Биофизико-химические аспекты получения и применения коллоидов магнетита Вольтер Ефим Романович

Содержание к диссертации

Введение

Глава І. Литературный обзор 8

1.1 .Получение и некоторые физико-химические свойства коллоидных ферромагнетиков 8

1.2. Химическая модификация коллоидных ферромагнетиков 8

1.2.1. Коагуляция и флокуляция ферроколлоидов 10

1.3.Поверхностные электронные состояния в высокодисперсных металлических частицах 11

1.4. Магнитные свойства коллоидных ферромагнетиков 12

1.5. Магнитный резонанс ферроколлоида 12

1.6. Физико-химические свойства живой системы. 14

1.6.1.Уровень организации и свойства живой системы 14

1.6.2. Биологические мембраны и их функции 15

1.7. Физико-химические свойства мембранных систем 16

1.7.1. Гидрофобные взаимодействия и устойчивость мембран 17

1.7.2. Молекулярные взаимодействия в мембранах 18

1.7.3. Взаимодействие коллоидных металлов с живыми клетками. 20

1.7.3.1. Флокуляция и хемотаксис живых клеток в присутствии коллоидных металлов 22

1.7.4. Применение коллоидных ферромагнетиков в биологии и медицине 24

Выводы по главе 1 26

Глава II. Методика получения и физико-химические свойства коллоидов магнетита . 28

2.1. Получение и физико-химические свойства частиц магнетита 28

2.2. Исследование фотостабилизации коллоидного магнетита 29

2.3. Получение ферроколлоидов медико-биологического назначения 31

2.3.1. Ферроколоид, стабилизированный альбумином 31

2.3.2. Ферроколоид, стабилизированный лецитином 34

2.3.3. Ферроколоиды, с растворяющейся дисперсной фазой, стабилизированные лимонной кислотой и салицилатом натрия 36

2.4. Изотермы адсорбции биологически активных веществ на магнетите 39

2.4.1. Адсорбция альбумина на магнетите 39

2.5. Магнитный резонанс в ферроколлоидах 40

2.5.1. Линия поглощения суспензии магнетита 40

2.5.2. Ферромагнитный резонанс в коллоидах магнетита 41

2.5.3. Электронный магнитный резонанс ферроколлоида, стабилизированного лимонной кислотой. 43

2.5.4. Спектры ФМР ферроколлоидов, стабилизированных альбумином и лецитином. 45

2.6. Редокситные свойства ферроколлоидов. 46

2.7. Магнитная структура модифицированного НМ 47

Глава III. Гетеровзаимодействие коллоидного магнетита с микробами 50

3.1. Избирательность антимикробного действия коллоидного магнетита к клеткам 50

3.2. Влияние стабилизаторов КМ на антимикробное действие 53

3.3. Обсуждение результатов 53

3.3.1. Капиллярные и термофлуктуационные эффекты при адагуляции КМ на бактериальной стенке 55

Глава IV. Экспериментальное исследование и моделирование динамики коллоидного магнетита в организме 58

4.1. Распределение КМ в органах и тканях животных 58

4.2. Двухкамерная модель динамики КМ в организме 67

4.3.Диффузионно-кинетические закономерности распределения КМ в межклеточном пространстве. 71

4.4.Кинетическая модель описания транспорта КМ в организме 73

Глава V. Применение ферроколлоидов при исследовании и моделировании медико-биологических процессов 77

5.1. Малые частицы магнетита- метки для биологических исследований 77

5.2. Коллоидные частицы магнетита в микроциркуляционном русле 80

5.2.1.Моделированиегиперкоагулемии. 80

5.2.2. Фильтрация КМ в терминальном русле. 81

5.3. Эпителиоидная гранулема 83

5.4. Моделирование токсической гепатопатии. 85

5.5. Моделирование асептического перитонита; 86

5.6. Моделирование иммунодефицитного состояния 87

Глава VI Результаты испытания КМ при лечении трудно заживающих язв нижних конечностей 90

6.1 Обсуждение результатов 94

Заключение. 102

Выводы 106

Список литературы

• Химическая модификация коллоидных ферромагнетиков
• Исследование фотостабилизации коллоидного магнетита
• Влияние стабилизаторов КМ на антимикробное действие
• Двухкамерная модель динамики КМ в организме

Введение к работе

В окружающей нас среде непрерывно протекают процессы специфического и неспецифического взаимодействия объектов живой и неживой природы. Привлечение методов биофизической химии к решению биологических задач позволяет лучше понять роль среды обитания в жизнедеятельности организмов, так как большая часть биологических структур и процессов, протекающих на надмолекулярном уровне в живой системе, имеет коллоидную природу [1,2].

Через тонкие пленки водной дисперсной среды происходит взаимодействие живых клеток с коллоидными частицами и имеет место специфическая избирательность [3,4] .В ряде случаев может наблюдаться избирательная адгезия коллоидных минералов к мембране живых клеток [5,б], а в других - специфическое отталкивание, образование периодических структур без видимых контактов или полная инертность [7,8]. Это, вероятно, обусловлено различием в знаке дальнодействующих поверхностных сил, действующих между клеткой и коллоидными материалами в водной среде, ферро- и электрофоретическими силами и др. [9,10].

Актуальность проблемы. Значительное количество высокодисперсных ферромагнетиков, преимущественно магнетита (закись-окись железа), биогенного и техногенного происхождения непрерывно генерируются в микробных популяциях и различных технологических производствах, попадают в сточные воды и выбрасываются со смогом в атмосферу. Попадая в организм с воздухом, питьевой водой и продуктами питания частицы окислов железа в большинстве своем элиминируются (до солей железа) [11], а незначительная часть длительно депонируется в организме.

Уже не одну сотню лет назад люди успешно применяли коллоидный магнетит (КМ) для лечения гнойно-воспалительных заболеваний и отравлений, что описано в канонах восточной (Авиценна) и тибетской медицины [12]. Однако в середине 30-х годов XX века коллоидальное лечение пошло на спад вследствие открытия и успешного применения сульфаниламидов, а затем антибиотиков.

Начиная с середины 60-х годов наблюдается возрастающий интерес как к возможностям использования коллоидных ферромагнетиков в биологии и медицине, оценке их патогенности, степени биосовместимости, так и к способам охраны живой природы от излишнего накопления этих материалов в организме.

Применение магнитных наноматериалов позволяет активно воздействовать на процессы метаболизма и получать информации о процессах, протекающих на клеточном, органном и организменных уровнях, осуществляя детоксикационные и дезинтеграционные воздействия.

В известной степени этими качествами обладают КМ, высокодисперсные частицы РезОд, стабилизированные двойными электрическими слоями (ДС) или

биоактивными ПАВ в воде. Магнитные и магниторезонансные свойства магнетита, а также электронноплотность материала позволяют осуществлять не только управляемое воздействие, но и контроль их биотрансформации в организме. Успехи коллоидной химии позволили в достаточной мере отработать технологию получения и понять природу устойчивости, старения и коагуляции КМ [13].

По инициативе академика Л.А. Пирузяна в 1978 году бьша сформирована Программа Министерства Здравоохранения СССР «Применение ферромагнетиков в медицине» и в её выполнении включились такие учёные как М.Г.Ахалая, В.Ф. Гудов, А.А. Кузнецов, А.Г. Маленков, и многие другие.

К началу 80-х годов была сформулирована концепция о том, что высокодисперсные металлические частицы, в том числе и железо (в разной степени окисления), представляют новый класс биологически-активных соединений [і 4,15].

Развитие представлений о биомагнетизме, физиологической роли магнитных полей и магнитоспиновых эффектов оставило в стороне ряд вопросов, касающихся биофизико-химической активности КМ. Электронные поверхностные состояния наномагнетита, изменяемые при адсорбции ПАВ, во многом определяют адсорбционные, каталитические и окислительно-восстановительные свойства КМ, устойчивость частиц к растворению и окислению в биосреде, а, следовательно, и возможную степень влияния на гомеостаз. С исследованием этих свойств могут быть связаны надежды от применения КМ для активации детоксицирующих систем, выделительных функций и иммунных механизмов, для исследований мембранных и ферментных систем, и механизмов депонирования в организме чужеродных соединений, а также для лечения онкологических (гипертермия) и гнойно-воспалительных заболеваний.

Цель и задачи исследования^ Изучение структурных и физико-химических показателей биосреды в зависимости от магнитной структуры и динамики изменений редокситных свойств наномагнетита (НМ), модифицированных биоактивными соединениями (белки, липиды, органические кислоты и др.) и внешних электромагнитных воздействий. Задачи исследования -

1. Получение биосовместимых коллоидов наномагнетита.

2. Изучение особенностей распределения, биотрансформации и элиминации КМ в организме для обоснования использования этих микроструктур как метки при биологических исследованиях.

3. Изучение природы гетеровзаимодействия КМ с микробами.

4. Применение КМ в экспериментальной фармакологии, при лечении гнойных ран и моделировании заболеваний.

Научная новизна. Изучены механизмы образования защитной оболочки ПАВ на поверхности частиц КМ, сопровождающихся в ряде случаев изменением формы и

ростом числа структурных дефектов частиц. Изучены факторы, влияющие как на сфероидизацию, так и на возникновение кристаллической огранки модифицированных частиц, а также редокс-процессы в КМ, вероятно, сопровождающиеся послойным растворением частиц магнетита.

Установлено что процесс необратимого поглощения кислорода в КМ зависит от редокс-свойств молекул ПАВ защитной оболочки и рН-среды.

Впервые по результатам исследования электронного магнитного резонанса в КМ предложена возможная схема модифицированного наномагнетита с учетом автолокализованных на поверхностных дефектах радикальных форм.

Экспериментально и теоретически обоснованы биофизико-химические механизмы бактериостатического действия КМ на колонии S. aureus.

Установлены основные пути биотрансформации КМ при различных путях введения в организм.

Разработаны способы моделирования патологических состояний на организ-менном, органном и клеточном уровнях, основанных на введении КМ в организм животных, и использования ИМ как магнитной метки для биологических исследований.

Предложены и применены в клинической практике ряд КМ для лечения гнойных ран, преимущественно диабетического происхождения.

Практическая ценность. На основании экспериментальных исследований влияния ПАВ на структуру и физико-химические свойства КМ в полярной среде; в том числе взаимодействия автолокализованных радикальных форм, магнитных моментов поверхности и объема, оптимизированы технологические режимы получения КМ с повышенной или пониженной намагниченностью и устойчивостью ферро-фазы к растворению в агрессивной биосреде.

Данные о влиянии КМ на гомеостаз и жизненно важные биосистемы открывают новые возможности и подходы в диагностике и лечении ряда инфекционных и хронических заболеваний человека. Разработан метод лечения гнойных ран диабетического происхождения, который прошёл предклинические испытания. Практически у всех пациентов наблюдалось значительное улучшение и заживление ран. Получены положительные результаты при местной радиочастотной гипертермии тканей, содержащих частицы наномагнетита, и гемосорбции с использованием КМ.

1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1.Получение и некоторые физико-химические свойства коллоидных

ферромагнетиков.

Благодаря стремительному совершенствованию технической базы исследования и производства были синтезированы и подробно охарактеризированы десятки ферроколлоидов, отличающихся по химическому составу, размерам и форме, магнитным характеристикам и др. физико-химическим свойствам [і 8 — 20].

Исходя из задачи исследования достаточно ограничить обсуждение всех известных методов получения КМ только теми, где наномагнетит, осаждается непосредственно в водной среде. В этом случае имеются широкие возможности управления структурными и физико-химическими свойствами КМ за счет поддержания оптимального технологического режима на всех этапах получения [21.-23].

Среди способов, применяемых для получения НМ, чаще всего в лабораторных условиях используют способы соосаждения солей двух- и трехвалентного железа в избытке щелочи [24]. В зависимости от степени пересыщения раствора, рН, температуры и других физико-химических условий возникают ВДЧ магнетита с характерными формой и дефектами упаковки, магнитными свойствами, разбросами по размерам и т.п.

Магнетит (Fe₃04) выпадает в осадок черного цвета за счет следующей реакции:

FeCl₂ + FeCl₃ + 8 NaOH ^ Fe(OH)₂ + Fe(OH)₃ + 8 NaCl

Fe(OH)₂ + Fe(OH)₃ = Fe₃0₄ + 4H₂0

В работе [25] показано, что качество синтезируемого магнетита зависит от выбора щелочи и убывает в ряду NH₄OH, NaOH, КОН. Синтезируемые частицы магнетита имеют сферическую форму и размеры 7-15 нм.

1.2.Химическая модификация коллоидных ферромагнетиков.

Вследствие дисперсионного притяжения и магнитных взаимодействий в КМ наблюдается агрегация дисперсной фазы. Отталкивание между магнитными частицами можно обеспечить за счет образования на их поверхности двойного ионного слоя (ДС) или защитной оболочки ПАВ [26,27]. Пептизация свежеприго-

товленнои пасты магнетита приводит к увеличению суммарной поверхности частиц и к уменьшению свободного объема дисперсии [28].

Электростатическая стабилизация КМ приводит к образованию мета-стабильной системы и обычно включает на порядок ниже количество диспергированной фазы, чем при стабилизации ПАВами. Для достижения электростатической стабилизации КМ используют кислые и щелочные среды. Обычно применяют, соответственно, НС1 (рН 3,5-5,0) и NaOH (рН 9,5-11,0), т.к. точка нулевого заряда магнетита в воде около 6,4 [29,30].

Химическая модификация поверхности ПАВами в наибольшей степени затрудняет межчастичное взаимодействие с другими подобными частицами НМ [Зі]. При сближении модифицированных частиц НМ возникает перекрытие и локальное повышение концентрации ПАВ в защитном слое каждой частицы. Это обусловливает изменение свободной энергии адсорбционных слоев, что приводит к отталкиванию магнитных частиц. Как отмечено в работе [32], наиболее эффективны стабилизаторы, способные химически связываться с поверхностью НМ. При этом снижается подвижность адсорбированных молекул ПАВ и их десорбция в дисперсионную среду.

Оптимальным ПАВ для получения КМ считается олеиновая кислота. Полярные СОО* - группы молекул олеиновой кислоты образуют химические связи с активными центрами поверхности ВДЧ магнетита. Однако, это приводит к снижению намагниченности частиц за счет образования поверхностного немагнитного слоя. В литературе имеются сведения, что ПАВ могут проникать в кристаллическую решетку окислов железа на значительную величину, в результате чего может происходить реконструкция поверхности [33]. Имеющиеся данные позволяют считать, что толщина этого слоя порядка постоянной кристаллической решетки магнетита (0,83 нм).

Для получения КМ в полярных средах эффективна электростерическая стабилизация [34]. Электростерический вклад может быть связан с наличием заряда на адсорбционно-активном веществе, обычно биологической природы (витамины, органические кислоты, липиды и др.).

На физико-химические свойства дисперсной фазы значительное влияние оказывают растворенные в полярной среде газы, в особенности кислород [35]. Возможно, что даже при наличии защитной оболочки ПАВ, протекает процесс диффузии 0₂ к активным центрам поверхности НМ. Адсорбция кислорода приводит не только к перестройке и окислению поверхностного слоя частиц магнетита, но и к изменению сольватной оболочки и адсорбционной активности ПАВ [Зб]. Эти факторы могут отрицательно влиять на устойчивость КМ.

На структуру дисперсной фазы КМ значительное влияние оказывает природа несущей среды. Адсорбционный слой проницаем для молекул растворителя, которые способны активно взаимодействовать с поверхностью частиц НМ [37,38]. Например, вода диссоциирует на гидроксильные группы, которые насы-

щают оборванные химические связи на поверхности магнетита, и ионы водорода, диффузия которых в оксидную фазу приводит к ее растворению и уменьшению магнитных свойств. Вследствие электрохимических реакций межфазной границы электролит- поверхность НМ происходят электронные переходы между объемом и поверхностью частицы, при низких значениях рН окисление приводит к переходам Рез0₄ -> yFe₂03 в поверхностных слоях частицы.

1.2.1. Коагуляция и флокуляция ферроколлоидов.

Свойства межфазной поверхности, которые зависят от присутствия электролитов и высокомолекулярных адсорбционно-активных веществ, значительно влияют на устойчивость коллоидов.

Соответственно по этим причинам различают два типа потери устойчивости- коагуляцию и флокуляцию [39].

Введение КМ в биологическую систему неизбежно связано с взаимодействием как с электролитами биологических жидкостей, так и биомолекулами, имеющими разнообразные активные центры, размеры и конформацию. Известно что, при повреждении защитных оболочек, ведущих к нарушению баланса сил притяжения и отталкивания, наблюдается слипание магнитных частиц при соударениях [40.]

Известно эмпирическое правило Гарди, что коагулирующей способностью в каком-либо электролите обладает тот ион, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидных частиц [41} Коагулирующая способность неорганических ионов растет с их валентностью, а коагуляционная способность органических ионов зависит от величины их адсорбционного потенциала и длины молекулы.

В случае КМ, полный баланс сил притяжения и отталкивания включает в себя и магнитную составляющую [42]. Количественное решение задачи о кинетике коагуляции КМ до сих пор не найдено.

Агрегация коллоидных частиц, вызываемая наличием в дисперсной среде свободных макромолекул, получила название вытеснительнои флокуляции [43]. Эффект четко наблюдается при малой концентрации полимеров в растворе. При увеличении концентрации происходит образование защитного коллоида. Поскольку в медико-биологических целях наибольшее распространение получают КМ, стабилизированные биополимерами, то для объяснения природы флокуляции необходимо использовать теорию стерической оболочки.

Предполагается, что молекула свободного полимера перекрывается с полимерами стерической оболочки. При сближении двух стерически стабилизированных частиц свободные макромолекулы вытесняются в дисперсионную среду. Это вытеснение сопровождается изменением свободной энергии. Следовательно, добавление свободного полимера может вызвать флокуляцию [44].

Флокуляция в присутствии свободного полимера экспериментально наблюдалась и в случае отсутствия структурно-механического барьера на частицах [45]. Причем высокомолекулярные полимеры являются более эффективными флокулянтами по сравнению с низкомолекулярными веществами.

В области очень низких концентраций макромолекул доминирует эффект флокуляции по мостиковому механизму. Кроме того, попадание электролитов понижает растворяющую способность дисперсионной среды по отношению к стабилизирующим молекулам. Это также приводит к принудительной флокуляции.

В заключении следует отметить, что по причине адсорбции ПАВ или образования ДС и проницаемости этих слоев для растворенных газов, постепенно происходит окисление и изменение напряжений в поверхностном слое дисперсной фазы,что влияет на силу молекулярного притяжения и заряд частиц дисперсии [4б]. Те же факторы сложным образом влияют и на магнитные характеристики дисперсной фазы.

1.3. Поверхностные электронные состояния в высокодисперсных

металлических частицах.

Распределение спиновой плотности ВДЧ металлов отличается от поведения электронов в массивном образце. Поверхностные состояния наночастиц тесно связаны с их внутренней структурой [47].

Как показали расчеты в объеме ВДЧ происходит увеличение электронной плотности за счет атомов поверхности. Экспериментальные исследования дают возможность считать, что зонные состояния ВДЧ заметно отличаются от состояний в массивных материалах только при размерах частиц меньших 2-3 нм, при которых число поверхностных атомов составляет более 50% [48].

Поверхностные локализованные состояния отчетливо проявляются из-за обрыва периодического потенциала кристалла и искажений решетки в приповерхностном слое. Поверхность представляет систему ненасыщенных электронных связей и ловушку для структурных дефектных [49].

В случае, когда поверхность окисла находится в контакте с жидкой или газообразной фазой ненасыщенные электронные связи и структурные дефекты являются центрами возникновения межфазных электронных состояний [50]. В результате обмена электронами заряд на поверхности будет противоположным заряду объема. Эти слои пространственного заряда в ВДЧ могут выступать в полярной среде в качестве рекомбинационных центров, уровней прилипания, промежуточных центров в процессе переноса заряда через межфазную границу.

Обладая развитой межфазной поверхностью и, следовательно, избыточной свободной энергией, дисперсные системы стремятся к ее уменьшению. Энергетически более выгодным оказывается состояние с пониженной атомной плотно-

стью поверхности по сравнению с массивным материалом [51]. Тот же эффект наблюдается при образовании на поверхности В ДЧ адсорбционно-сольватных слоев из молекул ПАВ и растворителя. Дисперсионная среда влияет на квантовые и размерные эффекты, определяет огранку кристаллитов, анизотропию формы, строение ДС и элементарные возбуждения приповерхностного слоя частиц [52,53].

1.4. Магнитные свойства коллоидных ферромагнетиков.

При уменьшении зерна ферромагнитного материала до некоторого критического объема магнитные свойства и его структура качественно изменяются. Магнитные частицы становятся однодоменными [54]. Дальнейшее уменьшение размеров ВДЧ приводит к тепловым флуктуациям суммарного магнитного момента частицы.

Если энергия теплового движения превышает энергию анизотропии, обусловленную кристаллическим полем, то намагниченность одно доменной частицы флуктуирует от одного направления оси анизотропии к другому. Для описания данного явления употребляется термин суперпарамагнетизм [55]. Эффективный магнитный момент суперпарамагнитной частицы равен сумме магнитных моментов составляющих ее ионов и может достигать десятков тысяч магнетонов Бора. Частицы магнетита становятся суперпарамагнитными при размерах меньше 50нм.

Наиболее близким магнетиту магнитным минералом является маггемит -у Те₂0з, представляющий собой катион-дефицитную форму шпинели. Маггемит легко образуется при низкотемпературном окислении магнетита, что приводит к образованию катионных вакансий при окислении Fe ⁺ до Fe³⁺.

Химическая модификация микрокристалла может приводить к изменению его формы и размеров, например при окислении или адсорбции [5б]. При увеличении объема частицы или изменения формы возрастает величина энергетического барьера и, следовательно, изменяется время релаксации магнитного момента. Поэтому следует ожидать различие в магнитных характеристиках нано-магнетита при адсорбции ПАВ с различными физико-химическими свойствами.

1.5. Магнитный резонанс ферроколлоида.

Серия теоретических работ [57 - 60] по магнитному резонансу в КМ состоит в изучении ФМР супермагнитных частиц при различных сочетаниях СВЧ-и магнитного полей. В общем случае [бі], когда учитывается поле СВЧ, внешнее поле Н_А и поле магнитной анизотропии частиц Но, линия поглощения ФМР ансамбля частиц имеет лоренцовый вид. С повышением температуры увеличивается ширина линии поглощения.

Там же показано, что при уменьшении Н₀ Лоренцова форма сигнала ФМР может деформироваться. Эффект будет тем сильнее, чем значительнее полидисперсность, и определяется разбросом резонансных частот, связанным с различием направлений в них поля анизотропии. Кроме того, движение магнитного момента супермагнитных частиц в СВЧ- полях приобретает релаксационный характер за счет флуктуационных процессов, возрастающих по мере уменьшения размера частиц. Так как при этом происходит рост эффективного параметра затухания, то ширина резонансной линии, соответственно, увеличивается [62].

Экспериментальным исследованиям ФМР в гетерогенных системах, состоящих из магнитных наноматериалов и реакционноспособных дисперсных сред, посвящен ряд работ, например [63]. Были обнаружены существенные отличия резонансных свойств ВДЧ магнетита от характеристик массивного материала той же природы. Эти отличия, в первую очередь, связывались с физико-химическими и структурными изменениями в поверхностном слое магнитных частиц.

Основной вывод работы [б4]заключается в том, что причина сильного уширения линии ФМР связана со сложным внутренним строением частиц феррита. На величину внутреннего эффективного поля сильно влияет размагничивающее действие поверхности частиц. Это приводит к зависимости частоты ларморовской прецессии намагниченности от формы и размера частицы. Магнитные моменты объема и поверхности ВДЧ в общем случае могут не совпадать и влиять друг на друга за счет магнитных дипольных и обменных взаимодействий. Во всех случаях эти эффекты будут обусловливать неоднородную прецессию вектора намагниченности относительно тела феррочастиц.

Как известно, в работе [б5]при изучении электронного магнитного резонанса в слабо концентрированных магнитных жидкостях (МЖ), наряду с широким сигналом поглощения g = 2,36 ,был обнаружен узкий сигнал с g-фактором 2,005. Эти исследователи связывали природу узкого сигнала с резонансным поглощением ультрамалых супермагнитных частиц, с размером около 1 нм. Данный эффект можно также объяснить присутствием в системе свободных радикалов [бб]. Однако, к единой точке зрения на причину возникновения этих сигналов исследователи до сих пор не пришли. Использование мелкодисперстных частиц качественно меняет спектр ЭПР парамагнитных центров. Регистрируется ориентационно - уширенное огибающая линия присущая хаотически ориентированным парамагнитным центрам, сложным образом распределённых в переходном приповерхностном слое [67]. Магнитные свойства поверхности очень чувствительны к внешним условиям (технология приготовления, элементный состав газового окружения, температура) и внутренним (структура дефектов в объёме, их миграция)

Рассмотренные данные свидетельствуют о перспективности использования метода магнитного резонанса для исследований структуры частиц КМ, поверхностных эффектов в них, а также для определения концентрационных изменений феррофазы и магнитных характеристик в эксплуатационном режиме.

1.6. Физико-химические свойства живой системы.

І.б.І.Уровень организации и свойства живой системы.

Все живые существа состоят из клеток. Клетки представляют собой окруженную мембраной микрообласть, заполненную водным раствором химических веществ [68]. Разные группы клеток в пределах организма объединяются в более сложные чем клетка упорядочненные структуры - органы и ткани с разнообразием физиологических функций [69]. У многоклеточных организмов все клетки различных тканей окружены внеклеточным матриксом [70-72]. Внеклеточный матрикс состоит в основном из фибриллярных белковых структур погруженных в гидратированный полисахаридный гель. Матрикс не только скрепляет клетки в тканях и ткани в органах, но и влияет на развитие полярности и поведение соприкасающихся с ним клеток.

Внеклеточный матрикс формирует систему адгезивных механизмов. Регуляция межклеточного и клеточно-матриксного взаимодействия осуществляется с помощью различных медиаторов, среди которых важнейшая роль принадлежит цитокинам и ростовым факторам.

Многие специализированные клетки организма и большинство микробов непрерывно выделяют в биосреду разнообразные макромолекулы с хемотактиче-ским или комплементарным действиями, обладающие свойствами ПАВ (белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, пептидные гормоны, антитела, полисахариды и др.) [73]. Одни вещества непрерывно секретируются производящими их клетками, тогда как другие запасаются в секреторных пузырьках и высвобождаются под действием химических медиаторов. Эти вещества служат фактором агрегации. Причем специфическая реакция может наблюдаться как для секретирую-щих клеток, так и для клеток имеющих слабое сродство друг к другу.

Взаимодействие между микробной клеткой и клеткой организма зависит от активности поверхностных структур и продуктов жизнедеятельности микроорганизма и характера их влияния на поверхностные структуры клеток носителя [74,75]. Возникновение связей объясняется появлением водородных мостиков или чаще гидрофобных связей, что свидетельствует о тесной пространственной ориентации микробов и клеток носителей. Токсины, обычно сложные белковые макромолекулы, которые выделяются микробами в окружающую среду и вступают во взаимодействие с определенными поверхностными структурами клеток мишени и повреждают их с помощью специфических механизмов [76].

1.6.2. Биологические мембраны и их функции.

Биологические мембраны являются тонкими анизотропными образованиями. Толщина мембраны обычно составляет 5-10 нм. Главными компонентами мембраны являются амфифильные молекулы - фосфолипиды и белки [77].

Липидная матрица обладает рядом свойств двухмерной жидкости [78]. Гидрофобные углеводородные цепи липидов создают в центре мембраны область с низкой диэлектрической проницаемостью, которая препятствует переносу в живую клетку ионизированных и гидрофильных молекул. Как правило наружную поверхность бислоя составляют нейтральные липиды, а внутреннюю сторону -отрицательно заряженные липиды. так как мембрана является тонким диэлектриком, то ассиметрия распределения липидов приводит к возникновению внутри-мембранного скачка потенциала, который может составлять до 300 мВ [79]. В мембранных системах могут оказаться существенными эффекты дискретности поверхностного заряда [80}

Действие веществ, взаимодействующих с биомембраной, проявляется в первую очередь в изменении поверхностного заряда мембран. Поверхностный заряд большинства клеточных мембран отрицателен и снижается по мере уменьшения рН среды и введения поливалентных катионов [81,82} Заряженную поверхность мембраны в биологической среде окружает диффузный слой противо-ионов, толщиной около 1-10 нм, который влияет на потенциал в системе.

Плазматическая мембрана бактерий и грибов окружена дополнительной стенкой, отличающей их от животных клеток. Клеточная стенка защищает клетки от осмотического набухания, ведущего к разрыву мембраны [83}

Толщина клеточной стенки грамположительной бактерии колеблется от 15 до 50 нм. Клеточная стенка содержит от 40 до 90% пептидогликана (муреина) и в качестве соответствующих компонентов тейхоевые кислоты, полисахариды и белки.. Благодаря поперечным сшивкам пептидогликан образует жесткую волокнистую оболочку, которая придает бактериям форму и прочность. G пептидогли-каном ковалентно связан кислый полимер, составляющий 30-40% от всей массы стенки. Кислый характер полимера, связанного с пептидогликаном, обеспечивает сильную полярность клеточной поверхности и наличие на ней отрицательного заряда. Содержание белка в стенке составляет 5-10% [84,85}

Стенки грамотрицательных бактерий имеют толщину 25-30 нм и содержат следующие сопутствующие компоненты: фосфолипиды, липопротеины, белки и липополисахариды. Они покрывают муреиновую оболочку грамотрицательных бактерий в виде мягкого покрова, строение которого представляет собой бислой из монослоя фосфолипидов и монослоя белков и липополисахаридов. Пептидогликановый компонент составляет лишь 5% массы бактериальной стен-

ки. Полисахаридная наружная оболочка придает поверхности бактериальных клеток высокую степень гидрофильности. В 1 мкм² наружной мембраны содержится 10⁵ молекул липополисахаридов, 10⁵ молекул белка и 10⁶ молекул фосфолипида. Вследствие малых размеров бактериальных клеток белки, отвечающие за клеточное дыхание, ассоциированы с мембраной [86]

1.7. Физико-химические свойства мембранных систем.

Живые клетки имеют большую площадь поверхностной мембраны по отношению к объему клетки [87] Это обусловлено тем, что мембраны лимитируют скорость поступления питательных веществ и кислорода в клетку.

Большинство клеток секретирует и поглощает макромолекулы путем последовательного образования и слияния, окруженных мембраной пузырьков (везикул). Локальные участки плазматической мембраны выпячиваются и отщепляются, в результате чего формируются мелкие (пиноцитозные) или крупные (фагоцитозные) пузырьки. При этом захватывается большое количество внеклеточной жидкости. Диаметр эндоцитозного пузырька составляет около 50-400 нм. Площадь поверхности и объем клетки практически не изменяется в процессе эн-доцитоза.

Живая клетка может существовать в питательной среде, состав которой отличен от ее внутреннего содержимого. При этом мембраной регулируется как концентрация электролитов внутри и вне клетки, так и концентрация низко- и высокомолекулярных веществ. Растворителем во всех случаях служит вода, легко проходящая через мембраны. [88].

Химический потенциал растворителя: (і; = |Х; + RTln & где д/*- стандартный химически потенциал растворителя, а %; - его мольная доля [89,90} В состоянии равновесия химический потенциал растворителя должен быть одинаковым с обеих сторон мембраны. В предельном случае, когда макромолекулы находятся с одной стороны полунепроницаемой мембраны, в области где находится чистый растворитель $ = 1 .Присутствие макромолекул с другой стороны мембраны уменьшает мольную долю растворителя.

Для того, чтобы в системе установилось равновесие, разность стандартных химических потенциалов растворителя по обе стороны мембраны должна соответственно возместить разность в активности растворителя в разделенных мембраной областях. Равновесие в системе устанавливается после того, как часть растворителя перетечет в область, содержащую макромолекулы. При этом давление в растворе, содержащем макромолекулы увеличивается на величину, которая обеспечивает баланс химического потенциала растворителя с обеих сторон. Разность давления по обе стороны мембраны известна под названием осмотического давления.

Для идеальной системы, содержащей один тип макромолекул по одну сторону полунепроницаемой мембраны, уравнение для величины осмотического давления имеет вид

п = ( RT/M) с, где R - универсальная газовая постоянная, Т - температура, М - молекулярная масса, с - концентрация растворенного вещества.

Заряженные макромолекулы, находящиеся по одну сторону полунепроницаемой мембраны, влияют на распределение малых ионов по разные ее стороны (эффект Доннана) [91,92} Следовательно, для любой концентрации макромолекул в дисперсионной среде, наблюдаемое осмотическое давление превышает ожидаемое значение, т.к. заряженная макромолекула эффективно перераспределяет в свой раствор дополнительное количество соли.

1.7.1. Гидрофобные взаимодействия и устойчивость мембран.

Вещество мембран сильно взаимодействует с водными растворами ионов и полярных молекул. Вокруг полярных и заряженных групп липидов и белков образуются гидратные оболочки из связанной воды. Физико-химические свойства связанной воды вблизи гидрофильной поверхности мембраны и свободной воды в дисперсионной среде сильно различаются по растворимости и осмотической активности. Связанная вода определяет наличие гидратациионных сил которым противодействуют гидрофобные взаимодействия в мембране.

Силы на границе раздела связаны с энергией необходимой для свободного обмена молекулами воды и растворенных веществ между объемом водных фаз и границей мембраны. Гидратация полярных групп липидов существенно влияет на энергетику гидрофобного взаимодействия. Однако увеличению растворимости липидов в водной фазе препятствует наличие у них длинных углеводородных цепей. Нарушение баланса химических сил на границе раздела фаз будет происходить при малых изменениях в площади поверхностного контакта между гидрофобными группами и водой. При этом гидратация полярных групп изменяется незначительно.

Характеристикой свободной границы раздела, когда поверхность не является закрытой системой и способна обмениваться веществом с окружением, является поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение есть результирующая химических сил, вызванных взаимодействиями на поверхности мембраны.

В случае закрытых систем изотропная часть натяжения в мембране Т есть разность эффективной величины поверхностного натяжения на границах раздела и поверхностного давления р [89}: Т= б-р

При отсутствии натяжения мембраны Т=0 и б = р₀, где ро-естественное значение поверхностного давления при равновесии, определяемое только гидрофобными взаимодействиями.

Объемы водной фазы и границы мембраны могут свободно обмениваться молекулами воды. Считая процесс обмена равновесным можно приравнять химические потенциалы воды в приграничной фазе jx₃ и в объемной фазе ц . Приграничная фаза вносит свой вклад в натяжение мембраны, обозначаемый через Т' где i= 1,2.

Химический потенциал воды на границе при равновесии в пограничной фазе определяется изотропным напряжением и активностью воды в этой фазе a_s: У¹ = u^+RTW -T7n^si где u^,Sl - стандартный химический потенциал воды на границе раздела, R -газовая постоянная, n^s - число молей воды на 1 см² границы. Суммируя выражения для химического равновесия по всем і, получили связь между вкладом в натяжение мембраны со стороны ее границ, разностью стандартных химических потенциалов воды в объеме и приграничной фазе и активностью воды в приграничной фазе

2 Т"= [n^si(n'^Si-^^Si) + n^SiRTlna^Si] i=l

так как Т - б - р то поверхностное давление в мембране р и поверхностное натяжение могут быть найдены из этих соотношений как суммы по обоим границам :

2 р = (-n^SiRTlna^si)

i=l

б = Еп^8і(ц'^8і-Ц^8і) і=1 При изменении химического состояния поверхности мембраны величина б меняется, что возмущает естественное ненапряженное состояние мембраны. Следовательно, малые изменения химического равновесия одного или обоих слоев липидов могут приводить к поверхностным деформациям мембраны в целом [94}

1.7.2. Молекулярные взаимодействия в мембранах.

Биополимеры структура и функции которых сильно различаются, но имеющие общее свойство защитного коллоида образуют упорядоченные мембранные структуры с характерными свойствами структурно-механического барь-

ера. П.А.Ребиндер выдвинул положение о том, что эффективность структурно-механического барьера определяется двумя условиями [95]:

1. Способностью сопротивляться деформации и разрушению в сочетании
с достаточной подвижностью, обеспечивающей залечивание возникающих дефек
тов слоя;

2. Лиофильностью наружной части межфазного слоя, связанная с его
родственностью дисперсионной среде.

По своим физико-химическим свойствам все биологические мембраны включая и бактериальную стенку представляют собой гелеобразные структурированные межфазные адсорбционные слои. Для разрушения биомембраны, которая представляет собой межфазный барьер толщиной около 10 нм необходимо возникновение дефектов адсорбционного слоя.

Физические особенности механизма разрушения материала определяются приложенным напряжением, температурой и структурой материала [96]:

U₀ - уР = 2.3 kT (lg т / т₀ ), где U₀- начальная энергия активации разрушения, у - структурная постоянная, Р - напряжение разрыва, т - время разрушения материала, т₀ -постоянная процесса.

Энергия активации процесса разрушения биомембран зависит от прочности контактов составляющих ее биополимеров в межфазных слоях и типа межмолекулярного взаимодействия [97,98] Введение в дисперсную среду низко- и высокомолекулярных ПАВ, изменение рН может привести к быстрому понижению энергетического барьера, препятствующего разрушению межфазного слоя биополимеров.

В формировании мембранных структур особую роль играют электростатические и дисперсионные взаимодействия. Это обусловлено как дискретным распределение зарядов в биомембране, так и различием активности молекулы воды на границе раздела фаз и объеме. Суммарная толщина переходного межфазного слоя воды по обе стороны биомембраны больше толщины самой мембраны, что приводит к перекрытию слоев и, согласно Б.В.Дерягину к, термодинамической устойчивости мембран [99].

Плотность свободной энергии Гельмгольца рассматриваемой системы можно разделить на две составляющие :Fp - для гидрофобных взаимодействий молекул в мембране, которые не могут обмениваться с водными фазами и q - для взаимодействия водных фаз с поверхностными группами амфифильных молекул, образующих мембрану: F= Fp + F₆

Изменение плотности свободной энергии в расчете на единицу первоначальной площади выражается формулой: (dF)_T = TdS, тогда (dF/dS)_T= б-р и -p = (dF_p/dS)_T; б =(dF₆ /dS)_T

Следовательно, поверхностное давление отражает средний во времени обмен количеством движения между молекулами в плоскости мембраны.

Свободная межфазная энергия мембраны для естественного состояния Fo = 2 б, б = ро где ро - естественное значение поверхностного давления при равновесии в отсутствие сил, равное давлению дисперсионной среды. Утоньшение мембраны связано с увеличением площади ее поверхности и, следовательно, с совершением работы AW, необходимой для увеличения межфазного контакта гидрофобных групп с водным окружением. При малых изменениях площади поверхности

F = F + (dF_p/aS)~S,тогда F = (6 + p₀-p)S

Величина П = р - ро возникающая вследствие перекрывания полей поверхностных сил получила название расклинивающего давления, равного разности между давлением на поверхности мембраны р и давлением р₀ в объемной жидкой фазе.

Расклинивающее давление зависит от толщины мембраны h [і 00]:

Пд_ИСП =——, где константа Гамакера А определяется числом молекул в еди-блк³' нице объема взаимодействующих фаз, их поляризуемостью и энергией ионизации и зависит от природы вещества мембраны и дисперсной среде.

Расклинивающее давление обусловлено обобщенным эффектом всех молекулярно-поверхностных сил в мембране (теория ДЛФО)

П = Пе + Пм + ris + Па + Пс, где Пе - ионно-электростатическая составляющая расклинивающего давления, связанная с перекрытием диффузных ионных слоев заряженных поверхностей мембраны; Пм - молекулярная составляющая обусловленная перекрытием межфазных областей; Us - структурная составляющая вызванная перекрытием граничных слоев воды со структурой измененной, по сравнению с объемно фазой; Па - адсорбционная составляющая, связанная с перекрытием диффузных адсорбционных слоев нейтральных молекул в неионных растворах; Пс - составляющая обусловленная "стерическим" взаимодействием адсорбционных слоев ПАВ или полимеров.

Строгое применение теории ДЛФО ограничено случаем лиофобных коллоидов и пленок, когда не возникают граничные слои заметной протяженности с измененными, по сравнению с объемными, свойствами дисперсной среды.

1.7.3. Взаимодействие коллоидных металлов с живыми клетками.

Способность микробов аккумулировать тяжелые металлы имеет большую практическую значимость [і 01} Исследования по геохимии водных систем и экологии показали, что микроорганизмы являются одним из основных резервуаров, способствующих самоочищению природы [102} С другой стороны, обогащение руд в малоперспективных разрезах в настоящее время все более приобретает био-

технологическую ориентацию [юз]. Высокая избирательность отдельных видов микроорганизмов по отношению к металлам, способность перекристаллизации с образованием крупных зерен, размером в несколько микрон, значительный выход продукта — эти и другие возможности, заложенные природой в наследственный механизм микробов вселяют большие надежды на освоение металлоносных пород.

Природа взаимодействия микроорганизмов с металлами может быть самой различной. Наибольший интерес вызывает способность гетерокоагуляции микроорганизмов с коллоидными металлами [104} Практически не менее важны избирательная сорбция микроорганизмами металлов из растворов электролитов и последующее зарождение в клетке их нерастворимых кластерных или коллоидных соединений, а также флокуляция клеток в присутствии микроэлементов [105]

Обобщенные данные свидетельствуют о том, что сорбционная активность по отношению к металлам свойственна преимущественно живым клеткам. Причем, избирательность сорбции микроорганизмами металлов из смешанных растворов электролитов достигает 1,5-2,0 порядка. Во всех случаях выделение металлов происходит в виде коллоидных частиц на клеточных мембранах за счет протекания окислительно-восстановительных процессов.

Тем не менее фундаментальным остается вопрос о том, какие коллоидно-биохимические явления лежат в основе взаимодействия металлов с живыми клетками. Непонятно, почему в одних случаях адсорбция коллоидных минералов вызывает гибель клетки, а в других интенсивный рост культуры.

Во всех исследованных случаях имеется различие, которое заключается в том, что в одних случаях частицы адсорбируются и образуют агрегаты на клеточной мембране, а в других, агрегаты возникают в цитозоле, по-видимому связываясь со структурами цитоскелета [і 07]. На основе многочисленных исследований был сделан вывод, что природа явления - селективная гетерокоагуляция микроорганизмов с минеральными частицами. В последнее время показано [108], что интенсивность взаимодействия микробов с ВДЧ металлов определяется активностью метаболизма и особенностями активных центров биомакромолекул, выстилающих клеточную стенку. Зарождение кристаллитов внутри клетки индуцируется более сложными биохимическими процессами, в основе которых лежит необходимое присутствие выделяемого металла в ионной или мелкодисперсной форме в культуральной среде [і 09,110}

Еще более значительными оказались результаты экспериментов по взаимодействию микроорганизмов с металлическими и диэлектрическими кристаллитами. Интенсивность адсорбции частиц металлов мембраной клетки оказалась зависимой от типа проводимости минерала [ill]. Для объяснения процесса гетерокоагуляции в этом случае было использовано два подхода. В первом учитывалось перераспределение заряда в гликопротеиновом слое, во втором, исходи-

ли из гипотетического Фрелиховского излучения клетки, которое, как предполагается, индуцирует диэлектрофорез частиц к мембране [і 12} Для ВДЧ магнетита, которые не только диэлектрики, но и ферромагнетики, была также разработана интересная теория взаимодействия с живыми клетками на основе второго подхода [113].

Несомненно встает вопрос о влиянии коллоидных металлов на энергетические и биохимические превращения в живой клетке. То что касается роли ионов металлов в жизнедеятельности клетки уже определено успехами неорганической биохимии [і 14} Необходимо включить в рассмотрение такие параметры коллоидных металлов, как электрохимический потенциал и распределение дефектов на поверхности частиц, которые определяют возможные контактные окислительно-восстановительные превращения и генерацию ионов металлов в биологической системе.

1.7.3.1. Флокуляция и хемотаксис живых клеток в присутствии

коллоидных металлов.

Исследования показали, что адгезия металлофильных микроорганизмов на поверхности ВДЧ металлов, как правило, сопровождается изменением биохимической активности клеток и их флокуляцией [і 15} Так, для золота, наблюдалась повышенная прочность флокул, состоящих из полислоев клеток, сформированных на крупной частице. Формой агрегата клеток можно управлять, если на систему наложить электрическое поле, что связано с поляризацией частиц.

Таксис живых клеток по направлению агрегата имеет химическую природу и осуществляется в градиенте концентрации продукта метаболизма микроорганизмов или в градиенте концентрации электролита. Предполагается [Пб], что хемотаксис имеет диффузиофоретическую природу, обусловленную диффузионно-электрическими полями живых клеток. Экспериментально обнаружено, что диффузиофоретический дрейф осуществляют коллоидные металлические частицы вблизи живой клетки. В этой связи, было предложено объяснение данного феномена, основанное на том, что металлическое золото растворяется в количестве 0,08-0,12 ммоль/л колонией клеток 10¹⁰КОЕ/мл [117} В результате чего происходит диффузия ионов золота вдоль поверхности клетки (К = 10"¹⁰-10"⁹ см²/с) и создается повышенная концентрация электролита в диффузионном слое клетки. Оценки показывают, что данное количество не достаточно для флокуляции клеточной суспензии. В этой связи предполагается также изменение физико-химических свойств гель-слоя на мембране клетки в результате сорбции ионов металла.

Наряду со способностью катализировать растворение коллоидных металлов, адсорбированных на клеточной стенке, ряд микроорганизмов при определенной концентрации электролита начинают выделять металл в виде фазовых час-

тиц [118,119} Образуемая дисперсная фаза обладает флокулирующим действием по отношению к этим клеткам.

Неоднократно отмечалось [120], что возможный механизм гетерокоагуля-ции клеток с минеральными частицами включает в себя взаимодействие функциональных групп гликопротеинов клеточной стенки микроорганизмов с поверхностными атомами частицы. Растворение, перекристаллизация и формирование более крупных частиц на мембране клетки связано также с составом продуктов метаболизма [l 21} Взаимодействие коллоидной частицы с органическим веществом определяется наличием - S", -СОО", -РО(ОН)0", Н₃ - групп. Причем карбоксильные группы определяют основные участки отложения металлов в бактериальной стенке.

Важную роль в гетеровзаимодействии коллоидных минералов с микроорганизмами играют электрические процессы в диффузионном слое клетки, определяемые зарядом биополимеров и распределением их на клеточной поверхности [122} Однако, механизм перераспределения заряда, предложенный в данной работе, может быть отнесен скорее к мембране животной клетки, чем к клеточной стенке микроорганизмов. Тем не менее, учет мозаичности мембраны необходимо принять к рассмотрению.

Ещё более важен учёт биохимических процессов, регулирующих метаболизм клетки. Так, агрегирование микробных клеток и минеральных частиц подавляется - в присутствии - ингибиторов метаболизма. - Вероятно, - на процессы- гете-рокоагуляции влияет разность электрохимических потенциалов на бактериальной мембране, который находится под контролем транспортных белков, и трансмембранный потенциал, определяемый главным образом ферментами дыхательной цепи. Следовательно, на начальных этапах взаимодействия коллоидных металлов с живыми клетками, гетерокоагуляция происходит по электростатическому механизму.

Избирательность гетеровзаимодействия, согласно теории ДЛФО, может быть обусловлена различной величиной потенциального барьера для каждого типа коллоидного металла и клетки. Для определения полной энергии взаимодействия в данной системе необходимо суммировать все пять составляющих расклинивающего давления, три из которых для сложных биологических систем не определены. Однако, на стадии захвата, которая вероятно связана с медленной коагуляцией, достаточно учесть энергии ионно-электростатического отталкивания Пе и молекулярного притяжения П_м. Избирательность взаимодействия клеток с коллоидными частицами объясняется различием диэлектрических проницаемо-стей металлических и диэлектрических частиц.

Основной вывод, сделанный на основе учета влияния диэлектрической проницаемости металлической частицы на силы ионно-электростатического притяжения заключается в том, что понижение барьера отталкивания намного сильнее при взаимодействии клеточной мембраны с металлической, чем диэлектриче-

ской частицей. При расчетах, однако, используются значения диэлектрических проницаемостей массивных материалов, которые в случае ВДЧ металлов могут сильно изменяться в зависимости от размера частиц.

Там же отмечено, что теория ДФЛО не позволяет объяснить такой факт, что коллоидные металлы преимущественно гетеровзаимодеиствуют с живыми, а не с инактивированными клетками. Следовательно, для объяснения избирательности захвата частиц клеткой, кроме обычных коллоидно-химических параметров системы (штерновского потенциала, константы Гамакера, размеров частицы и клетки и т.д.), необходим учет физиологического состояния клетки.

Считается, что избирательная металлофильность определяется генетическим кодом микроорганизмов, приспособленных к определенной геохимической среде обитания [123]. Внесение в питательную среду микроэлементов, не свойственных данной экологической нише, пагубно для растущей в ней культуры клеток. Причем, если ион металла токсичен, то при использовании его в форме ВДЧ токсичность его снижается на порядок.

1.7.4. Применение коллоидных ферромагнетиков в биологии и медицине.

Попадание КМ в живую систему происходит непрерывно на протяжении всей жизни [124,125]. Организм, поглощая НМ с пищей, водой, дымом и пылью, адаптировался к их присутствию. Вероятно, существует сложная цепь обмена и выведения этих веществ, без которого процесс накопления коллоидных соединений в клетках и тканях привел бы к неизбежной гибели животного. Свидетельством низкой токсичности КМ является факт обнаружения магнитных частиц как в магнитотаксических бактериях, так и в нервной ткани млекопитающих, птиц, насекомых [12б]. То есть, при определенных защитных оболочках, которая вместе с частицей образует магнитосому, достигается биосовместимость ферромагнитного материала.

Дисперсные ферромагнетики с начала 60-х годов находятся в поле зрения исследователей биологических систем. Фундаментальный интерес к ним связан с исследованиями механических свойств клеточных мембран, активность фагоцитирующих микроорганизмов, роли лизомального аппарата клетки и мн. др. [і27-133]. Прикладные задачи связаны с лечением и диагностики заболеваний, например таких, как онкологические, гнойно-воспалительные, сердечнососудистые [134-141] и т.д. Неожиданной удачей оказалось совмещение биологической активности НМ с их способностью к микроциркуляции в сосудистом русле и возможностью управления МП.

Решение задач медико-биологического применения НМ нельзя было ограничить только направленной доставкой и высвобождением лекарственных средств в органы-мишени. Исследователи пошли по трем путям: 1) синтез ФК, стабилизированных биологически активными веществами, к ним можно также от-

нести магнитные пасты и мази; 2) создание магнитных микрокапсул и микросфер, в которых КФ покрывались полимером, служащим матрицей для лекарственных средств; 3) наполнение транспортных клеток, например эритроцитов и макрофагов, магнитными частицами [142-145].

Сложная система транспортных каналов организма, включая полупроницаемые мембраны, транспортные биополимеры и клетки, иммунная система со сложными защитными функциями, требования к постоянству внутренней среды -эти и другие механизмы регуляции метаболизма делают неоднозначным выбор путей и способов введения НМ в организм для достижения медико-биологических целей. Сложная задача решается при необходимости локализации КМ во внутренних органах и тканях, когда КФ вводятся в кровеносную систему и частицы перераспределяются по всему организму. Даже в сильных МП при введении КМ в транспортный сосуд, ведущий к органу-мишени можно удержать только часть дисперсной фазы. В более частых и простых случаях - открытых поверхностей ран и полых органов можно осуществить магнитное управление процессом концентрации и эвакуации феррочастиц на заданном участке биологической ткани [1471

В настоящее время синтезирован целый класс биосовместимых КМ, обладающих устойчивостью при различных рН внутренней среды организма и проявляющих низкую токсичность [148}

Бионические принципы стабилизации КМ основываются на свойствах амфифильных биологически активных веществ осуществлять переход золь-гель на развитой межфазной границе. Токсичность зависит от концентрации дисперсной фазы, размеров частиц, определяющих осмотическое давление, компонентов и добавок ПАВ, препятствующих гетеровзаимодействию и коагуляции КМ [149-152].

Выбор в качестве основных объектов исследования ВДЧ магнетита обусловлен их высокой биологической активностью, возможностью усиливать действие внешних физических полей на процессы, протекающие в органе-мишени, а также глубокими дренирующими свойствами. Новым является установление факта дезинтеграции и адсорбции ферромагнитным веществом токсинов различного патогенеза. Здесь также обнаружена визуализация границ и областей локализации живых клеток ткани, структуры межклеточного пространства, бактериальных и некротических масс.

Предметом исследования является выяснение адгезионных аспектов повреждения межклеточных контактов в тканях при патологических процессах и возможности их регулирования введением адсорбционно-активных коллоидных веществ. Кроме того, разрабатываются способы активации фагоцитов организма, способы удаления перекисных продуктов и изменения коллоидно-осмотического режима патологического очага путем введения НМ.

Выводы по главе I.

Успехи современной коллоидной химии позволили синтезировать устойчивые жидко магнитные среды. После того как были получены КМ на основе различных дисперсионных сред и типов ПАВ, стал вопрос о применении этих уникальных материалов в биологии и медицине. В этой связи возникает круг задач относительно адсорбционной активности и электрохимических характеристик данной системы, которые определяют степень влияния НМ на состояние внутренней среды, на жизнеспособность клеток и тканей организма. Только исходя из ответов на эти и другие вопросы можно решить насколько эффективно применение КМ как нового класса лекарственных средств, как вещества, которые можно использовать для бесконтактной микрохирургической обработки тканей.

В зависимости от природы защитной оболочки, дисперсионной среды и магнитного материала известны основные коллоидно-химические механизмы получения КМ. Однако, вопросы касающиеся стабильности КМ, влияния ПАВ и молекул растворителя на структуру и физико-химические свойства НМ, остаются до сих пор открытыми. Главным образом это обусловлено нерешенными задачами физики поверхности и биофизики транспорта наноматериалов в организме.

С уменьшением размера частиц феррофазы происходит рост площади поверхности раздела фаз. Поверхность в этом случае представляет особую квазикристаллическую фазу," которая влияет на магнитоупорядоченное состояние объема НМ и на физико-химические свойства КМ в целом. При описании поверхностных состояний необходимо учитывать нестехиометричность и дефектность, адсорбцию и десорбцию, электронные возбуждения и их распад, тип проводимости и флуктуации электронной плотности.

Кроме того, адсорбция ПАВ определяет в ряде случаев метастабильное состояние НМ и физико-химические свойства дисперсной фазы изменяются в сложной зависимости от температуры, рН, времени хранения системы.

Отдельным классом жидкомагнитных сред являются КМ на основе магнетита, стабилизированные биологически активными веществами в воде. Им свойственна низкая токсичность и высокая степень устойчивости в биологических жидкостях, которые имеют сложный электролитный состав и содержат разнообразные биополимеры и растворенные газы. Разнообразие уровней биологической организации, сложность транспортной и реабсорбционной систем организма -эти и другие факторы требуют специфического подхода при создании КМ медико-биологического назначения.

За 40 лет, прошедших с момента создания жидко магнитных сред, коллоидные ферромагнетики получили распространение в биологических исследованиях и медицине. Магнитная частица может работать и как метка и как зонд, как носитель лекарств и как лекарство. Биологическая активность КМ усиливается в приложенных электрических и магнитных полях. Дальнейшая разработка мето-

дов лечения и диагностики живых систем, основанных на применении возможна только в том случае, если будут известны механизмы гетеровзаимодействия клеточных структур с дисперсными частицами, а также отдалённые последствия попадания НМ в организм.

Химическая модификация коллоидных ферромагнетиков

Вследствие дисперсионного притяжения и магнитных взаимодействий в КМ наблюдается агрегация дисперсной фазы. Отталкивание между магнитными частицами можно обеспечить за счет образования на их поверхности двойного ионного слоя (ДС) или защитной оболочки ПАВ [26,27]. Пептизация свежеприготовленнои пасты магнетита приводит к увеличению суммарной поверхности частиц и к уменьшению свободного объема дисперсии [28].

Электростатическая стабилизация КМ приводит к образованию мета-стабильной системы и обычно включает на порядок ниже количество диспергированной фазы, чем при стабилизации ПАВами. Для достижения электростатической стабилизации КМ используют кислые и щелочные среды. Обычно применяют, соответственно, НС1 (рН 3,5-5,0) и NaOH (рН 9,5-11,0), т.к. точка нулевого заряда магнетита в воде около 6,4 [29,30].

Химическая модификация поверхности ПАВами в наибольшей степени затрудняет межчастичное взаимодействие с другими подобными частицами НМ [Зі]. При сближении модифицированных частиц НМ возникает перекрытие и локальное повышение концентрации ПАВ в защитном слое каждой частицы. Это обусловливает изменение свободной энергии адсорбционных слоев, что приводит к отталкиванию магнитных частиц. Как отмечено в работе [32], наиболее эффективны стабилизаторы, способные химически связываться с поверхностью НМ. При этом снижается подвижность адсорбированных молекул ПАВ и их десорбция в дисперсионную среду.

Оптимальным ПАВ для получения КМ считается олеиновая кислота. Полярные СОО - группы молекул олеиновой кислоты образуют химические связи с активными центрами поверхности ВДЧ магнетита. Однако, это приводит к снижению намагниченности частиц за счет образования поверхностного немагнитного слоя. В литературе имеются сведения, что ПАВ могут проникать в кристаллическую решетку окислов железа на значительную величину, в результате чего может происходить реконструкция поверхности [33]. Имеющиеся данные позволяют считать, что толщина этого слоя порядка постоянной кристаллической решетки магнетита (0,83 нм).

Для получения КМ в полярных средах эффективна электростерическая стабилизация [34]. Электростерический вклад может быть связан с наличием заряда на адсорбционно-активном веществе, обычно биологической природы (витамины, органические кислоты, липиды и др.).

На физико-химические свойства дисперсной фазы значительное влияние оказывают растворенные в полярной среде газы, в особенности кислород [35]. Возможно, что даже при наличии защитной оболочки ПАВ, протекает процесс диффузии 02 к активным центрам поверхности НМ. Адсорбция кислорода приводит не только к перестройке и окислению поверхностного слоя частиц магнетита, но и к изменению сольватной оболочки и адсорбционной активности ПАВ [Зб]. Эти факторы могут отрицательно влиять на устойчивость КМ.

На структуру дисперсной фазы КМ значительное влияние оказывает природа несущей среды. Адсорбционный слой проницаем для молекул растворителя, которые способны активно взаимодействовать с поверхностью частиц НМ [37,38]. Например, вода диссоциирует на гидроксильные группы, которые насыщают оборванные химические связи на поверхности магнетита, и ионы водорода, диффузия которых в оксидную фазу приводит к ее растворению и уменьшению магнитных свойств. Вследствие электрохимических реакций межфазной границы электролит- поверхность НМ происходят электронные переходы между объемом и поверхностью частицы, при низких значениях рН окисление приводит к переходам Рез04 yFe203 в поверхностных слоях частицы.

Свойства межфазной поверхности, которые зависят от присутствия электролитов и высокомолекулярных адсорбционно-активных веществ, значительно влияют на устойчивость коллоидов. Соответственно по этим причинам различают два типа потери устойчивости- коагуляцию и флокуляцию [39]. Введение КМ в биологическую систему неизбежно связано с взаимодействием как с электролитами биологических жидкостей, так и биомолекулами, имеющими разнообразные активные центры, размеры и конформацию. Известно что, при повреждении защитных оболочек, ведущих к нарушению баланса сил притяжения и отталкивания, наблюдается слипание магнитных частиц при соударениях [40.]

Известно эмпирическое правило Гарди, что коагулирующей способностью в каком-либо электролите обладает тот ион, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидных частиц [41} Коагулирующая способность неорганических ионов растет с их валентностью, а коагуляционная способность органических ионов зависит от величины их адсорбционного потенциала и длины молекулы.

В случае КМ, полный баланс сил притяжения и отталкивания включает в себя и магнитную составляющую [42]. Количественное решение задачи о кинетике коагуляции КМ до сих пор не найдено.

Агрегация коллоидных частиц, вызываемая наличием в дисперсной среде свободных макромолекул, получила название вытеснительнои флокуляции [43]. Эффект четко наблюдается при малой концентрации полимеров в растворе. При увеличении концентрации происходит образование защитного коллоида. Поскольку в медико-биологических целях наибольшее распространение получают КМ, стабилизированные биополимерами, то для объяснения природы флокуляции необходимо использовать теорию стерической оболочки.

Предполагается, что молекула свободного полимера перекрывается с полимерами стерической оболочки. При сближении двух стерически стабилизированных частиц свободные макромолекулы вытесняются в дисперсионную среду. Это вытеснение сопровождается изменением свободной энергии. Следовательно, добавление свободного полимера может вызвать флокуляцию [44]. Флокуляция в присутствии свободного полимера экспериментально наблюдалась и в случае отсутствия структурно-механического барьера на частицах [45]. Причем высокомолекулярные полимеры являются более эффективными флокулянтами по сравнению с низкомолекулярными веществами.

В области очень низких концентраций макромолекул доминирует эффект флокуляции по мостиковому механизму. Кроме того, попадание электролитов понижает растворяющую способность дисперсионной среды по отношению к стабилизирующим молекулам. Это также приводит к принудительной флокуляции.

В заключении следует отметить, что по причине адсорбции ПАВ или образования ДС и проницаемости этих слоев для растворенных газов, постепенно происходит окисление и изменение напряжений в поверхностном слое дисперсной фазы,что влияет на силу молекулярного притяжения и заряд частиц дисперсии [4б]. Те же факторы сложным образом влияют и на магнитные характеристики дисперсной фазы.

Распределение спиновой плотности ВДЧ металлов отличается от поведения электронов в массивном образце. Поверхностные состояния наночастиц тесно связаны с их внутренней структурой [47].

Как показали расчеты в объеме ВДЧ происходит увеличение электронной плотности за счет атомов поверхности. Экспериментальные исследования дают возможность считать, что зонные состояния ВДЧ заметно отличаются от состояний в массивных материалах только при размерах частиц меньших 2-3 нм, при которых число поверхностных атомов составляет более 50% [48].

Поверхностные локализованные состояния отчетливо проявляются из-за обрыва периодического потенциала кристалла и искажений решетки в приповерхностном слое. Поверхность представляет систему ненасыщенных электронных связей и ловушку для структурных дефектных [49].

Исследование фотостабилизации коллоидного магнетита

В ряде случаев, для целей эфферентной медицины, необходим использовать НМ без защитной оболочки ПАВ, устойчивые в воде при значениях рН, близких к точке нулевого заряда магнетита (ТНЗ, рН 6.4). Исходя из анализа процессов на межфазной границе частица магнетита - вода в области ТНЗ можно ожидать появление коллоидной устойчивости при наличии у частиц «электрофоретического двигателя». Источником диффузионно-электрических токов, вызывающих движение жидкости относительно поверхности частицы, могут служить как ионы железа, выделяемые в дисперсионную среду при растворении магнетита, так и изменение уровня Ферми на межфазной границе.

Вследствие полупроводниковых ( п- типа) свойств магнетита и малых размеров частиц следовало ожидать, что развитая поверхность частиц оказывает существенное влияние на межфазные электронные состояния. В условиях освещения квантами с энергиями, превышающими ширину запрещенной зоны полупроводника Ев, в нем генерируются электронно-дырочные пары. У магнетита Ев около 0,4 эВ и, следовательно, для квантов с длиной волны меньших 310 нм, можно ожидать изменение электрохимического потенциала на поверхности частиц.

Исследование фотоустойчивости КМ проводили при комнатной температуре. Источником УФ-излучения служила кварцевая лампа ОКИ-11. Образцы пасты магнетита делили поровну на две группы, одну из которых облучали в чашках Петри диаметром 10 см в течение 5 - 10 минут. Толщина слоя ферропасты при облучении не превышала 1 мм, концентрация феррофазы суспензии, позволяющая наблюдать за движением границы раздела фаз (ГРФ), составляла около 10%.

Устойчивость КМ оценивали по скорости движения ГРФ одновременно в контрольном и в облученном образцах, после перемешивания, в пробирках диаметром 0,8 см. Данные эксперимента свидетельствуют об уменьшении скорости движения ГРФ в УФ- облучённых образцах, по сравнению с контрольным. Время окончания седиментации в контроле - 3 - 5 минут, в облучённом варианте - 25- 40 минут. Следует отметить, что при УФ- облучении КМ в области рН 6,4-7,0, устойчивости в 1,2-1,5 раза выше, чем в области рН 6,0-6,4.

Наблюдаемое различие в устойчивости можно объяснить, имея в виду, что, у уменьшением рН, поверхность частиц Fe C постепенно окисляется до у - Fe2Oj. Маггемит также является полупроводником п-типа, но имеет Ец равную 2.2 эВ. Следовательно, требуется более коротковолновое УФ- излучение для рождения электронно-дырочных пар и наведение фото потенциал а. Интересно отметить, что в области значений рН, больше 6,4, когда заряд частицы отрицателен, наводится дополнительный фото потенциал, который также отрицателен. При значениях рН ниже ТНЗ, определяющую роль в фотостабилизации КМ играют диффундирующие в дисперсионную среду ионы железа.

Таким образом, показана возможность фотостабилизации КМ за счет изменения величины и конфигурации диффузионно- электрического поля на межфазной границе. Частицы магнетита, в которых ионы железа (II) и (III) осуществляют окислительно-восстановительный перенос фотогенерируемых электронов, вследствие скачка электрохимического потенциала приобретают седиментационную устойчивость. Ферроколлоид, стабилизированный альбумином. Частицы магнетита можно стабилизировать в водной среде добавляя определенное количество защитного коллоида, например альбумина [169]. исследование стабилизации коллоида магнетита показало, что, при добавке небольшого количества, альбумин проявляет флокулирующее действие (рис.2.4). Если же концентрация альбумина составляет 15-25% от массы магнетита, то происходит стабилизация KM [і53]. Это обусловлено тем, что на поверхности высокомолекулярной глобулы располагаются аминокислотные остатки, так, что их полярные группы контактируют с водной фазой и способны образовывать химические связи с поверхностью ВДЧ магнетита. Следовательно, в зависимости от концентрации альбумина в системе возможны два варианта образования коллоидных структур. В первом, при низких концентрациях альбумина, частицы магнетита в результате вытеснительной флокуляции легко осаждаются. В случае, когда концентрация альбумина выше 15% от массы магнетита, глобулы белка образуют прочный структурно-механический барьер феррочастицы.

Расчеты показывают, что на одну ВДЧ магнетита в среднем сорбируется 12 молекул альбумина. По-видимому, адсорбция альбумина происходит в виде глобул, которая не сопровождается денатурацией белка.

Схематически частица дисперсной фазы в данном КМ имеет вид плотно упакованных шаров. Образованию данной структуры способствует практический одинаковый размер глобул альбумина и наномагнетита. Эффективность взаимодействия дисперсной фазы и защитного коллоида определяется процессами гетерокоагуляции. Для инттенсификации процесса, добавление альбумина производят одновременно с пропусканием газообразного кислорода в течение 20-30 мин при р02 - 150-200 мм рт.ст. Преимущественная адсорбция кислорода на ВДЧ магнетита приводит к изменению значения величины потенциала поверхности частиц по реакции Те + 02. Fe ...( . Последующая комплиментарная реакция восстановления кислорода до воды приводит к возрастанию положительного потенциала поверхности и, тем самым, индуцирует неустойчивость системы в отношении адагуляции. Кроме того, ионы железа (III) способны образовывать более прочные координационные связи с сорбируемыми молекулами, чем ионы железа (II). Это обусловливает надежность защитной оболочки на частицах магнетита, которая дольше сохраняет свою структуру в агрессивной биосреде.

Влияние стабилизаторов КМ на антимикробное действие

В проводимых исследованиях объемная концентрация дисперсной фазы и бактериальных клеток составляем меньше одного процента. Следовательно, вероятность случайного концентрирования частиц вокруг клетки очень мала. Кроме того, направленное движение НМ к поверхности клетки практически не зависит от рН и, следовательно, от величины дзета-потенциала. Направление движения не изменяется для разных типов защитных оболочек. Учитывая все это, можно отдать приоритет дальнодеиствующим электромагнитным силам на первом этапе взаимодействия, которые вызывают магнитодиэлектрофорез НМ.

Малый размер и защитная оболочка на поверхности частиц магнетита определяют их сродство с биологическими мембранами и проникновение в различные структуры клетки. Полученные результаты свидетельствуют о сложном характере гетерогенных реакций на поверхности клетки, которые определяются активными поверхностными состояниями и агрегацией феррофазы. При наличии коллоидного магнетита затрудняются процессы гелеобразования, изменяются рН, р02 и активность молекул воды в зоне контакта частицы с мембраной. В результате может уменьшится вязкость и поверхностное натяжение мембраны. Образование мультислоя из частиц магнетита толщиной более 100 нм (диэлектрическая проницаемость є=1 + 10 имеет один порядок с диэлектрической проницаемостью вещества мембраны и на порядок меньше этого значения для воды) может слабо экранировать молекулярные силы подложки [4]. По этой причине возможно незначительное изменение смачивания водой гидрофильных и гидрофобных участков поверхности клетки.

Однако, истечение воды при адагуляции магнетита ведет к повышению концентрации электролита на границе бактериальной стенки. Это связано с высокой адсорбционной емкостью НМ в отношении ионов натрия и калия [зо]. Как следствие, возможно, благодаря ион-дипольному притяжению ионами молекул воды, разрушение водородных межмолекулярных связей активных центров мембраны с молекулами воды. Вытесненная вода релаксирует к своему обычному состоянию в объемной фазе.

В то же время соотношение областей мембраны с гидрофобными и гидрофильными свойствами зависит от физиологического состояния клетки, которое, вероятно, будет изменяться в процессе гетеровзаимодействия с коллоидным магнетитом.

Интенсивную гетерокоагуляцию можно ожидать при гидрофобизации поверхности микроорганизма. В этом случае структурная составляющая расклинивающего давления может изменить знак и магнитная частица закрепится на поверхности клетки. При этом возникнут силы изображения, меняющие распределение ионов и потенциала вблизи мембраны. Роль ионно-электростатической составляющей расклинивающего давления, а также направленного магнитодиэлек-трофореза в процессе взаимодействия коллоидных частиц с клеткой рассмотрена в работе [184]. Молекулярные силы взаимодействия сферических частиц радиусами R и г можно определить из теории ДЛФО[95,100].

При достаточно малой толщине пленки h, разделяющей частицы магнетита и клетку, и большой разнице в размерах R » г, причем при кривизне поверхности К= 1/R = 106 см"1, силу Fm можно рассматривать на примере взаимодействия сферической частицы с плоской поверхностью: F = A a/6 h , где a - размер частицы, A - постоянная Гамакера. Уменьшение водной пленки при соприкосновении 0 ведет к ее разрыву. На самом деле поверхность микроорганизма представляет собой многослойную систему — цитоплазматическая мембрана, клеточная стенка и адсорбированный внешний слой ПАВ, состоящий преимущественно из углеводородов. При приближении толщины пленки к толщине адсорбционного слоя ПАВ происходит смена знака молекулярной составляющий расклинивающего давления. Следовательно, повреждение водной пленки повышает вероятность контакта частиц магнетита с поверхностью клетки за счет уменьшения положительного значения поля молекулярных сил.

Ухудшение смачивания водой гидрофильной поверхности микроорганизма приводит к изменению распределения сил действующих в мембране. Однако, нет уверенности в том, что данное уменьшение давления жидкости в приповерхностном слое клетки достаточно для разрушения бактериальной стенки. Микроорганизмы устойчивы к значительным изменением осмолярности. Следовательно, имеет смысл рассмотреть еще механизмы, связанные с магнитным состоянием частиц. Те из них, которые определяются действием на частицы гипотетического Фррёлиховского излучения, исследованы в работе [ю].

В магнитном поле Земли, Н 0,5-1 Гс, частицы магнетита обладают энергией р. Н кТ, где JJ.103 - 104ц Б - магнитный момент частицы (р Б - магнетон Бора), кТ-тепловая энергия. Доказано [170], что эта энергия достаточна, для того чтобы влиять на равновесную ориентацию спинов электронов или атомов, и тем самым прямо может воздействовать на биосинтез клеточной стенки. Однако, этой энергии и даже энергии приобретенной частицей в МП, индукцией 1000 Гс, вероятно, недостаточно для повреждения клеточной стенки.

Магнитная восприимчивость ВДЧ магнетита велика, по сравнению с их электрической поляризуемостью. Поэтому, при расчете ван-дер-ваальсовских взаимодействий частиц с клеткой необходимо учесть вклад от супермагнитных флуктуации магнитного момента. Подобные расчеты, сделанные для больших расстояний между взаимодействующими объектами, h 100 нм, показали, что взаимодействие является отталкивательным /23/.

Клеточная стенка бактерий, как видно из рис.3.2 , повреждается под действием коллоидного магнетита во многих местах. Явление прорыва тонких пленок подчиняется статистическим закономерностям и характеризуется средним временем жизни пленки [9б]. Вероятно, при благоприятных внешних условиях дефекты в мембране непрерывно возникают, но быстро регенерируют. Разрушение твердого материала можно рассматривать как термический процесс распада структур. Согласно этим представлениям, распространенным также на разрушение адсорбционных слоев биополимеров [98], за счет температурных флуктуации преодолевается энергетический барьер Uo, уменьшающийся в результате действия механического напряжения.

Двухкамерная модель динамики КМ в организме

Проведенные экспериментальные исследования показали, что фармакокинети-ка МЖ в организме может быть количественно охарактеризована рядом параметров, учитывающих перенос препарата с кровью, фиксацию в тканях, всасывание, элиминацию и действие внешнего МП. Основная задача фармакокинетической модели заключается в определении зависимости концентрации лекарственного вещества от времени. Условия клиники не позволяют делать частые анализы, в связи с чем появляется необходимость в предсказании и прогнозировании динамики уровня препарата при иных способах введения или дозировках, а также других условиях эксперимента.

В общем, результаты экспериментальных исследований динамики КМ в крови при одноразовом внутривенном введении могут быть представлены двухфазной кривой (рис.4.11). Сначала имеет место быстрое падение концентрации дисперсной фазы (а-фаза), а затем медленное ((3- фаза). В первой фазе препарат исчезает из крови за счет проникновения и перераспределения во всех органах и тканей. После того как препарат оказывается в печени и селезенке, устанавливается равновесие и снижение концентрации происходит за счет элиминации магнетита из организма (а- фаза).

Коэффициенты, определяющие скорости процессов переноса дисперсных частиц из крови в ткани и обратно, проникновение в клеточные структуры, а также элиминация из организма, зависят от свойств КМ. Для моделирования динамики КМ в организме можно использовать двухкамерную модель [92]. В данной модели первая центральная камера, помимо крови, состоит из жидкостей органов и тканей, в которые препарат проникает очень быстро (клетки, лимфа и т.п.), ко второй камере относятся все остальные ткани (рис.4.10)

Для оценки наблюдаемой скорости элиминации (р) использовали полулогарифмическую зависимость (рис.4.13), в координатах которой для р - фазы получается прямая линия, угол которой к оси абсцисс и определяет искомую величину по формуле: P=2,303tgy (4) Следует отметить, что величина, вычисленная по данному способу, практически не зависит от дозы введенного препарата. Величины Со, Ki2, Кэл известны из начальных условий и определены в эксперименте, значения К2і и Р вычислены из соотношений: а + р = К12 + К21+Кэл а-р = К12К21 (5) Значения фармакокинетических коэффициентов, полученные экспериментально и вычисленные по формуле (4) и (5) представлены в таблице 4.1. Таблица 4.1. Значение фармакокинетических коэффициентов, полученных в экспериментах с КМ ПАВ Kj21/час 1/час Кэл1/час а 1/час Р 1/час Со мг/кг ЧСА 0,25-0,5 7,5-10,0 10,0-15,0 15,0-16,0 6,0-9,0 50 АК 0,2-0,6 6,0-8,0 8,0-12,0 12,0-14,0 5,0-6,5 50 УЗ 0,1-0,4 3,0-4,0 4,0-6,0 6,0-7,0 2,5-3,5 50 Из данной таблицы видно, что в зависимости от вида КМ и значений фармакокинетических коэффициентов имеются различные закономерности динамики дисперсных частиц и, следовательно, транспортируемого вещества в организме. Ограниченное число этих коэффициентов и их незначительные вариации позволяют определять концентрацию феррофазы непрерывно и в реальном масштабе времени. Кроме того, удается выяснить за счет каких конкретно физиологических механизмов, осуществляется данный ход кривой и в каких именно системах находится активное вещество. Все это позволяет прогнозировать динамику уровня препарата и его локализацию при изменении видимой дозы и числа инъекций;

В частности, экспериментально известно, что КМ почками не выносится. Поэтому элиминация (Кэл) практически полностью определяется выносом препарата с фекалиями. По изменению Кэл можно диагностировать скорость и уровень фагоцитоза клеток печени, селезенки, костного мозга, т.е. состояние этих органов. Аналогично, повышение К \2 свидетельствует о блокаде клеток печени и селезенки, связывающих дисперсные частицы, а при их норме - о патологии кровеносной системы и т.д.

Рассмотренная выше двухкамерная модель показывает общую динамику перераспределения МЖ между кровью и тканями, но не связывает этот процесс с определенными биофизико-химическими факторами биологической среды, такими как вязкость, температура, диффузия и т.п. Однако, именно эти параметры в ряде случаев играют важную роль при постановке диагноза и назначении лечебных мероприятий.

Процесс взаимодействия КМ с живыми клетками можно проанализировать на основе теории Смолуховского, в которой процесс взаимодействия коллоидных частиц с большими телами определяется потоком броуновской диффузии с учетом исчезновения малых частиц при контакте с большими.

В начальных условиях С(0, х) = Со имеем равномерное распределение частиц в кровеносной системе и тканях и C(0,R) = 0, т.е. концентрация скачком меняется от Со до 0. Граничными условиями являются : C(t,R)= 0 ( прилипание при адсорбции и исчезновение частицы при контакте вследствие фагоцитоза) и C(t, оо)= Cof (t) изменение концентрации частиц в кровотоке вдали от поверхности клетки.

При малых концентрациях НМ, не подавляющих физиологическую активность клеток - «мусорщиков», лимитирующей стадии всего процесса будет дистальная диффузия НМ из объёма капилляра на мембрану клетки. Характерное время выведения остаточного количества НМ из кровеносной системы может быть определено как обратное от числа (Z) столкновений НМ с клеткой за единицу времени. Рассчитанное время Z для одной клетки Z 4п DRc. Заключительный этап элиминации КМ из капилляров накладывался на предшествующий экстримальный процесс выведения основной массы НМ из кровотока, который протекал в условиях существенно не равновесного состояния физиологических систем организма. Это состояние затем медленно релаксирует с характеристическим временем т к состоянию, равновесному для клеток ММС с фагоцитированным материалом. Повышенную активность фагоцитирующих клеток можно ожидать при совпадении порядка значений Z"1 и т. Для мишеней с размерами клеток (1 мкм), коэффициентом диффузии 10"10 м2 с"1 (выбран коэффициент диффузии белка в водном растворе) и концентрацией НМ Ю 11 - 10"12М время релаксации составляет порядка 10"2 - 10 1 с. полученные результаты объясняют наблюдаемое в эксперименте быстрое выведение КМ из кровотока.

Рассмотренная модель позволяет оценить активность фагоцитирующих систем организма ив целом дает удовлетворительное совпадение с наблюдаемыми экспериментальными результатами. При построении модели не учитывалось, что органы и клетки РЭС расположены в организме компактно. Фильтрация всего объема крови происходит в объеме ткани, занимающей не более 5% всех тканей животного. Порции магнитных частиц подаются в них дискретно вместе с током крови, индуцируемом сердечными сокращениями. Успевают макрофаги отфильтровать проникшую в микроциркуляторное русло кровь или нет во многом зависит от агрегации феррофазы и типа защитных оболочек.

Тогда из уравнений (14), (16) и (18) следует, что: Стах = А0/2 и Втах = А(/2, то есть максимальная суммарная концентрация частиц в органах РЭС соответствует ее обобщенной концентрации в крови при введении. Время, необходимое для практически полного выведения частиц из печени и селезенки, находят по формулам(14), (15): tc = Ао/2а, tB = Ао/2 (Ъ-а) Таким о бразом, данная модель позволяет предсказать время и амплитуду достижения максимальной концентрации КМ в органах. Это связано с тем, что процесс выведения КМ данном случае отклоняется от нулевого порядка, когда концентрация КМ в клетках РЭС снижается до некоторого критического уровня. Причиной, вероятно, является использование организмом некоторого количества КМ для пополнения железодепонирующих центров и, кроме того, часть магнетита остается длительно связанной со структурами цитозоля. Этому благоприятствует равенство плотности и геометрическое соответствие размеров частиц и вещества цитозоля.

Похожие диссертации на Биофизико-химические аспекты получения и применения коллоидов магнетита

Экологические аспекты получения и применения высокоочищенных препаратов пектинаГребенкин Александр Дмитриевич

Получение, характеристика и биотехнологические аспекты применения поли- и моноклональных антител к антигенам Vibrio cholerae О1 Инаба и ОгаваСырова Наталия Алексеевна

Получение, характеристика и биотехнологические аспекты применения поли- и моноклональных антител к антигенам Vibrio cholerae О1 Инаба и ОгаваСырова Наталия Алексеевна

Биотехнологические основы получения авермектинсодержащего препарата Ниавет и практические аспекты применения его против паразитозов сельскохозяйственных животных в условиях КалмыкииМанджиев Очир Хейчиевич

Биотехнологические аспекты получения штаммов Bacillus cereus, перспективных для разработки препарата с пробиотическими свойствамиПозднякова, Ирина Геннадьевна

Биотехнологические аспекты получения биологически активной добавки из семенной оболочки соиСкороходова, Елена Васильевна

Пробиотики: микробиологические и технологические аспекты получения, контроля и конструирования препаратовНесчисляев Валерий Александрович

Молекулярно-генетические и физиолого-эмбриологические аспекты технологии получения трансгенных кроликов-продуцентов биологически активных веществ человекаТевкин Сергей Иванович

ПробиотикиНесчисляев Валерий Александрович

Физиолого-эмбриологические аспекты биоинженерных технологий получения животных с заданными признакамиРябых Владимир Павлович