Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Основные принципы формирования ультрадисперсных кремнеземов и гибридных материалов на их основе
1.2. Золь-гель технология как удобный инструмент нанотехнологии
1.2.1. Темплатный синтез как эффективный алгоритм направленного получения веществ и материалов под конкретные практические задачи 27
1.2.2. Методы модификации кремнеземов с использованием золь-гель технологии 35
1.2.3. Иммобилизация белков на поверхность неорганических матриц на основе кремнезема 1.2. Технологии создания и сравнительные характеристики материалов для адсорбции билирубина 51
1.3. Технологии закрепления лекарственных веществ для последующей их адресной доставки 56
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 63
2.1. Золь-гель синтез немодифицированных и модифицированных кремнеземов
2.1.1. Прекурсоры 65
2.1.2. Методика синтеза немодифицированного кремнезема 65
2.1.3. Методика синтеза органо-модифицированных кремнеземов
2.1.4. Методика синтеза кремнеземов, модифицированных полигуанидинами 68
2.1.5. Методика синтеза кремнеземов, модифицированных поливинилпирролидоном с последующей иммобилизацией альбумина 68
2.2. Методы исследования состава, структурно морфологических и поверхностных свойств 69
2.2.1. Элементный анализ 69
2.2.2. ИК-спектроскопия 72
2.2.3. Термогравиметрия 72
2.2.4 Низкотемпературная адсорбция/десорбция азота
2.2.5. Растровая (сканирующая) электронная микроскопия 75
2.2.6. Трансмиссионная электронная микроскопия 77
2.3. Исследование функциональных свойств синтезируемых материалов 79
2.3.1. Методика исследования адсорбции билирубина на поверх ности немодифицированного и модифицированных кремнеземов из водных растворов 79
2.3.2. Методика закрепления доксорубицина и сульфасалазина и исследование процессов их контролируемого рН-высвобождения 82
ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение 84
3.1. Влияние природы привитой функциональной группы орга-носилана на структурно-морфологические и поверхностные характеристики синтезируемых материалов 84
3.2. Структурно-морфологические и поверхностные характери-сти материалов с включением природных и синтетических полимеров
3.2.1. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами 94
3.2.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном с последующей иммобилизацией альбумина 100
3.3. Сравнительный анализ адсорбционной способности полу ченных материалов к билирубину из водных растворов Ю9
3.3.1. Органо-модифицированные кремнеземы
3.3.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном с последующей иммобилизацией альбумина 114
3.3.3. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами
3.4. Исследование возможности создания эффективных носите
лей доксорубицина и сульфасалазина на примере кремнеземов, модифицированных полигуанидинами 121
Заключение 126
Литература 128
- Золь-гель технология как удобный инструмент нанотехнологии
- Методика синтеза кремнеземов, модифицированных полигуанидинами
- Структурно-морфологические и поверхностные характери-сти материалов с включением природных и синтетических полимеров
- Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном с последующей иммобилизацией альбумина
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей областью современной неорганической химии является дизайн и синтез новых неорганических веществ и гибридных материалов на их основе. Одним из перспективных направлений является модификация неорганических матриц и каркасов функциональными группами органических веществ, включая разнообразные по структурно-функциональной организации биомолекулы. В этих целях наибольшее распространение получили ультрадисперсные кремнеземы [1]. Такие материалы уже используются в различных адсорбционных процессах, хроматографии, при построении неорганических каркасов для инкапсулирования и иммобилизации биологических объектов. Известные сегодня методы получения гибридных материалов на основе кремнеземов основаны на использовании двух стратегий: «снизу вверх» и «сверху вниз». Одним из эффективных методов является золь-гель технология, позволяющая формировать сочетание нескольких компонентов, которые, взаимодействуя с растущей неорганической матрицей, формируют структуру нового материала [2]. Современная наука «видит» будущее в таком симбиозе и в создании «умных» материалов, совмещающих в себе несколько функций. С точки зрения наук о жизни к важнейшим из них можно отнести высокую селективность распознавания биомолекул, что позволяет создавать биосенсоры, наноконтейнеры и др.
Несмотря на достаточно большой имеющийся сегодня массив экспериментальных и теоретических работ в области золь-гель синтеза простых и модифицированных кремнеземов, оригинальные исследования их применения в качестве адсорбентов билирубина и носителей противораковых препаратов единичны. В этой связи практи-ко-ориентированные исследования в области золь-гель синтеза и исследования орга-но-модифицированных кремнеземов с включением молекул, имеющих различную структуру и центры донорно-акцепторного взаимодействия, является актуальной задачей неорганической химии и смежных с ней областей химической науки.
Цель работы - синтез, изучение структурно-морфологических особенностей, адсорбционных свойств и возможностей использования в качестве носителей противораковых препаратов органо-модифицированных кремнеземов, в том числе с включением функциональных полимеров. Для достижения поставленной цели решались следующие экспериментальные и теоретические задачи:
-
синтез кремнеземов, модифицированных октил-, фенил- и уринопропильными группами;
-
синтез кремнеземов с включением полигуанидинов, поливинилпирролидона и бычьего сывороточного альбумина;
-
изучение структурных, поверхностных и морфологических особенностей полученных материалов во взаимосвязи с их составом и строением;
-
установление закономерностей адсорбции билирубина из водных растворов полученными материалами и поиск наиболее эффективных сорбентов;
-
изучение возможностей закрепления доксорубицина и сульфасалазина на поверхности полимер-модифицированных кремнеземов и их последующего рН-контролируемого высвобождения в индивидуальной форме.
Научная новизна. С использованием золь-гель технологии получены новые гибридные материалы на основе неорганической матрицы кремнезема с включением различных типов полимеров природного и синтетического происхождений: бычьего сывороточного альбумина, поливинилпирролидона и гуанидинсодержащих полимеров. Установлено, что поверхностные свойства и морфология конечного материала в значительной степени определяется типом закрепленного («включенного») полимера или органосилана. Полученные кремнеземы были применены в качестве сорбентов для адсорбции билирубина - высокотоксичного пигмента и маркера функции печени из водных растворов. Показано, что иммобилизация биополимеров в неорганическую матрицу кремнезема приводит к значительному увеличению сорбционной способности по отношению к билирубину в сравнении с индивидуальным кремнеземом. Впервые модифицированные полигуанидинами кремнеземы «соге-8Ііе11»-структурьі использованы в качестве носителей для противораковых препаратов - доксорубицина и сульфасалазина. Показаны возможности рН-контролируемого высвобождения лекарств с поверхности полимер-модифицированных кремнеземов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования синтезированных материалов на основе кремнезема в качестве эффективных сорбентов для эффективной утилизации билирубина, а также в создании новых технологий систем адресной доставки лекарственных веществ.
Теоретическая и практическая значимость. Разработанные технологии иммобилизации белковых молекул и синтетических полимеров в золь-гель синтезе открывают перспективу создания новых биосовместимых материалов на основе неорганических матриц в качестве перспективных сорбентов и носителей лекарственных препаратов, обладающих высокой связывающей способностью к билирубину, доксору-бицину и сульфасалазину. Выявлены закономерности в области влияния используемого модификатора на структурно-морфологические свойства конечного материала, что вносит несомненный вклад в область современной неорганической химии и материаловедения. Проведенные исследования по адсорбции билирубина из его водных растворов позволяют рекомендовать используемые подходы для производства новых высокоэффективных гемосорбентов и их применение в системах очистки плазмы
крови. Полученные данные по закреплению доксорубицина и сульфасалазина позволяют развить и дополнить существующие представления о системах доставки лекарственных препаратов. Эти результаты могут найти применение при разработке новых молекулярных систем (наносистем) адресной доставки лекарственных препаратов.
Методология и методы диссертационного исследования. Для обоснования выбранной методологии автором использовались научные труды отечественных и зарубежных ученых в области золь-гель технологии, физико-химических свойств нано-материалов на основе ультрадисперсных кремнеземов, адсорбционных свойств гибридных материалов на основе модифицированного кремнезема с включением различных функциональных групп, в том числе биосовместимых полимеров. Методологической основой исследования выступали общенаучные и специальные методы, такие как эксперимент, анализ, синтез, сравнение и математическое моделирование.
Методы исследования выбирались исходя из поставленных задач и включали: сканирующую (растровую) и трансмиссионную микроскопию, термогравиметрию, ИК-спектроскопию, элементный анализ, низкотемпературную адсорбцию/десорбцию азота, электронную спектроскопию поглощения и др.
На защиту выносятся: результаты исследования структуры, поверхности и морфологии органо-модифицированных кремнеземов; данные о влиянии природы привитых функциональных групп на морфологию и поверхностные характеристики полученных материалов; результаты термического и элементного анализа органо-модифицированных кремнеземов; результаты по использованию поливинилпиролли-дона для улучшения удельной связывающей способности материала по отношению к бычьему сывороточному альбумину; изученные возможности применения полученных гибридных материалов на основе ультрадисперсного кремнезема для адсорбции билирубина в статическом и динамическом режимах; применение кремнеземов, модифицированных полигуанидинами в медицине и фармакологии для закрепления доксорубицина и сульфасалазина с последующим рН-контролируемым высвобождением.
Степень достоверности. Достоверность результатов обеспечена использованием комплекса надежных инструментальных методов, реализованных на базе научно-исследовательских центров России, Италии и Швейцарии, статистической оценкой погрешностей измерений и расчетов, воспроизводимостью экспериментальных данных, а также хорошим согласованием отдельных результатов настоящей работы с известными данными отечественных и зарубежных авторов.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена в рамках тематического плана НИР кафедры неорганической химии Ивановского государственного химико-технологического университета. Разделы работы и отдельные
ее этапы выполнены при поддержке стипендии Президента РФ для стажировки и обучения за рубежом (приказ Минобрнауки от 28.05. 2014 № 595), гранта Президента РФ для молодых российских ученых - кандидатов наук (проект № МК-287.2014.3) и РФФИ (проект № 12-03-31309).
Вклад автора. Подбор и анализ научной литературы по теме диссертации, экспериментальная часть работы и обработка полученных результатов выполнены лично автором. Стратегия и тактика исследований, планирование работы на всех ее этапах, обсуждение полученных результатов, формулирование выводов и написание публикаций выполнены совместно с научным руководителем Румянцевым Е.В.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIX Менделевской съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), Международной Пироговской научной медицинской конференции (Москва 2012), 2-й и 3-й конференциях стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Севастополь 2012, Суздаль 2014), IV Международной конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, посвященной 80-летию со дня рождения П.Д. Сарки-сова, Международной научной конференции «Современные проблемы химии» (Киев 2013), VIII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация как форма самоорганизации вещества» (Иваново 2014), X Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик 2014) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в журналах из перечня ВАК Российской Федерации и тезисах 10 докладов, опубликованных в трудах научных конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, содержит 9 таблиц, 69 рисунок и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, заключения, включающей основные итоги работы и перспективы дальнейшего исследования, списка цитируемой литературы (193 источников).
Золь-гель технология как удобный инструмент нанотехнологии
Знания структуры и свойств материалов приводят к созданию принципиально новых продуктов. Использование классических подходов для синтеза материалов является недостаточным для нововведений в области современной неорганической химии и материаловедения [3, 4]. Эти нововведения могут быть достигнуты путем создания принципиально новых методик синтеза, либо в результате применения комбинированного подхода, когда в схеме синтеза одновременно задействуются несколько компонентов с известными свойствами. Последний принцип как нельзя лучше подходит для получения широкого ассортимента продукции, повышая его безопасность и снижая стоимость производства. Рассматривая современные тенденции в области материаловедения, можно выделить кремнезем как один из наиболее перспективных компонентов для получения композиционных материалов с новыми свойствами. Главным достоинством кремнезема является возможность его применения для синтеза материалов в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании достаточно простых технологических приемов. Благодаря тому, что кремнезем легко встраивается в любую схему синтеза, он может выступать в качестве основного компонента для последующей его модификации различными функциональными производными. Кроме того, среди других достоинств кремнезема следует выделить его интертность (химическую и биологическую безвредность), термическую устойчивость, взрыво- и пожаробезопасность. Путем изменения условий и методик синтеза можно получать кремнеземы с различной морфологией: от наночастиц до пористых мембран, расширяя тем самым сферы применения таких материалов. В современной литературе описано множество традиционных методов получения материалов на основе кремнезема [5-7]. Все эти методы можно разделить на две большие группы по типу фор мирования наноструктур: подход «сверху-вниз» и подход «снизу-вверх» (рис. 1.1). Подход «сверху-вниз» характеризуется ростом наночастиц или их сборкой из отдельных атомов. Методы, относящиеся к группе «снизу вверх», основаны на «дроблении» крупных частиц до наноразмеров. Следует отметить, что данные методы являются классическим и также подходят для получения других материалов.
Одним из типичных методов синтеза «сверху-вниз» подхода является механическое воздействие - измельчение материала до ультра- или нанодисперс-ного состояния [8]. Механическое перемалывание до наноразмерных частиц является достаточно энергозатратным методом и требует подготовительных манипуляций: выбор размера перемалывающих молов, скорость их вращения, а также время дробления. Одним из таких примеров механического воздействия на аморфный кремнезем описан в работе [8], в результате такого воздействия были получены наночастицы кремнезема от 10 до 30 нм. Другим методом «сверху-вниз» подхода является фотолитография [9]. Данный метод используется для создания компьютерных чипов. Он основан на использовании тонкой силиконовой подложки толщиной 1 мкм, на который помещается монослоем фоторезистор. Под воздействием светового облучения происходит электрохимическая реакция, в результате которой на поверхности подложки образуется определенный рисунок нанометрового размера.
Среди методов «снизу-вверх» стоит выделить химическое окисление/восстановление. Первый такой метод для синтеза кремнезема был предложен в 1992 г. [9]. Синтез основан на химическом восстановлении SiCl4 или HSiCb в присутствии силицида калия в тетрагидрофуране в среде инертного азота. Также в качестве восстановителей в ряде работ использовали ЩАШ4]. Кроме окисления/восстановления для получения ультрадисперсного кремнезема используется пиролиз, основанный на термическом разложении силана. Одним из примеров такого синтеза представлен в работе [10], где были получены сферические наночастицы кремнезема размером 13 - 40 нм путем термического разложения силана при температуре 793 - 893 К и давлении 290 тор. Наиболее популярным из всех выше перечисленных методов является золь-гель метод, который более подробно будет рассмотрен в следующем разделе.
Одним из достоинств кремнезема, как уже упоминалось, является возможность модификации его поверхности, что сопровождается морфологическими и структурными изменениями. Такая функционализация дает существенные преимущества по сравнению с немодифицированным, придавая новые свойства у таких материалов. Модифицированные кремнеземы обладают химической индивидуальностью привитого соединения и свойствами кремнезема как твердого тела. Самым распространенным способом модификации поверхности кремнезема является химическая функционализация. В результате такой обработки на поверхности кремнезема формируются различные функциональные группы, которые впоследствии могут связываться с другими компонентами, формируя структуру гибридного материала. Процесс функционализации, как правило, зависит от типа используемых кремнеземов. Традиционно ультрадисперсные материалы на основе кремнезема подразделяют на пористые (мезопористые) и непористые [11]. Мезопористые материалы на основе кремнезема представляют собой пористые наночастицы или пленки с размером пор в пределах от 2 до 50 нм. Непористый кремнезем представляет собой сферические неполые наночастицы с отсутствием пор. В случае пористых кремнеземов модификация с использованием других компонентов осуществляется непосредственно в порах кремнезема, тогда как в непористом кремнеземе модификация проходит на его поверхности. Среди известных методов модификации кремнезема наиболее известен метод полимерной иммобилизации. Данный метод функционализации отличается относительной дешевизной и позволяет получать материалы с различной морфологией и физико-химическими свойствами путем подбора соответствующих полимеров. Так, в работе [12] показан синтез наночастиц кремнезема с иммобилизацией полиэтиленгликоля и полиакрила-мида. В другой работе [13] описан метод получения гибридного материала на основе наночастиц кремнезема с включением поли-(оксиэтилен метакрилата) и поли-(стиролсульфоновой кислоты). В дальнейшем такие гибридные материалы находят широкое применение в медицине в качестве фильтрующих и адсорбирующих материалов, биосенсоров на определенные вещества и ферменты, электрохимических сенсоров и т. д. В ряде работ показана принципиальная возможность использования гибридных материалов в качестве биокерамических имплантантов для устранения дефектов тела, а также перспективных носителей лекарственных препаратов в системах доставки лекарств, высокоэффективных катализаторов с развитой удельной поверхностью [12].
Помимо иммобилизации полимеров в матрицу кремнезема также разработаны методики, основанные на модификации кремнезема металлическими наночастицами. В данном случае иммобилизация наночастиц возможна, как на поверхности кремнезема, где он выступает в качестве основного ядра, так и внутри кремнезема, где он будет выступать в качестве защитной пленки. При этом возможно также использование комбинированного подхода, т.е. иммобилизация наночастиц как снаружи, так и внутри кремнезема (рис. 1.2.)
Методика синтеза кремнеземов, модифицированных полигуанидинами
Гидроксильные группы на поверхности обычного немодифицированного кремнеземов также используют для ковалентнои иммобилизации белков. В данном случае процесс иммобилизации определяется выбором инициирующего агента [98 - 100]. Хлорангидрид циануровои кислоты (2,4,6-трихлор-1,3,5-триазин) часто используется как агент для активации -ОН групп. Благодаря неподеленной паре атомов углерода хлорангидрид циануровои кислоты легко вступает в реакцию нуклеофильного замещения, образуя прочную ковалентную связь с -ОН группами. Затем белок ковалентно связывается с данным агентом как показано нарис. 1.26.
Процесс активации гидроксильных групп с последующей ковалентнои сшивкой белка [100]. Известно применение и других инициаторов для активации гидроксиль-ных групп на поверхности кремнезема. Одним из таких является сульфонил-хлорид (R-SO2-CI), который легко вступает в реакцию нуклеофильного замещения благодаря наличию свободной электронной пары на атоме серы, образуя ковалентную связь с функциональными группами кремнезема [101 - 103]. Затем, когда к реакционной смеси добавляют белок, аминогруппы белка взаимодействуют через инициатор посредством нуклеофильной атаки, образуя амид-ную связь, а высвободившиеся сульфониловые группы удаляются вместе с раствором после промывки в виде сульфонат-анионов (рис. 1.27).
Другой способ ковалентной иммобилизации белков возможен через карбоксильные группы модифицированного кремнезема с использованием тио-нилхлорида (SOCl2) в качестве инициатора [104, 105]. Схема реакции представлена на рис. 1.28. Активация карбоксильных групп проходит лучше в щелочных условиях при рН 8.5 в течение 2 часов. о I
Ковалентную иммобилизацию белков также осуществялют через тиоловые группы белка (-SH). В качестве инициаторов используют галогениды переходных металлов: TiCl4,TiCl3, SnCl4, SnCl2, VC13, FeCl2 и FeCl3 [106, 107]. Точный механизм реакции пока еще неизвестен, существуют лишь предположения, как осуществляется ковалентная сшивка белка через тиоловые группы, где в качестве инициатора выступает SnCl2 (рис. 1.29).
Помимо галогенидов металлов, в качестве инициатора используют бифункциональные агенты, например, сульфон (C2H3)S02. Наличие сильного электродонорного эффекта активирует двойную связь винилового фрагмента, который, реагируя с гидроксильными группами кремнезема, образует прочную ковалентную связь [109]. Вторая активная винильная группа вступает в реакцию с тиоловыми группами цистеина в белке, образуя сульфоновый мостик. Следует отметить, что данная реакция протекает медленно и не до конца с низким выходом продукта. Для синтеза необходимо значение рН 9, что может разрушить структуру белка и привести к потере его биологической активности [ПО].
Ковалентную иммобилизацию белков с тиоловыми группами также осуществляют с использованием аминомодифицированного кремнезема в присутствии сукцинимидил-3-(2-пиридилдитио)-пропионата. Синтез проводится в слабощелочной среде при рН 8. Мольное соотношение инициатора и кремнезема должно быть 1 к 10. Ковалентная сшивка белка приводит к образованию прочных дисульфидных мостиков [112].
Тиол-функциональные кремнеземы также способны ковалентно связываться с SH-белками через инициатор: 2,2 -дипропилдисульфид. Синтез проводится при рН 8 для депротонирования тиоловых групп (S ), которые реагируют с 2,2 -дипропилдисульфидом, что приводит к разрушению дисульфидного мостика в данном инициаторе [113]. При добавлении SH-белка сульфидный мостик между функциональными группами кремнезема и тиопиридином разрушается с образованием нового сульфидного мостика между белком и кремнеземом. О
Схема иммобилизации SH-белка через с 2-2 -дипропилдисульфид инициатор [114]. Известны методы ковалентной иммобилизации белков без использования инициаторов. Группа исследователей разработали одностадийный метод иммобилизации белка путем простого инкубирования его в течение 3 часов в фосфатном буфере (рН 8) вместе с аминомодифицированным кремнеземом в присутствии основания Шиффа [114]. В другой работе получен наноструктуиро-ванный кремнезем с привитыми на его поверхности аминогруппами. В дальнейшем с помощью аминогрупп на поверхности кремнезема ковалентно иммо-билизирована биомолекула М-5-азидо-2-нитробензоилоксисукцинимид (АНБ-NOC), которая в свою очередь образует прочную ковалентную связь с антителами IgG [115]. Схема синтеза представлена ниже (рис. 1.33):
Иммобилизация IgG молекул на поверхность магнитной наночастицы с активированной глутаровым альдегидом поверхностью. Таким образом, ковалентная иммобилизация обеспечивает прочное связывание белковых структур с поверхностью кремнезема, предотвращая или минимизируя десорбцию белков с поверхности кремнезема. При разработке методов ковалентной сшивки белковых структур с неорганическими матрицами нужно исходить из соответствующих целей использования материала. Методы нековалентной иммобилизации позволяют связывать белок непрочно с последующим его высвобождением при изменении условий среды. Такие материалы используются в качестве гетерогенных биокатализаторов, тогда как в случае же более прочного связывания белковых структур они применяются в адсорбционных процессах или наноконтейнерных технологиях для эффективного закрепления лекарственного средства с сохранением биоактивности. Однако все описанные методики ковалентной иммобилизации достаточно сложны и протекают в несколько стадий, как правило, с использованием органических растворителей, которые могут приводить к частичной или полной денатурации белка. Поэтому интерес исследователей в этой области смещается к разработке более простых одностадийных методов прочной иммобилизации белковых структур в матрицу кремнезема. Наиболее практически удобным методом являяется использование биосовместимых полимеров, которые могут прочно связываться с белками. В данной работе были исследованы основные аспекты иммобилизации альбумина в матрицу кремнезема с использованием поливинилпирролидо-на в качестве биосовместимого модификатора.
Основные принципы технологий создания материалов для адсорбции билирубина Билирубин - это желчный пигмент, который относится к представителям семейства олигопироллов, большинство из которых имеют яркую окраску. Он является конечным продуктом катаболического распада гемоглобина [116 - 118 ]. В организме человека молекулы билирубина транспортируются в печень в виде макромолекулярного комплекса, связзаного с альбумином, и в конце выводятся из организма в моче. Появление избыточных количеств билирубина в плазме крови человека свидетельствует о существенных нарушениях деятельности гепатобилиарной системы, что приводит к гепатиту и мозговой дисфункции [119, 120]. Обнаружение гепато- и нейротоксических свойств билирубина привело к потребности поиска путей для безопасного и эффективного удаления его излишков из плазмы крови.
Структурно-морфологические и поверхностные характери-сти материалов с включением природных и синтетических полимеров
Как было показано в разделе 1.1 «Основные принципы формирования ультрадисперсных кремнеземов и гибридных материалов на их основе» органо-модифицированные кремнеземы с различными функциональными группами находят все большое применение в биотехнологии и различных областях медицины. Природа привитой функциональной группы на поверхности кремнезема оказывает существенное влияние на поверхностные свойства материала, обеспечивая дополнительное селективное связывание с различными биомолекулами: белками, ДНК, лекарствами. Зная физико-химические свойства функциональной группы, можно создавать селективные сорбенты или сенсоры на опре-делнный тип биомолекул [166 - 168].
В настоящей работе изучены особенности модификации поверхности кремнезема с использованием октилтриэтоксисилана (ОТЭОС), фенилтриэток-сисилана (ФТЭОС) и 3-уринопропилтриметоксисилана (УПТМОС). Структурные формулы функциональных групп и схема модификации представлены на рис. 3.1. ос2н5
ИК-спектроскопия является весьма информативным методом исследования строения индивидуальных органических соединений. Однако ее применение для анализа гибридных материалов затрудняется существенным перекрыванием полос поглощения функциональных групп. Как следствие, спектральная информация, извлекаемая из ИК-спектров полученных материалов, обычно ограничивается идентификацией основных функциональных групп. В этом случае с использованием ИК-спектроскопии удается выявить частоты, соответствующие валентным и деформационным колебаниям привитых функциональных групп. Ниже представлены ИК-спектры органо-модифицированных кремнеземов, содержащие максимальное количество функциональных групп. ИК-спектры остальных органо-модифицированных материалов не представлены в работе ввиду идентичности валентных и деформационных частот. В ИК-спектрах октил-модифицированного кремнезема (OctSiNP-З) присутствует четко выраженный пик в области 2989 - 2848 см-1, соответствующий деформационному колебанию С-Н в октальных радикалах. Пики при 1432 и 1384 см-1 соответствуют деформационным колебаниям фенильного кольца в случае фенил-модифицированного кремнезема (PhSiNP-3) [170]. Острый пик при 1432 см-1 является комбинацией двух групп: С=С и С - Н. Также узкий пик при 700 см-1 соответствует деформационным колебаниям фенил Н вне плоскости кольца. В случае уринопропил-модифицированного кремнезема (USiNP-3) наблюдается слабо выраженный пик при 2933 см-1 [170], который соответствует С-Н связи, присутствие наиболее интенсивных пиков в области 1672 - 1590 см-1 соответствуют деформационным колебаниям амино- и карбонильных групп (С=0 и N-H) [171, 172]. Таким образом, из анализа ИК-спектров можно сделать вывод об успешной модификации поверхности кремнеземов используемыми органосиланами.
ИК-спектры для немодифицированного и органо-модифицированных кремнеземов. Существенные изменения в морфологии органо-модифицированных материалов выявлены с использованием растровой электронной микроскопии - установлены основные закономерности влияния природы привитых функциональных групп на форму и размер частиц органо-модифицированных кремнеземов.
В процессе золь-гель синтеза в результате гидролиза кремнийсодержащего прекурсора - ТЭОС происходит образование Si-OH связей, которые, взаимодействуя с гидроксильными группами (-ОН) органосиланов, обеспечивая ковалентную модификацию поверхности кремнезема функциональными группами. Процесс формирования коллоидных частиц определяется реакцией гидролиза и сополиконденсацией органосиланов, используемых в золь-гель синтезе [173].
В случае уринопропил-модифицированных кремнеземов образуются универсальные сферические микрометровые частицы (рис. 3.3). Из гистограмм распределения частиц по размерам следует, что с увеличением концетрации вводимого органасилана - УПТМОС, происходит увеличение доли крупных частиц частиц и в результате наблюдается более широкое распределение сферических микрочастиц: USiNP-І характеризуется частицами от 0.35 до 5.25 мкм со средним размером частиц 2.41 ± 0.3 мкм; для USiNP-2 средний рзмер частиц составляет 3.57 ± 0.4 мкм; для USiNP-З - 2.43 и 5.13 мкм соответственно. Молекулы УПТМОС содержат реакционноспособные амино- и карбонильные группы, которые могут образовывать дополнительные связи с группами Si-OH, приводя к росту матричной сетки коллоидных частиц , что, в свою очередь, сопровождается укрупнением микрометровых частиц. і
Изображения (результаты электронной сканирующей микроскопии) уринопропил модифицированных кремнеземов с различным соотношением органосилана: USiNP-1 ([ТЭ-ОС]:[УПТМОС] = 4:1), USiNP-2 ([ТЭОС]:[УПТМОС] = 3:1), USiNP-З ([ТЭОС]:[УПТМОС] = 2:1) с соответствующими гистограммами распределения частиц по размерам. При анализе микрофотографий по результатам электронной сканирующей микроскопии фенил-модифицированных кремнеземов наблюдается существенное различие в морфологии получаенных образцов после золь-гель модификации, используя ФТЭОС (рис. 3.4). Данный материал представляет собой аморфные блоки, размер которых лежит в микрометровой области. В процессе золь-гель синтеза высокая степень гидролиза и поликонденсации ФТЭОС приводит к образованию блочных структур за счет формирования дополнительных л- л сте-кинговых взаимодействий между фенильными группами модифицированного кремнезема [174]. Также стоит отметить, что увеличение концентрации фе-нильных фрагментов приводит к укрупнению блоков, как следует из гистограм распределения частиц по размерам, средний размер блоков для PhSiNP-І варьируется в пределах от 1.98 до 4.01 мкм, для PhSiNP-2 - от 4 до 8 мкм и для PhSiNP-3 - от 6 до 12 мкм.
Модификация октальными группами в процессе золь-гель синтеза приводит к образованию универсальных сферических наночастиц, размер которых лежит в пределах в пределах от 66 до 253 нм (рис. 3.5). Также, как и в предыдущих случаях, введение октальных фрагментов приводит к укрупнению размеров частиц: OctSiNP-І имеет средний размер частиц 112 нм, для OctSiNP-2 -149 нм, OctSiNP-З - 167 нм.
Исследование поверхностных характеристик органо-модифицированных кремнеземов является одним из ключевых факторов в раскрытии механизма адсорбции между адсорбентом и адсорбатом. Для этого с использованием метода низкотемпературной адсорбции/десорбции азота получены изотермы адсорбции/десорбции азота, из них были рассчитаны по BET и BJH анализу значения удельной поверхности и пористости исследуемых образцов, что позволило выявить основные закономерности влияния природы привитых функциональных групп на поверхностные свойства полученных материалов. Изотермы адсорбции-десорбции азота для немодифицированного и органо-модифицированных кремнеземов представлены на рис. 3.6.
Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном с последующей иммобилизацией альбумина
Создание систем для транспортировки лекарственных веществ привлекает все большое внимание ввиду простоты и эффективности их в лечении онкологических заболеваний. Исследования в данной области направлены на разработку дизайна материалов, которые могут эффективно закреплять лекарство без его конформационных изменений и потере биологической активности. Кроме того, важным свойством данных материалов является контролируемое высвобождение лекарства. В этом направлении активно привлекаются новые материалы на основе «органики-неорганики». В данном разделе рассматривается применение гуанидинсодержащих полимеров ПАГ и ПМГГХ в качестве модификаторов поверхности наночастиц кремнезема, которые способны более эффективно закреплять модельные лекарства: доксорубицин и сульфасалазин, чем аналоги, описанные в научной литературе.
Из результатов исследования адсорбции доксорубицина и сульфасалазина (рис. 3.27) следует, что модификация гуанидинсодержащими полимерами приводит к значительному увеличению степени закрепления по отношению к выбранным модельным лекарствам. В случае доксорубицина эффективноть закрепления возрастает с ростом значения рН, тогда как максимальная степень закрепления сульфасалазина достигается в кислой области (рН 3 - 4). Эффективность закрепления доксорубицина в случае немодифицированного кремнезема (SiNP) составляет 38 % (31.5 ± 1.5 мкмоль/г) при рН 7.4. Эффективность закрепления доксорубицина возрастает до 92% (79.1 ± 2.5 мкмоль/г) при использовании кремнезема, модифицированного ПАГ. Сравнивая полученные значения с имеющимися литературными данными, можно утверждать, что степень закрепления кремнезема, модфицированного ПАГ высокая [189]. К примеру, в работе [190] синтезировали наночастицы кремнезема с включением золота и было показано, что такой материал способен инкапсулировать до 80 мкмоль/г доксорубицина. В другой работе [191] описана методика синтеза наночастиц кремнезема, модифицированныъ полиакриламидом и полиэтиленгликолем, способных закреплять до 52 мкмоль/г доксорубицина. Также в ряде работ [192] синтезированы полимерные микрогели на основе полиэтилен гликоля и метак-рилата с максимальной степенью инкапсулирования доксорубицина 67 мкмоль/г. Следует отметить, что кремнезем, модифицированный ПМГТХ, обладает низкой степенью закрепления по отношению к доксорубицину (только при рН 7.4 смопобен адсорбировать 8.4 мкмоль/г).
Исследование процессов закрепления сульфасалазина позволило установить, что гидрофобная природа данного лекарственного препарата значительно снижает его адсорбцию в водных растворах. Поэтому для повышения эффективности закрепления сульфасалазина данный процесс проводили в ДМСО по методике, описанной в работе [165]. Как следует из рис. 3.25 повышение растворимости сульфасалазина приводит к увеличению степени закрепления сульфасалазина. Максимальная степень закрепления сульфасалазина для кремнезема, мофицицированным ПМГТХ, составляет 115.4 ± 3.5 мкмоль/г, тогда как в водном растворе при рН 3 это значение сотавляет 44.5 ± 1.5мкмоль/г. Анализируя полученные результаты с имеющимися аналогами, можно сделать вывод, что полученный материала на основе наночастиц кремнезема, модифицированных ПМГТХ, обладает высокой эффективностью для закрепления сульфасалазина. Ранее проведенные исследования [165] по адсорбции сульфасалазина в присутствии кремнезема, модифицированнлого триэтил аммониевыми группами показывают, что максимальная адсорбционная способность для полученного в работе материала составляла 103.1 мкмоль/г, что немного меньше чем у нас.
Основная причина, связанная с различной эффективностью закрепления полимер-модифицированных кремнеземов по отношению к сульфасалазину и доксорубицину. Из анализа литеритурных данных и проведенных экспериментов, мы можем утверждать, что взаимодействие молекул лекарства с поверхностью носителя происходит благодаря наличию электростатических сил. Доксо-рубицин имеет значение рКа = 8.2, следовательно, молекулы доксорубицина будут находиться в протонированной форме до значения рН меньше 8, и, следовательно, могут взаимодействовать только с отрицательно заряженными на-ночастицами. Поверхность немодифицированного кремнезема отрицательна заряженная благодаря наличию гидроксильных групп. При рН 7.4 немодифи-цированный кремнезем генерирует фиксированный отрицательный заряд, что приводит к взаимодействию с доксорубицином. В случае кремнезема, модифицированного ПАГ, его поверхность покрыта множеством карбоксильных групп (СООН), которые при диссоциации образуют карбокси-анионы, обладающих большей электроотрицательностью чем ОН группы, вследствие этого, кремнезем, модифицированный ПАГ, способен связывать большее количество доксорубицина. В другом случае, молекула сульфасалазина имеетрКа = 2.4 и отрицательный заряд при рН 2.5, поэтому может притягиваться только к положительно заряженным частицам. Данный факт объясняет низкую степень закрепления при использовании немодфицированного кремнезема: депротонируемые гидроксильные группы кремнезема вызывают сильные электростаические отталкивания молекул сульфасалазина. Только водородные связывание оказывает влияние на значение закрепления. Поверхность кремнезема, модифицированная ГГМГТХ, покрыта гуанидиновыми группами, которые обладают фиксированным положительным зарядом в широком диапазоне рН значений, что обеспечивает поверхность кремнезема положительно заряженной и, вследствие этого, связывание с молеклами сульфасалазина. Данный принцип электростатического взаимодействия был также подтвержден и описан в ряде работ. Например, при исследовании адсорбции положительно заряженного лисозима (+) и отрицательно заряженного БСА (-) на поверхности алюминий модифицированного кремнезема. Было показано, что белки, имеющие противоположный заряд относительно поверхности кремнезема, адсорбцируются эффективнее, чем белки с одинаковым зарядом отностиельно поверхности кремнезема [193].