Введение к работе
Актуальность исследования. Получение новых гелей, изучение их строения и процессов гелеобразования является актуальной проблемой прикладной и фундаментальной науки. Этот интерес обусловлен широкой распространенностью гелей в живой и неживой природе, применением гелеобразующих материалов в технологических процессах и быту. Среди гелеобразующих систем особый интерес представляют супрамолекулярные гидрогели. Супрамолекулярные гели образуются благодаря различным типам слабых межмолекулярных взаимодействий (водородным связям, электростатическим, Ван-дер-Ваальсовым и донорно-акцепторным взаимодействиям), а переходы раствор–золь–гель в таких системах инициируется изменением pH, температуры. Гидрогели, исследуемые в настоящей работе, принадлежат к классу супрамолекулярных гелей с экстремально низкой концентрацией дисперсной фазы. Для таких систем наряду с пластической формосохраняемостью часто наблюдается явление обратимой тиксотропии. Ввиду того, что физика подобных систем изучена недостаточно, необходим поиск и изучение гелей с подобными свойствами. В настоящей работе исследуются условия получения, строение и свойства гелеобразующей системы на основе водных растворов L-цистеина и нитрата серебра.
Рассматриваемая система представляет интерес также и с прикладной точки зрения, поскольку основные компоненты гидрогеля являются биологически активными веществами. Такие гидрогели могут быть перспективной матрицей для разработки новых биоактивных композиций и фармакологических препаратов.
Работа выполнялась в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 – 2011) № 2.1.1.10767 а также программы УМНИК государственный контракт № 6050р/8448 от 30.04.2008
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании процесса получения, структуры и свойств низкоконцентрированных гидрогелей на основе водных растворов L-цистеина и нитрата серебра с использованием комплекса современных экспериментальных методов. Для достижения этой цели были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:
- определить концентрационные критерии, необходимые для получения гидрогеля;
- установить температурный интервал протекания процесса гелеобразования;
- исследовать влияние электролитов на процесс гелеобразования и свойства получаемого гидрогеля;
- получить широкую реологическую характеристику данной системы при использовании различных электролитов;
- исследовать микроструктуру гидрогелей методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ);
- определить совместимость гидрогеля с водорастворимыми полимерами различного происхождения.
- изучить антибактериальные свойства гидрогелей.
Методы исследования. Для изучения процессов структурообразования и гелеобразования в водных цистеин-серебряных растворах (ЦСР) в работе использованы такие современные методы как: УФ-, ИК- спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), ротационная вискозиметрия и динамическое светорассеяние (ДРС).
Положения выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментально установленных критериев (температурный и концентрационный диапазоны) протекания процесса гелеобразования в ЦСР.
-
Закономерности изменения физико-химических свойств гидрогеля при добавлении в ЦСР различных типов растворов электролитов.
-
Результаты экспериментального исследования реологических свойств тиксотропных низкомолекулярных гидрогелей; подтверждение факта существования данных гелей при экстремально низких концентрациях дисперсной фазы.
-
Результаты исследования антибактериальных свойств гидрогелей, как систем обладающих уникальными бактерицидными свойствами.
Научная новизна работы. В работе впервые:
- определены концентрационные и температурные критерии протекания процесса гелеобразования в водном растворе L-цистеина и нитрата серебра; показана возможность образования гидрогеля при крайне низких концентрациях дисперсной фазы, (~610-4 масс.%.);
- изучено влияние растворов различных электролитов (Na2SO4 ,MgSO4 , Na2SO3 , NH4Cl ,CoCl2 , NiCl2 , Na2WO4 , Na2MoO4 ,NaCl , KCl) на свойства геля и структуру образующейся перколяционной сетки;
- получены количественные реологические характеристики широкого спектра гидрогелей на основе L-цистеина и нитрата серебра;
- исследована совместимость гидрогелей на основе L-цистеина с водорастворимыми полимерами (ПВП, ПВС), изучено влияние данных полимеров на реологические, структурные и антибактериальные свойства гидрогеля;
- исследована способность водных растворов L-цистеина и нитрата серебра, а также гидрогелей на их основе, оказывать угнетающее действие на широкий спектр грамм-отрицательных и грамм-положительных бактерий.
Практическая и теоретическая значимость работы. Определенные концентрационные и температурные интервалы позволяют направленно проводить получение гидрогелей, для их дальнейшего исследования как в рамках учебного, так и научного процесса.
Выполненные исследования реологических свойств гидрогеля на основе ЦСР, позволяют оптимизировать состав системы для дальнейшего использования.
Установленное антибактериальное действие гидрогеля придает дополнительную специфику использования его в медицинской и фармакологической практиках.
Выявленная совместимость компонентов системы с биологически активными полимерами открывает возможность создания новых супрамолекулярных композиций и лекарственных препаратов.
Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно проведены все экспериментальные исследования, а также их обработка и анализ результатов. Постановка задачи исследования, определение методов ее решения, обсуждение результатов диссертационной работы выполнены совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих международных и отечественных конференциях: XVIII Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», (Екатеринбург, 2006); XIV–XVII Региональные Каргинские чтения. Областная научно-техническая конференция молодых учёных «Физика, химия и новые технологии», (Тверь, 2007-2010); III- V Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием « Современные проблемы науки о полимерах», (Санкт-Петербург, 2007-2009); 24 Симпозиум по реологии с международным участием, (Карачарово 2008); II конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», (Звенигород, 2009); 25 Симпозиум по реологии (Осташков 2010); III конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», (Суздаль 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них 4 в отечественных и зарубежных научных журналах входящих в перечень ВАК, а также 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения (3 главы), выводов, списка литературы (127 наименований). Общий объем диссертации составляет 120 стр., включает 56 рисунков, 10 таблиц.
