля под электронным пучком (рис. 12в,г.), как показали электроннограммы, приводило к появлению наночастиц серебра и Ag2S размером от 5 нм и выше. Рис. 12г. также показывает, что при использовании в качестве инициатора гелеобразования хлорида аммония образующаяся пространственная сетка имеет менее плотную структуру, чем при использовании сульфата или молибдата натрия, что также отражается на значениях вязкости получаемых гидрогелей.

Комплексный анализ полученных экспериментальных данных позволяет предположить следующую схему гелеобразования в исследуемой системе при добавлении электролита:

Глава 5 посвящена исследованию совместимости гидрогеля на основе ЦСР с различными биологически активными и полимерными добавками, которые могут играть роль оболочек при доставке лекарств. В качестве вводимых добавок были выбраны: 1) натриевая соль цефатоксима является антибиотиком третьего поколения, обладает широким спектром действия, и применяется при инфекциях дыхательных и мочевыводящих путей, инфекциях уха, горла, носа, эндокардите, менингите, инфекциях костей и мягких тканей. 2) ПВП используется для изготовления плазмозамещающих растворов, и как заместитель синовиальной жидкости. 3) нитроксимексидол применяется как кардиологическое средство для предупреждения и лечения стенокардии, инфарктов, инсультов. 4) ПВС хорошо сочетается с аминокислотами, улучшая при этом доставку веществ к сердцу и скелетной мускулатуре, тем самым, минимизируя отторжение имплантированных материалов. Совместимость добавок с исследуемыми гидрогелями анализировалась с помощью метода ИК-спектроскопии, а именно, были получены ИК-спектры гелей с добавками и проведен сравнительный спектральный анализ по выявлению полос поглощения принадлежащих вводимым веществам в спектрах высушенных гелей. Во всех исследуемых случаях в спектрах гелей наблюдались полосы поглощения, характерные для вводимых веществ. Таким образом, подтверждается присутствие добавок в составе гелей.

Необходимо отметить, что проведенные реологические испытания показывают, что основные характеристики гелей не претерпевают изменений при добавлении полимерных веществ, хотя абсолютные значения реологических параметров (предел текучести и модуль упругости) повышаются.

Рис. 13. демонстрирует влияние вводимых веществ на морфологию образующихся гелей. Можно наблюдать насколько сильно меняется характер структурной сетки в каждом случае, схожим остается лишь уплотнение волокон, образующих сетку, и увеличение количества их связываний, что и подтверждается увеличением вязкости гелей.

Рис. 13. Влияние вводимых добавок на строение пространственной сетки гидрогеля: а) цефотаксим натрия, б) поливинилпирролидон, в) поливиниловый спирт, г) нитроксимексидол.

Таким образом, введение всех рассмотренных веществ не препятствует образованию сетки геля, но изменяет ее строение.

Таблица 1.  Микробиологическая активность ЦСР и гидрогеля на его основе, электролит Na2SO4

Тест-культуры

Разведения исследуемого образца

ЦСР

Гель

ЦСР

Гель

ЦСР

Гель

ЦСР

Гель

ЦСР

Гель

1:10

1:20

1:50

1:100

1:200

Bacillus cereus

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

Bacillus subtillis

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

Escherichia coli

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

Salmonella abony

-

-

-

-

+

-

+

-

+

+

Pseudomonas aeruginosa

-

-

+

-

+

+

+

+

+

+

Staphylococcus aureus

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

Примечание: «+» соответствует росту бактерий в питательной среде;

«» отсутствию роста бактерий в питательной среде

Одной из важнейших областей применения данных гидрогелей является создание новых лекарственных препаратов и различных фармакологических композиций. Проведенные нами исследования

Таблица 2. Антагонистическая активность исследуемых образцов по отношению к тест-культурам патогенных и условно-патогенных микроорганизмов

Исследуемые образцы: гели на основе ЦСР, C(Cys) = 3mM,  C(AgNO3) = 3,81 mM,  C(Na2SO4) = 0,9 mM

Зоны подавления роста тест-культур в мм.

E.coli ATCC 25922

S.aureus ATCC 25923

P.aeruginosa ATCC 27853

S. typhimu-rium 5715

Sh.sonnei III №1908

B.subtilis 6633

№ 1.

8

9

8

7

9

7

№ 2. С(ПВС) = 0,075%

8

10

8

7

9

7

№ 3. С(ПВП) = 0,075%

9

9

7

7

9

7

№ 4. С(нитрокси-

мексидола)=0,075%

10

9

8

7

9

7

№ 5.  С(C16H14N5NaO6S2) = 1 mM

30

20

9

17

16

20

показали (таб. 1.), что гидрогель, на основе L-цистеина и нитрата серебра обладает антимикробным действием в отношении грамм-положительных стафилококков, бацилл и грамм-отрицательных эшерихий в разведении 1:10, палочек псевдоманад до разведения 1:20.

Из приведенных данных видно что, гидрогель на основе ЦСР обладает более высокой антибактериальной активностью, чем сам ЦСР. Это объясняется, по-видимому, тем, что гидрогель представляет собой самоорганизованную супрамолекулярную сетку, которая затрудняет или полностью блокирует транспорт биоферментов к бактериям, в результате чего прекращается их жизнедеятельность.

Также был проведен ряд антибактериальных исследований (таб.2.), показавших, что введение ПВС, ПВП, нитроксимексидола и цефатоксима натриевой соли увеличивает антибактериальную активность системы, что позволяет расширить спектр возможных применений в медицине.

Выводы

В результате проведенной работы:

1. Установлены критерии протекания процесса гелеобразования в водном растворе L-цистеина и нитрата серебра: а) необходимое соотношение концентраций исходных компонентов С(AgNO3)/C(Cys) должно составлять от 1,25 до 1,27; б) благоприятный температурный диапазон от 24 до 27 С; в) временные критерии протекания каждой стадии образования гидрогеля; первая стадия от 120 минут, вторая не менее 10мин до полного завершения процесса структурирования.

2. Показано, что гели, сформированные в водных растворах систем L-цистеин/AgNO3 в присутствии различных электролитов, являются вязко-пластичными средами с дуализмом реологических свойств. Гидрогели ведут себя как твердоподобные материалы, (модуль упругости не зависит от частоты), но могут течь при очень низких напряжениях. Их кажущаяся вязкость падает на несколько десятичных порядков в узком диапазоне напряжений (что типично для вязко-пластичных материалов).

3. Установлено, что количественные параметры гидрогелей зависят от их состава, но во всех случаях гелеобразование возможно при концентрациях реагирующих веществ, не превышающих 0,036 масс. %. Более того, существование гелевой структуры можно наблюдать при чрезвычайно низкой концентрации дисперсной фазы, вплоть до 6·10-4 масс. %

4. Исследовано влияние различных электролитов на процесс гелеобразования. Показано, что физико-химические свойства и структура получаемых гидрогелей зависят от природы и состава вводимых электролитов.

5. Исследована совместимость исследуемого гидрогеля с ПВС, ПВП, нитроксимексидолом, цефотаксимом натриевой соли. Показано, что введение данных веществ повышает абсолютные значения реологических параметров (предел текучести и модуль упругости).

6. Установлена микробиологическая активность получаемых гидрогелей в отношении грамположительных стафилококков, бацилл и грамотрицательных эшерихий и палочек псевдоманад. Высказано предположение, что ЦСР и гидрогели на его основе могут служить перспективной матрицей для введения в него биоактивных веществ и создания тем самым целого класса новых лекарственных препаратов.

Список работ, в которых опубликованы

основные положения диссертации

Статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ

1. Спиридонова В.М., Савельева В.С., Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Гидрогель на основе L-цистеина и нитрата серебра как матрица для создания новых лекарственных препаратов // Ползуновский вестник. 2009. № 3. С. 324-327.

2. Пахомов П.М., Абрамчук С.С., Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Спиридонова В.М. Формирование наноструктурированных гидрогелей в растворах L цистеина и нитрата серебра // Российские нанотехнологии. 2010. Т.5. № 3-4. С 26.

3. Ильин С.О., Спиридонова В.М., Савельева В.С., Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Френкин Э.И., Пахомов П.М., Малкин А.Я. Гелеобразование в разбавленных водных растворах L-цистеина и AgNO3 // Коллоидный журнал. 2011. Т. 73. № 5. С. 641-646;

4. Ilyin S., Roumyantseva T., Spiridonova V., Semakov A., Frenkin E., Malkin A., Kulichikhin V. Gels of cysteine/Ag-based dilute colloid systems and their rheological properties // Soft Matter. 2011. V. 7. № 19. P. 9090-9103.

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

1. Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Спиридонова В.М. Кластерообразование в водных растворах  цистеина и нитрата серебра в зависимости от содержания серной кислоты и гидроокиси калия // Физико-химия полимеров. Тверь. 2006. №12. С. 222.

2. Егорова Е.В., Спиридонова В.М., Савельева В.С. О механизме структурирования гелеобразующих систем на основе водных растворов цистеина, нитрата серебра и сульфат-ионов // Физико-химия полимеров. Тверь. 2008. №14. С. 195.

3. Пахомов П.М., Абрамчук С.С., Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Спиридонова В.М. Изучение гелеобразования в водном цистеин-серебряном растворе под воздействием электролитов. Данные метода просвечивающей электронной микроскопии // Физико-химия полимеров. Тверь. 2009. №15. С. 24.

4. Спиридонова В.М., Савельева В.С., Хижняк С.Д. Влияние различных анионов на строение гидрогеля, полученного из цистеин-серебряного раствора // Физико-химия полимеров. Тверь. 2009. стр. №15. С. 94.

5. Спиридонова В.М., Савельева В.С., Червинец В.М. Микробиологическая активность низкоконцентрированных растворов и гидрогелей на основе L-цистеина и нитрата серебра // Физико-химия полимеров. Тверь. 2009. № 15. С. 99.

6. Спиридонова В.М., Савельева В.С., Хижняк С.Д. Реологические испытания цистеин-серебряного раствора и гидрогеля на его основе // Физико-химия полимеров. Тверь. 2009. № 15. С. 24.

7. Спиридонова В.М. О процессе самоорганизации в водном растворе цистеина // XVIII Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии». Тезисы докладов. Екатеринбург. 2006. С.168.

8. Spiridonova V.M. Investigation of the gelation process by means of dynamical light scattering // Третья Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием « Современные проблемы науки о полимерах». Тезисы докладов. Санкт-Петербург. 2007. С. 67.

9. Спиридонова В.М., Овчинников М.М., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Тиксотропные гидрогели на основе L-цистеина: реологические и структурные исследования // Материалы 24 симпозиума по реологии. Карачарово. 2008. С. 94.

10. Спиридонова В.М. Явления самоорганизации в водном растворе L-цистеина и нитрата серебра // XV Региональные Каргинские чтения. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тезисы докладов. Тверь. 2008. С. 82.

11. Спиридонова В.М. Изучение механизма гелеобразования в водных растворах L-цистеина и нитрата серебра // Четвертая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием « Современные проблемы науки о полимерах». Тезисы докладов. Санкт-Петербург. 2008. С. 46.

12. Спиридонова В.М. Исследование реологических свойств L цистеин-серебряного раствора и гидрогелей на его основе // Пятая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием « Современные проблемы науки о полимерах». Тезисы докладов. Санкт-Петербург. 2009. С.42

13. Спиридонова В.М., Савельева В.С. Изучение процесса гелеобразования в водных растворах L-цистеина и нитрата серебра // XIV Региональные Каргинские чтения. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тезисы докладов. Тверь. 2007. С.63.

14. Спиридонова В.М. Исследование реологических свойств L цистеин серебряного раствора и гидрогелей на его основе // XIV Региональные Каргинские чтения. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии». Тезисы докладов. Тверь. 2009. С.92.

15. Спиридонова В.М., Савельева В.С. Реологические свойства тиксотропного гидрогеля на основе цистеина и нитрата серебра // Материалы II конференции молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем». Звенигород. 2009. С.180.

16. Савельева В.С., Спиридонова В.М., Ильин С.О., Пахомов П.П. Влияние природы электролита на реологические характеристики гидрогелей на основе цистеина // Материалы 25 симпозиума по реологии. Осташков. 2010. С. 187.

Технический редактор А.В. Жильцов

Подписано в печать 10.05.2012. Формат 60x84 1/16.

Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 251.

Тверской государственный университет

Редакционно-издательское управление

Адрес: 170100, г. Тверь, ул. Желябова, 33.

Тел. РИУ: (4822) 35-60-63

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.