УДК 547.458.81.620.18
НОВЫЕ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ПОЛИСАХАРИДНЫЕ ГИДРОГЕЛИ
, ,
Иркутский институт химии им. СО РАН, Иркутск, Россия.
E-mail: *****@***irk. ru
Получены серебросодержащие нанокомпозиты на основе природного полисахарида каррагинана с содержанием наночастиц серебра 2.5-11.5 % и регулируемым временем гелеобразования от 10 до 20 мин. Оптимизированы подходы к управляемому структурообразованию новых полимерных гидрогелей. Использование полученных нанокомпозитов в качестве гидрогелевого компонента позволит разработать перспективные покрытия медицинского назначения, что обусловит их применение в качестве субстанций для новых эффективных терапевтических агентов.
Ключевые слова: гидрогели, нанобиокомпозиты, серебро, каррагинан
Введение
Влагоемкие и супервпитывающие полимеры с высокой динамикой сорбции являются перспективными объектами для разработки нового типа лекарственных препаратов [1]. Способность гидрогелевых материалов реагировать на такие факторы, как влажность, температура и состав окружающей среды, обуславливает их применение в качестве субстанций для эффективных терапевтических агентов [2]. Наиболее важным свойством для использования подобных материалов в биомедицинских целях является их биосовместимость и биодеградируемость [3, 4]. В качестве таких гидрогелевых биосовместимых компонентов весьма перспективным представляется использование серебросодержащих нанокомпозитов на основе природных полисахаридов, ценные свойства которых определяются комплексным сочетанием высокой влагоемкости полисахаридов и антимикробных свойств наночастиц серебра.
В работе нами представлены результаты исследования гелеобразования серебросодержащих нанокомпозитов на основе природного полисахарида каррагинана.
Обсуждение результатов
Характеристика серебросодержащих нанокомпозитов каррагинана
Водорастворимые серебросодержащие нанокомпозиты на основе каррагинана получены по экологически безопасной методике в рамках разработываемой нами стратегии создания наноразмерных материалов [4]. Пространственная сетка полимерного гидрогеля является своего рода нанореактором для формирования наночастиц металлов, при этом самоорганизация нанокомпозитов происходит путем специфического связывания наночастиц серебра с матрицами полисахаридов. Полисахариды выполняют в этом процессе двойственную роль, являясь как восстановителями ионов серебра в объеме матрицы, так и стабилизаторами образующихся in situ наночастиц нуль-валентного серебра. Нами установлена возможность получения нанокомпозитов с заданным компонентным составом путем варьирования соотношения прекурсор/матрица в довольно широком интервале, что позволяет управлять физико-химическими свойствами объектов. Установленный синергизм свойств нанокомпозитов обусловил использование в качестве матрицы, способной придать наноматериалам высокую влагоудерживающую и гелеобразующую способность, природного полисахарида κ-каррагинана, производимого в промышленных масштабах. В результате созданы серебросодержащие нанокомпозиты на основе каррагинана, восприимчивые к внешним воздействиям (влажности, температуре, рН среды и т. д.), с гелеобразующей способностью, которая может регулироваться по принципу «on-off» в зависимости от изменения состава нанокомпозита и растворителя.
По данным электронной микроскопии нанокомпозиты содержат равномерно распределенные по всему объему материала сферические наночастицы серебра со средними размерами 7-12 нм [5]. Содержание наночастиц серебра в нанокомпозитах варьируется в интервале 2.5-11.5 %, что обуславливает проявление ими высокой антимикробной активности в отношении патогенных микроорганизмов [5]. Водорастворимые нанокомпозиты являются агрегативно устойчивыми в течение длительного времени и могут быть выделены в порошкообразном виде. Они отличаются высокой влагоудерживающей способностью, количество иммобилизуемой ими воды достигает 80 %. Набухаемость гидрогелей полученных нанокомпозитов также является варьируемым параметром.
Динамика гелеобразования к-каррагинанов различной молекулярной массы
Известно, что углеводы, в том числе и полисахариды, при определенных концентрациях способны образовывать в водной среде межмолекулярные водородные связи. Вязкость растворов нанокомпозитов, содержащих полисахариды, зависит от многих факторов, в том числе как от состава окружающей среды, так и от состава и структуры нанокомпозитов. Нанокомпозиты представляют собой наночастицы серебра, которые могут образовывать мостичные связи между макромолекулами стабилизирующих их полисахаридов, как было обнаружено при исследовании нанокомпозитов на основе арабиногалактана методами светорассеяния [6]. Нами установлено, что молекулярная масса нанокомпозитов варьируется в зависимости от содержания в них наночастиц. Показано, что увеличение содержания наночастиц серебра с 2.5 до 11.5 % в составе нанокомпозитов на основе каррагинана (ММ 1009 кДа) сопровождается снижением величины молекулярной массы более, чем в 3 раза [7]. Поэтому предварительно было проведено исследование динамики гелеобразования самого κ-каррагинана в зависимости от ступенчатого изменения его молекулярной массы в интервале 1800-100 кДа, достигаемого частичной щелочной деполимеризацией [8]. Было определено, что время гелеобразования возрастает пропорционально снижению молекулярной массы образцов.
Динамика гелеобразования к-каррагинана при различных рН среды
Также известно, что на процесс гелеобразования полимеров оказывает влияние рН среды. Изучение динамики гелеобразования κ-каррагинана в зависимости от рН раствора показало, что зависимость способности к гелеобразованию у растворов κ-каррагинана от рН изменяется по седлообразной кривой, с наименьшей длительностью протекания этого процесса при рН 6.0 - 9.0, и наибольшей – в сильнокислой и сильнощелочной средах. Макромолекулы κ-каррагинана содержат ионогенные группы (SO3-), и соответственно, в полярном растворителе способны диссоциировать с образованием полиионов. В кислой среде (избыток ионов Н+) диссоциация кислотных групп подавлена, молекула полисахарида диссоциирует как основание, и соответственно, вся макромолекула приобретает положительный заряд. В щелочной среде (избыток ионов ОН-) макромолекула полисахарида диссоциирует как кислота, молекула приобретает отрицательный заряд. В сильнокислой и щелочной средах заряженные макромолекулы при столкновении в силу одноименности заряда не могут объединиться в крупные агрегаты. Кроме того, гибкая макромолекула не свертывается в клубок, а распрямляется. В промежуточных значениях рН (6-9) в равной степени протекают процессы диссоциации по типу кислоты и основания. Макромолекулы приобретают и положительный и отрицательный заряды, которые друг друга уравновешивают, в целом макромолекулы оказываются нейтральными, и в этом изоэлектрическом состоянии макромолекулы способны объединяться в крупные агрегаты, соответственно и время гелеобразования становится минимальным.
В стационарных условиях агрегированные макромолекулы полисахаридов в нанокомпозитах теряют кинетическую самостоятельность и система оказывается лишенной возможности легкой диффузии компонентов. Диффузии препятствует гель-фаза, представляющая собой трехмерную макромолекулярную сетку с пространственным остовом и различным количеством узлов зацепления. Процесс гелеобразования заключается в возрастании объемной доли золя, превращающегося в микрогель, и значительному повышении вязкости. На процесс гелеобразования влияют концентрация полимерной фазы, структура полимера, полифункциональность макромолекулы, величина молекулярной массы, число активных центров, количество связанной воды, наличие и тип добавляемого электролита. Для полифункциональных полимеров, какими являются полисахариды, степень превращения в точке гелеобразования зависит от их функциональности. Присутствие полярных групп, в нашем случае гидроксильных, и сульфогрупп каррагинана, распределенных вдоль цепи, способствует гелеобразованию за счет возникновения межмолекулярных водородных связей. Образованию геля особенно благоприятствует вытянутая форма макромолекул дисперсной фазы κ-каррагинана, имеющих линейное строение. Однако для нанокомпозитов можно не только регулировать количество точек контакта между макромолекулами, выбирая необходимую концентрацию раствора, но и влиять на морфологию полимерной фазы, задавая в широком диапазоне структуру от высокодисперсной вытянутой линейной до агрегированной более или менее глобулярной, путем изменения фазового состава компонентов нанокомпозитов.
Влияние анионов на гелеобразование κ-каррагинана
Кроме того, выявлена степень температурного воздействия на видовое и концентрационное влияние электролитов добавляемых к растворам κ-каррагинана. Первоначально изучено воздействие различных анионов сильных и слабых кислот в составе натриевых солей, рН которых для экспериментальных смесей, полученных при добавлении их 1 н растворов к 2% раствору полисахарида, варьировал в интервале 7.84-9.45. Обнаружено, что наибольшее влияние на ускорение времени гелеобразования κ-каррагинана по сравнению с водой (31 мин), оказывают иод-анионы (11 мин), наименьшее - гидрокарбонат-ионы (26 мин). Гидроксид-ион в этом ряду занимает особое положение, значительно увеличивая время образования геля (37 мин), как было отмечено выше. Установлено, что анионы, понижающие температуру (с 46 до 260 С) и ускоряющие процесс образования геля κ-каррагинана, располагаются в следующий ряд:
J-> CO32- > SO42- > NO2- > Cl - > CH3COO - > HCO3- > Н2О > OH-
Влияние катионов на гелеобразование κ-каррагинана
Регулирующим фактором гелеобразования κ-каррагинана также являются и катионы, находящиеся в растворе. В частности известно, что на гелеобразование исследуемого нами к-каррагинана решающее влияние должен оказывать калий, что и было подтверждено нашим экспериментом. Изучено воздействие различных катионов сильных и слабых оснований в виде хлоридов, рН которых для экспериментальных смесей, полученных при добавлении их 1 н растворов к 2% раствору полисахарида, варьировал в интервале 6.86-8.56. Время образования геля в случае прибавления хлорида калия было критическим: всего 2 мин, при добавлении катионов натрия процесс застудневания κ-каррагинана растягивается до 17 мин. По уменьшению степени влияния на ускорение времени гелеобразования κ-каррагинана исследуемые катионы можно расположить в следующий ряд:
К+ > NH4+ > Са2+ > Na+ > Н2О
В целом воздействие катионов на ускорение времени гелеобразования к-каррагинана более эффективно, чем анионов, что имеет особое значение для наших нанокомпозитов, в составе которых по условиям проведения синтеза меняется тип и количество именно катионов. Следовательно, и для нанокомпозитов можно не только регулировать количество зацеплений между макромолекулами, выбирая необходимую концентрацию раствора, но и влиять на морфологию полимерной фазы, обеспечивая в широком диапазоне структуру от высокодисперсной вытянутой линейной до агрегированной более или менее глобулярной, путем изменения фазового состава компонентов нанокомпозитов и катионного состава растворов.
Влияние наночастиц серебра на гелеобразование нанокомпозитов κ-каррагинана
Мы ожидали, что воздействие наночастиц серебра в составе нанокомпозитов на гелеобразование матрицы каррагинана должно быть близко к воздействию катионов на этот процесс, поскольку они также имеют частичный положительный заряд. Однако было определено, что минимальная гелеобразующая концентрация в водных растворах исходного κ-каррагинана составляет 12.5 мг/мл, для гидролизованного κ-каррагинана - 15.0, а для серебросодержащих нанокомпозитов на его основе возрастает от 15.0 до 20.0 мг/мг в зависимости от варьируемого количества введенного серебра (2.5 - 11.5%). Время гелеобразования 2% растворов исходного и гидролизованного κ-каррагинана составляет соответственно 7, 11 мин, а для нанокомпозитов 15-18 мин в зависимости от варьируемого количества введенного серебра. Закономерные различия в гелеобразовании исходного и гидролизованного κ-каррагинана очевидно происходят за счет изменения катионного состава полисахарида, поскольку при гидролизе, проведенном в растворе гидроксида натрия [6], содержание калия и натрия в них меняется, и соотношение K/Na в гидролизованном κ-каррагинане становится 1:1 вместо 6:1, как было в исходном κ-каррагинане. Эксперимент показал, что присутствие наночастиц серебра в количестве 2.5 до 11.5% в составе нанокомпозитов, в которых соотношение K/Na 1:1 такое же, как и в гидролизованном κ-каррагинане, приводит к возрастанию как минимальной гелеобразующей концентрации, так и времени гелеобразования. Следовательно, воздействие наночастиц серебра на создание различного количества узлов зацепления и возникновение межмолекулярных водородных связей неадекватно воздействию катионов, таких как калий или кальций. Предположительно, это вызвано тем, что наночастицы, обладающие избыточной поверхностной энергией, вовлекают во взаимодействие большое число гидроксильных групп полисахарида, тем самым препятствуя их участию в образовании водородных связей между молекулами полисахарида для образования трехмерной сетчатой структуры геля. Но при этом нанокомпозиты при концентрации 4 мг/мл, как показано в работе [5], способны в 0,1 н водном растворе нитрата натрия сами создавать до 2% агрегатов за счет взаимодействия не с одной, а с несколькими молекулами полисахарида.
В результате создания нанокомпозитов с варьированным в довольно широком интервале компонентным составом были получены стабильные гели с регулируемым временем гелеобразования от 10 до 20 мин. Время гелеобразования можно варьировать в 1.7 раза в определенном интервале содержания наночастиц серебра в нанокомпозитах. Установлено минимальное соотношение нанокомпозит/вода, необходимое для образования гидрогеля, соответствующее появлению в растворе сетки зацеплений. Минимальную концентрацию гелеобразования можно изменять на 30 %, выбирая композит соответствующего состава в зависимости от требуемых свойств.
Прочностные свойства полученных гидрогелей изменчивы, для биомедицинских целей они не должны быть слишком высоки, более необходимы мягкость и пластичность гидрогелевых материалов. Термочувствительность также имеет важное значение – стандартные условия прекращения текучести, определяемые при застывании геля в холодильнике при 10°С, меняются при использовании материалов при температуре существования организмов, что приводит к их размягчению и лучшей пластичности. Дальнейшее повышение температуры окружающей среды до 60-80°С приводит к коллапсу геля.
Заключение
Таким образом, получены наноструктурированные серебросодержащие гидрогели с высоким содержанием иммобилизованой воды, гелеобразующим компонентом которых является полисахарид к-каррагинан, а регулирующим фактором наночастицы серебра и катионы окружающей среды. Найдены подходы к управляемому структурообразованию полимерных гидрогелей и определены параметры гелеобразования. Использование в качестве гидрогелевого компонента полученных серебросодержащих нанокомпозитов позволит разработать перспективные покрытия медицинского назначения, основными свойствами которых являются, способность сохранять удалять избыточный раневой экссудат, изолировать рану от окружающей среды, а также их высокая антимикробная активность в отношении основных представителей патогенной микрофлоры.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №14-43-04127 р_сибирь_а и 16-33-00623 мол_а).
Список литературы
1. , , Хуранов раневые покрытия в местном лечении ран различного генеза // Фундаментальные исследования. 2013. № 12-2. С. 361-365.
2. Патент № RU 2503465 (РФ). Супервпитывающий полимерный композит, содержащий супервпитывающий полимер и целлюлозные нанофибриллы / А. Ларссон, К. Мальмгрен, М. Ларссон, Р. Битис, С. Аббас /2012.
3. , , Рашидова исследования полисахаридов и нанокомпозиций на их основе // Химия растительного сырья. 2010. № 1. С. 13–19.
4. , , Трофимов благородных металлов на основе арабиногалактана: получение и строение // Журнал структурной химии. 2007. № 5. С. 979-984.
5. , , Трофимов нанокомпозиты на основе галактоманнана и каррагинана: синтез, строение, антимикробные свойства // Известия АН. Серия химическая. 2010. № 12. С. 2266- 2271.
6. Gasilova E., Khripunov A., Toropova A., Bushin S., Grischenko L., Aleksandrova G. Light scattering from aqueous solutions of colloid metal nanoparticles stabilized by natural polysaccharide arabinogalactan // Journal of Physical Chemistry (B). 2010. Vol. 114. N 12. P. 4204- 4212.
7. , , Трофимов нанобиокомпозиты с галактозосодержащими стабилизирующими матрицами: размерный эффект в изменении молекулярно-массовых характеристик // Журнал общей химии. 2015. Т. 85. В. 2. С. 317-326.
8. Lesnichaya M. V., Aleksandrova G. P., Sukhov B. G., Rokhin A. V. Molecular-weight characteristics of galactomannan and carrageenan // Chemistry of Natural Compounds. 2013. Т. 49. № 3. С. 405-410.
Aleksandrova G. P., Lesnichaya M. V., Sukhov B. G., Trofimov B. A.
THE NEW SMART SILVER-СONTAINING NANOSTRUCTURED POLYSACCHARIDIC HYDROGELS
Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS, Irkutsk, Russia. E-mail: *****@***irk. ru
Silver-сontaining nanocomposites based on natural polysaccharides of a carrageenan containing 2.5-11.5% of silver nanoparticles and a gel time adjustable from 10 to 20 minutes were obtained. Approaches to the controlled structure formation of new polymeric hydrogels were optimized. The use of nanocomposites obtained as a hydrogel component will develop a long-term coating medical devices that determine their use as substances for new effective therapeutic agents.
Key words: hydrogels, nanobiocomposite, silver, carrageenan.
