Самоорганізація водно-органічних систем в розчинах, пористих матеріалах та біологічних об’єктах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія наук України

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка

УДК 541.183+544.723.222+544.35

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Самоорганізація водно-органічних систем в розчинах, пористих матеріалах та біологічних об'єктах

Керусь Сергій Валерійович

Київ - 2011



Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні імені О.О. Чуйка Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Туров Володимир Всеволодович, Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Запорожець Ольга Антонівна, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри аналітичної хімії

доктор хімічних наук, доцент Зуб Юрій Леонідович, Інститут хімії поверхні імені О.О. Чуйка НАН України, завідувач відділу хімії поверхні гібридних матеріалів

Захист відбудеться “15” грудня 2011 р. о 1530 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, Київ, вул. Генерала Наумова, 17.

Автореферат розісланий “14” листопада 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г.П. Приходько



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вода є однією з найбільш поширених та досліджуваних речовин, вона є унікальною сполукою, оскільки має багато аномальних властивостей, що обумовлює відсутність єдиної моделі, яка б їх всі пояснювала. Аномальні властивості води спостерігаються і в її поведінці на границі розділу фаз з твердими тілами, іншими рідинами або газом. Значною мірою це обумовлено зміною будови сітки водневих зв'язків поблизу поверхні, що призводить до виникнення відмінностей температурних залежностей основних фізичних характеристик об'ємної і граничної води. В просторі, обмеженому твердими стінками адсорбентів, структурними елементами макромолекул або біологічних об'єктів, замерзлої рідини при низьких температурах, вода набуває характеристик нанорозмірних частинок, тобто проявляє кластерні властивості. Особливості взаємодії кластеризованої води з розчиненими в воді речовинами, стінками пор або фрагментами біомакромолекул є визначальними для ряду адсорбційних явищ (зокрема конкурентної адсорбції та молекулярно-ситового ефекту), біохімічних процесів, що протікають в клітинних об'єктах, а також процесів заморожування-відтавання складних гетерогенних систем, які лежать в основі кріоконсервування або довгострокового зберігання харчових продуктів. З використанням кластерних підходів до будови водно-органічних сумішей в гетерогенних системах на основі високодисперсного кремнезему можуть бути створені нові засоби еферентної терапії та способи спрямованої доставки лікарських препаратів. Тому актуальним напрямком розвитку теорії міжфазних явищ є вдосконалення експериментальних методів реєстрації та вивчення кластерного стану води в різних гетерогенних системах.

Хоча методом низькотемпературної 1Н ЯМР спектроскопії в попередніх дослідженнях було виявлено можливість формування значної кількості слабоасоційованої води в дегідратованих клітинах, порах та міжчастинкових проміжках низки кремнеземних адсорбентів, актуальним завданням залишається вивчення будови кластерів води в водно-органічних системах при їх заморожуванні, впливу на них частинок високодисперсного кремнезему, біополімерних молекул або фрагментів клітинних структур та пошук шляхів використання кластеризованих форм води в хімії поверхні та біомедицині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України: „Теоретичні дослідження і розробка лікарських композитів з сорбційним механізмом дії і регульованою фармакінетикою” (№ держ. реєстрації 0199U002299); „Закономірності адсорбції, взаємодії та перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ держ. реєстрації 0103U006286).

Мета і завдання дослідження. Вивчити особливості формування надмолекулярних структур за участю води і органічних речовин в обмеженому просторі пор твердих адсорбентів та внутрішньому просторі частково дегідратованих біологічних об'єктів; розробити композитну систему на основі високодисперсного кремнезему і біополімерів, в якій кластерний стан води подібний до стану води в клітинах та випробувати її в модельних гелях, придатних для трансдермального введення фармпрепаратів.

Об'єкт дослідження: Бінарні розчини вода-ДМСО та потрійні вода-ДМСО-хлороформ; активоване вугілля (АВ) С-47 (MastCarbon); мезопористий кремнезем Gasil 200; клітини кісткового мозку курки, дріжджові клітини, печінкова тканина щурів лінії Вістар, композитні системи на основі ВДК, крохмалю та органічних речовин.

Предмет дослідження: Структурні і термодинамічні характеристики зв'язаної води, утворення кластерів води та супрамолекулярних систем в обмеженому просторі та під впливом органічних розчинників.

Методи дослідження: №Н ЯМР-спектроскопія у поєднанні з методикою виморожування рідкої фази, №Н ЯМР-кріопорометрія, квантово-хімічні розрахунки, ІЧ-спектроскопія, диференціальний термічний аналіз, фазово-контрастна мікроскопія з мікрофотографуванням.

Наукова новизна одержаних результатів. Показано, що в замороженому бінарному розчині вода-ДМСО (що відноситься до ефективних кріопротекторів) спостерігаються процеси формування надмолекулярних кластерних структур, впорядкованих водневими зв'язками, причому, навіть при великій концентрації ДМСО вода зберігає структуру нанорозмірних поліасоціатів, з якими молекули ДМСО можуть утворювати водневі зв'язки шляхом взаємодії лише з периферійними молекулами води. Встановлено, що у сумішах полярного і неполярного органічних розчинників (ДМСО+хлороформ) вода може входити не тільки до складу водневозв'язаних комплексів з електронодонорним центром полярного компоненту, але і утворювати нанорозмірні кластери сильноасоційованої води, що існують у вигляді дисперсної фази в суміші органічних речовин. В системах, що містять ДМСО, концентрація води в кластерному стані виявилась значно більшою, ніж в системах з ацетонітрилом, для яких кластери сильноасоційованої води (SAW) фіксуються тільки при температурах поблизу 273 К.

Показано, що для активованого вугілля, яке характеризується майже однаковим об'ємом мікро- і мезопор, в залежності від типу вибраного адсорбату або їх суміші, в порах формуються кластери, структура і місце розташування яких залежить від типу адсорбатів, співвідношення їх концентрацій і температури. Зокрема, в ізобаричних умовах зниження температури стабілізує формування водно-органічних кластерів в мезопорах, завдяки чому відбувається перерозподіл речовин між системою мікро- та мезопор; слабополярні адсорбати (метан, хлороформ, бензол) здатні витісняти воду із мікропор в пори більшого діаметру або (при наявності об'ємної органічної фази) на зовнішню поверхню гранул адсорбенту; при спільній адсорбції в порах активованого вугілля води і електронодонорних речовин, молекули останніх можуть руйнувати частину водневих зв'язків в кластерах сильноасоційованої води, однак, при відсутності абсолютного надлишку органічної фази, для води більш термодинамічно вигідним є збереження кластерної структури, що взаємодіє з електронодонорними молекулами, як єдина колігативна система. Ці ж принципи співіснування водної та органічної фаз залишаються справедливими і в мезопористих кремнеземах. вода твердий дегідратований біологічний

Встановлено, що полярні органічні розчинники (ацетонітрил, ацетон, ДМСО), які здатні до необмеженого розчинення в об'ємній воді у всьому діапазоні температур і концентрацій, характеризуються відносно слабкою розчинністю у внутрішньоклітинній воді, що обумовлено переходом води в кластерний стан з дещо іншими фізико-хімічними властивостями. В присутності цих розчинників має місце структурна і енергетична диференціація внутріклітинної води.

Шляхом підбору співвідношення концентрацій компонентів на основі механоактивованої суміші крохмалю з високодисперсним кремнеземом (дисперсна фаза), води і суміші полярного (ДМСО) та слабополярного (хлороформ) розчинників (дисперсне середовище) сконструйовано модельний гель, що добре розчиняє більшість класів лікарських препаратів, структура води в якому аналогічна структурі води в частково дегідратованих модельних клітинних матеріалах (гомогенат печінки, клітини кісткового мозку).

Практичне значення отриманих результатів. На основі виявлених ефектів самоорганізації водно-органічних сумішей в твердих тілах, що мають мікро- та мезопори та масоперенесення між різними типами пор, можуть бути створені мембрани для відокремлення компонентів розчину. Гелеподібні композитні системи на основі сумішей високодисперсного кремнезему, крохмалю та органічних речовин можуть бути використані для спрямованої трансдермальної доставки лікарських препаратів.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено підбір та аналіз літературних даних, виділено та підготовлено до експерименту біологічні об'єкти (клітини кісткового мозку та печінкову тканину), сплановано і проведено основний обсяг експериментальних досліджень із використанням методу ЯМР-спектроскопії, здійснено математичну обробку спектральної інформації та систематизовано одержані результати. Обчислення розподілу за розмірами водних кластерів та квантово-хімічне моделювання їх структури проводилось з використовувалась програм, та при безпосередній участі д.х.н., проф. В.М. Гунько. Постановка задач досліджень, обговорення і узагальнення результатів, формулювання висновків проведено спільно з науковим керівником - д.х.н., проф. Туровим В.В. У написанні статей та обговоренні результатів брали участь д.х.н., проф. В.М. Гунько, академік В.Ф. Чехун та к.х.н., с.н.с. В.М. Барвінченко.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи було представлено на вітчизняних та міжнародних конференціях: VII Ежегодная международная молодежная конференция ИБХФ РАН - ВУЗЫ «Биохимическая физика». 12-14 ноября 2007 г. Москва; Всеукраїнська конференція з міжнародною участю, присвячена 90-річчю Національної академії наук України. 28-30 травня 2008 р. Україна, Київ; Дванадцята наукова конференція “Львівські хімічні читання - 2009”. 1-4 червня 2009 р. Львів.

Публікації. За результатами дисертаційнї роботи опубліковано 6 статей у вітчизняних та міжнародних наукових журналах і збірках наукових праць та 3 тези доповідей на вітчизняних і міжнародних наукових конференціях.

Структура і об'єм роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і переліку посилань. Матеріали дисертації викладені на 162 сторінках машинописного тексту, включаючи 4 таблиці, 63 рисунків та список літературних джерел (146 найменувань).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ. Обґрунтовано актуальність, сформульовано мету та задачі роботи, визначено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, наведено відомості щодо публікацій, в яких висвітлено основні результати дисертаційного дослідження та особистий внесок здобувача.

Розділ 1. Огляд літератури. За темою дисертації розглянуто накопичений досвід щодо структури і фізико-хімічних властивостей води, вплив мозаїчної поверхні на структуру води. Приведено аналіз адсорбції води на поверхні пористих і непористих оксидів, її ролі в процесах життєдіяльності мікроорганізмів, клітин рослин та тварин. Узагальнено низку робіт по вимірюванню параметрів резонансного поглинання протонів в молекулах води в рідкому і газоподібному станах. Аналіз літературних даних дозволив визначити напрями, мету, предмет та основні завдання дисертаційної роботи.

Розділ 2. Матеріали та методи дослідження. Представлено характеристики вихідних носіїв та хімічних реагентів, що були використані при дослідженнях, і описано методи визначення гідратаційних та фізико-хімічних властивостей досліджуваних матеріалів: №Н ЯМР-спектроскопія у поєднанні з методикою виморожування рідкої фази, №Н ЯМР-кріопорометрія, квантово-хімічні розрахунки, ІЧ-спектроскопія, диференціальний термічний аналіз, фазово-контрастна мікроскопія з мікрофотографуванням.

Розділ 3. Структура води у водно-органічних сумішах, що містять ДМСО. Досліджено вплив полярного органічного розчинника - ДМСО та його суміші з слабополярним хлороформом на ступінь асоційованості води у подвійних та потрійних системах, визначено величину координаційного числа молекул води в кластерах та їх розподіл за розмірами.

У бінарних розчинах вода/ДМСО зниження температури замерзання обумовлене колігативними властивостями розчинів, серед яких основними є зниження густини пари розчинника над розчином (закон Рауля) і ефекти сольватації. На рис. 1, а наведено 1H ЯМР спектри замороженої суміші вода/ДМСО (9:1). Оскільки хімічний зсув протонів води (дН = 4,8-5,5 м.ч.) виявився дещо більшим, ніж у рідкій воді (дН = 4,5 м.ч.) можна зробити висновок, що вклад від комплексів НО-Н…OS(CH3)2 (в яких дН = 2,5 м.ч.) відносно малий, тобто вода знаходиться переважно у вигляді кластерів сильноасоційованої води. При зниженні температури і досягненні температури випадіння евтектики, весь розчин повинен перейти в твердий стан. Однак, хоча візуально при зниженні температури розчин виглядає твердим, ЯМР вимірювання показують наявність значної кількості рідких речовин, зосереджених всередині порожнин, включених в матрицю льоду (рис. 1, б). Так, у найбільш розведеному розчині, що містить 2,25 моль % ДМСО, при 260 К близько 20 % речовин все ще знаходяться в рідкому стані. При цьому графік залежності I/I0(T), який характеризує зменшення інтенсивності сигналу води віднесеної до інтенсивності сигналу води до заморожування, має форму близьку до відповідної форми кривої I/I0(T) для заморожених водних суспензій дисперсних або пористих оксидів. На залежностях спостерігаються ділянки різкого зменшення інтенсивності сигналу у відносно вузькому діапазоні температур і слабкої зміни інтенсивності сигналу, яка відбувається в широкому діапазоні температур. Ці ділянки є аналогами слабо- і сильнозв'язаної води у водних суспензіях твердих адсорбентів. Вони характеризують воду слабо- та сильнозбурену розчиненою в ній речовиною (в даному випадку ДМСО).



Рис. 1. 1H ЯМР спектри водного розчину ДМСО при співвідношенні об'ємів вода/ДМСО (9:1), зняті при різних температурах (а); температурна залежність відносного зменшення інтенсивності сигналу води при заморожуванні системи вода/ДМСО (б); розподіл за розмірами водних структур в заморожених розчинах ДМСО (в); структура кластера вода-ДМСО розміром 2,4 1,5 нм, який містить 19(CH3)2SO і 37H2O (г).

На основі даних рис. 1, б, з використанням інтегрального рівняння Гіббса-Томсона можуть бути розраховані розподіли водних структур за їхніми радіусами, що знаходяться в матриці льоду розчинів вода/ДМСО різної концентрації (рис. 1, в). Слід відмітити, що на відміну від води в порах, для заморожених розчинів це рівняння можна використовувати тільки у випадку, коли розчин зосереджений в нанорозмірних порожнинах, оточених льодом (зліва від точки перегину кривої графіка залежності ДI/I0(T), рис. 1, б). В результаті можуть бути ідентифіковані водні структури (кластери) з R<1 нм. Структуру таких кластерів можна розрахувати з використанням методів квантово-хімічного моделювання (рис. 1, г). При цьому для простих комплексів HOHO=S(CH3)2 і HOHOH2 (розрахованих з використанням методу GIAO/B3LYP/6-31G(d,p), H = 3,2 і 3,1 м.ч., відповідно, і H = 3,3 м.ч. для (CH3)2S=OHOHO=S(CH3)2. Для великих доменів води (без ДМСО) величина H зростає, оскільки збільшується кількість молекул води, що беруть участь в утворенні чотирьох водневих зв'язків і структура води наближається до структури льоду.

На рис. 2 наведено температурні зміни в спектрах 1Н ЯМР води для її сумішей з CDCl3/DMSO-D6 (2,7:1), при концентрації води 6 мас%.

Рис. 2. Температурні зміни в спектрах 1Н ЯМР води в суміші CDCl3/DMSO-D6 при концентрації води 6%.

В спектрах реєструються три основні сигнали протонів з хімічними зсувами 2, 2,8ч3,8 і 4,5 м.ч. (сигнали 1-3, відповідно). Перший з цих сигналів відноситься до сигналів непродейтерованої частини метильних CH3-груп ДМСО. Два останніх сигнали є сигналами води. Сигнал 2 за величиною хімічного зсуву близький до сигналу води, розчиненої в ДМСО (сигнал водневозв'язаних комплексів НОН…ОS(CD3)2 (ASW). Його спектральні характеристики складним чином залежать від температури. За хімічним зсувом сигнал 3 може бути віднесений до сильноасоційованої води (SAW, молекули якої беруть участь в утворенні більше двох водневих зв'язків). Його інтенсивність зростає із зростанням концентрації води в зразках.

Таким чином, в сумішах CDCl3/DMSO-D6, при зниженні температури, відбувається зменшення концентрації ASW і (або) SAW. Процеси, що мають місце в заморожених розчинах, можуть бути представлені наступною схемою, в якій кожен тип комплексів додатково сольватований молекулами органічних компонентів розчину:

ASW SAW

Відповідно до даних, наведених на рис. 2, для зразка, що містить 6,2 % мас води, із зменшенням температури відбувається зворотній перехід комплексів І(ІІ) > ІІІ.

Отже, у бінарних сумішах полярного і неполярного органічних розчинників вода може входити не тільки до складу водневозв'язаних комплексів з електронодонорним центром полярної органічної молекули, але і утворювати нанорозмірні кластери сильноасоційованої води, що існують у вигляді дисперсної фази.

Розділ 4. Водно-органічні суміші в пористих адсорбентах. Досліджено перерозподіл компонентів розчину або суміші речовин між порами різного розміру у вуглецевих та кремнеземних адсорбентах.

Використовувалося синтетичне активоване вугілля (АВ) С-47, одержане карбонізацією фенол-формальдегідної смоли, ізотерма адсорбції азоту та розрахований по ній розподіл за розмірами пор представлено на рис. 3. Для нього SBET = 1648 м2/г, сумарний об'єм пор Vp = 1,876 см3/г, об'єми мікро-, мезо і макропор складали 0,742, 0,753 і 0,382 см3/г, відповідно.



Рис. 3. Ізотерма адсорбції азоту (а) та РПР (б) для АВ С-47.

При повному заповненні пор адсорбента водою, в 1Н ЯМР-спектрах можна окремо спостерігати чотири сигнали води (рис. 4, а). Найбільш інтенсивний (сигнал 1), з хімічним зсувом протонів Н = 5 м.ч., відноситься до об'ємної води, що знаходиться поза гранулами адсорбенту або в найбільш широких порах. З пониженням температури цей сигнал зникає при Т < 271 K. Сигнал з Н = 3 м.ч. (сигнал 2), який присутній в спектрах при Т = 271 K, слід віднести до води у відносно крупних (транспортних) порах, поверхня яких слабо впливає на температуру замерзання води. Вода, що знаходиться в щілиноподібних порах при T > 250 K, проявляється в спектрах у вигляді двох сигналів з Н = 0 м.ч. (сигнал 3) та Н = -1 ч -2 м.ч. (сигнал 4). При нижчих температурах в спектрах реєструється тільки один сигнал, хімічний зсув якого зі зниженням температури зміщується в область слабших магнітних полів. Оскільки величина екрануючого ефекту кільцевих струмів тим більша, чим менша відстань між стінками щілиноподібних пор, сигнали 3 і 4 можуть бути віднесені до води, що знаходиться в мікропорах, з дещо різною міжплощинною відстанню, або в мікропорах і вузьких мезопорах. На рис. 4, б наведено залежність Cuw(T) для пор різного розміру.



Рис. 4. Спектри 1Н ЯМР води (1,3 г/г) в порах АВ С-47 (а) та кількість незамерзаючої води (б) при різних температурах.

Присутність хлороформу повністю змінює характер спектрів адсорбованої води (рис. 5). Вода спостерігається в спектрах у вигляді одиничного сигналу, причому основна частина води реєструється у вигляді сигналу з Н ? 5 м.ч., що близько до хім. зсуву рідкої води. При T < 273 K, інтенсивність сигналу швидко зменшується і він перестає спостерігатися в спектрах при T < 271 K. Отже, хлороформ різко зменшує взаємодію води з поверхнею АВ і заміщає значну частину води в мікро- і мезопорах адсорбента.

Рис. 5. Спектри 1Н ЯМР води і хлороформу при їх спільній адсорбції на поверхні С-47: 0,7 г/г Н2О і 0,8 г/г CDCl3



Складніша закономірність зміни спектральних характеристик сигналів протонів спостерігається для суміші води з сильним електронодонором - ДМСО. В умовах часткового заповнення пор при СН2О/СДМСО = 2,7:1 моль/моль (рис. 6), в спектрах окремо реєструються сигнали води, яка адсорбована в мезо- та мікропорах, при цьому, більша частина води локалізована в мезопорах, де, ймовірно, утворює стабільні кластери вода-ДМСО.

Рис. 6. Спільна адсорбція води і ДМСО-D6 в порах АВ С-47: при малому заповненні пор (10 % Н2О) і СН2О/С(CD3)2SO = 2,7:1 моль/моль.

Проведені дослідження показують, що для АВ, яке характеризується приблизно однаковим об'ємом мікро- і мезопор, в залежності від типу вибраного адсорбату або їх суміші, в порах формуються кластери, структура яких залежить від типу адсорбатів, співвідношення їх концентрацій і температури. В ізобаричних умовах зниження температури в багатьох системах стабілізує формування водно-органічних кластерів в мезопорах, завдяки чому відбувається перерозподіл речовин між мікро- і мезопорами. Слабополярні адсорбати (метан, хлороформ, бензол) здатні витісняти воду із мікропор в пори більшого діаметру або (при наявності об'ємної органічної фази) на зовнішню поверхню зерен адсорбенту. ДМСО і вода утворюють розчини як в мікро- так і в мезопорах, однак при наявності в порах вільного простору, 70 % речовин адсорбатів локалізовані саме в мезопорах, що підтверджує можливість формування кластерів сильноасоційованої води (SAW) з ДМСО.

Рис. 7. Розподіл пор за розмірами для кремнезему Gasil 200 DF, отриманого на основі ізотерм адсорбції азоту (a) та спектри 1Н ЯМР води, що адсорбована на кремнеземі 200 DF, зняті при різних температурах в діапазоні 200-280 К у зразку з вмістом води 0,15 г/г (б).

На рис. 7 наведено результати дослідження мезопористого кремнезему Gasil 200 DF (Vp = 0,34 см3/г, питома поверхня SБЭТ = 540 м2/г,), розподіл за розмірами пор якого представлено на рис. 7, а. Вода, адсорбована на кремнеземі в кількості 0,15 г/г (відносно маси сухого кремнезему,) спостерігається у вигляді одиничного широкого сигналу з хімічним зсувом протонів (дН) в діапазоні 4-6,5 м.ч. (рис. 7, б).

Рис. 8. Зміна концентрації сильноасоційованої води при додаванні органічної компоненти відносно вихідного зразка, при гідратованості (h) зразка = 0,05 г/г (а); 0,15 г/г (б).

Зі зниженням температури ширина сигналу збільшується внаслідок зменшення молекулярної рухливості зв'язаної води. Зменшення інтенсивності сигналу з пониженням температури обумовлене замерзанням адсорбованої води і реєструється при 260-230 К. Отже, вода, адсорбована на кремнеземі 200 DF без додавання органічного компонента, є сильноасоційованою і сильнозв'язаною (замерзає при температурі T < 250 K). При ко-адсорбції води і органічних речовин, взаємодія води з поверхнею істотно змінюється (рис. 8).

Рис. 9. Вплив органічних речовин на розподіл кластерів води за розмірами в кремнеземі Gasil 200 DF.

Слабополярний хлороформ зменшує взаємодію адсорбованої води з поверхнею, та витісняє її в пори більшого розміру. Сильнополярні речовини (ДМСО) з більшими молекулярними розмірами, ніж у Н2О, стабілізують адсорбцію молекул води у вузьких мікропорах, в які молекули органічної сполуки проникнути не можуть, або утворюють змішані структури в широких мезопорах (рис. 9).

Розділ 5. Структура води та водно-органічних сумішей в біологічних об'єктах. Вода в слабогідратованих (ліофілізованих) дріжджових клітинах присутня в незвичайному, слабоасоційованому стані, який характеризується хімічним зсувом протонного резонансу H 1-2 м.ч. Значна частина цієї води слабко зв'язана з внутріклітинними функціональними групами (G > 0,5 кДж/моль) і замерзає при температурі в діапазоні 270-250 K (рис. 10).

Рис. 10. 1H ЯМР спектри води в дріжджових клітинах, що містять 7 % адсорбованої води, зняті при різних температурах.

Становило інтерес вивчення поведінки водних структур в дріжджових клітинах в залежності від присутності органічних розчинників з різними гідрофобно-гідрофільними характеристиками. Додавання до системи дріжджові клітини-вода слабополярних речовин (CCl4) призводить до появи в спектрах двох окремих сигналів слабо- та сильноасоційованої води (рис. 11, а). Аналогічно тому, як це спостерігається в пористих матеріалах, в клітинах має місце структурна і енергетична диференціація внутріклітинної води, що відображається в першу чергу на параметрах її зв'язування з структурними елементами біомакромолекул (рис. 11, б). В присутності неполярних (CCl4 і бензол) речовин, частина слабкозв'язаної води стає сильнозв'язаною (G < 0,5 кДж/моль) і повністю не замерзає навіть при 220 К (рис. 11, а,б).



Рис. 11. Зняті при різних температурах 1Н ЯМР спектри води в дріжджових клітинах, що містять 17 % води в середовищі слабополярної речовини - CCl4 (а) та зміна диференціальної енергії Гіббса незамерзаючої води при додаванні органічних розчинників (б).

Рушійною силою самоорганізації є намагання системи досягнути мінімуму вільної енергії. При цьому органічні розчинники можуть витісняти частину води в пори більшого розміру, де легко утворюються структури слабкозв'язаної та сильноасоційованої води (нанокраплі, нано- або мікродомени), або в дуже вузькі пори з гідрофобно/гідрофільними стінками, в яких вода знаходиться в сильнозв'язаному та слабоасоційованому стані і взаємодіє переважно з гідрофільними ділянками стінок, в той час як неполярні органічні розчинники взаємодіють переважно з гідрофобними ділянками. На рис. 12, а наведено розподіл за розмірами кластерів води в дріжджових клітинах і вплив на нього слабополярних органічних розчинників.



Рис. 12. Розподіл кластерів незамерзаючої води за розмірами в дріжджових клітинах, що містять 17 % води з додаванням слабополярних (а) та полярних (б) розчинників.

Полярні органічні розчинники (ацетонітрил, ацетон, ДМСО) мають високу електронодонорну здатність і в об'ємі характеризуються необмеженим змішуванням з водою у всьому діапазоні температур і концентрацій. Розчинена в них вода (ASW), має хімічний зсув H 2,-3,0 м.ч. Однак, у внутрішньоклітинному просторі сигнал ASW спостерігається на фоні значно більш інтенсивного сигналу SAW (рис. 13), тобто проявляється ефект слабкої розчинності органічних речовин у внутрішньоклітинній воді, що може бути обумовлено переходом води в кластерний стан з іншими фізико-хімічними властивостями.

Ймовірно, взаємодія кластерів SAW з електронодонорними молекулами відбувається переважно за рахунок формування водневозв'язаних комплексів з периферійними молекулами води. Оскільки розмір таких кластерів достатньо великий, термодинамічно вигідною стає їх локалізація в порожнинах, що за розмірами відповідають не мікро- а мезопорам (рис. 12, б).

При дослідженні частково дегідратованих клітин кісткового мозку курки були отримані схожі результати, однак, на відміну від висушених дріжджових клітин, додавання слабополярного (хлороформ), слабоелектронодонорного (ацетонітрил) або сильнополярного (ДМСО) органічних розчинників сильніше стабілізує слабоасоційовані форми внутріклітинної води.

Рис. 13. 1H ЯМР спектри води (17 %) в дріжджових клітинах при додаванні (CD3)2CO (а) і (CD3)2SO (б) в кількості 10 % від маси зразку, при різних температурах.

Таким чином, методом низькотемпературної 1Н ЯМР спектроскопії в частково дегідратованих біологічних об'єктах можуть бути зареєстровані чотири типи внутрішньоклітинної води: слабо- (G > 0,5 кДж/моль) і сильнозв'язана (G < 0,5 кДж/моль) вода і слабо- (H = 1,2-1,7 м.ч.) і сильноасоційована (H = 4-5 м.ч.). Формування малих водних структур внутріклітинної води або водно-органічних сумішей в клітинах обумовлене впливом на водні структури обмеженого простору внутріклітинних порожнин, стінки яких сформовані макромолекулами з різними гідрофобно/гідрофільними властивостями, що по різному взаємодіють з водою і органічними молекулами. Тому домішки органічних розчинників призводять до структурної (зміна величини H) і енергетичної (зміна G) диференціації внутріклітинної води.

Шляхом підбору компонентів суміші слабополярного та полярного органічних розчинників було розроблено спосіб диференціації водних структур в однотипних, але різних за морфологією клітинах інтактної печінки та клітинах печінки з карциномою Герена, у яких спостерігались різні гідрофобно-гідрофільні властивості внутрішньоклітинного простору. Було здійснено пошук такого середовища, яке б спричиняло диференційований вплив на зв'язану воду в здоровій (Int) і раковій (Canc) тканинах. Отримані системи оптимізувалися за вмістом води і концентрацією органічних компонентів. Виявилось, що найкращий результат отримано з використанням сумішей CDCl3/CD3CN і CDCl3/(CD3)2SO (рис. 14).

У спектрах реєструються три основні сигнали: SAW (Н ? 5 м.ч.), WAW (Н ? 1 м.ч.) і ASW (Н ? 2-3,5 м.ч.). Диференціюючий вплив суміші на основі CD3CN обумовлений її впливом на співвідношення концентрацій SAW та ASW, яке для клітин з карциномою зсунуто в бік SAW (рис. 14 а,б). У випадку розчинів на основі ДМСО (рис. 14 в,г) диференціюючий ефект зумовлений різницею в швидкості молекулярного обміну між SAW та ASW. Для зразка Сanc у широкому діапазоні температур обмін між молекулами води, що входить до складу кластерів SAW і ASW, на відміну від зразка Int, залишається швидким в широкому температурному інтервалі і уповільнюється тільки при T < 230 K. Отже, для сумішей хлороформу з електронодонорними розчинниками (ДМСО, ацетонітрил) є вузький діапазон співвідношення концентрацій води і органічних компонентів, в якому спектри інтактної і ракової тканин істотно розрізняються.



Рис. 14. Спектри води в системах, що містять ліофілізований гомогенізат клітин печінки щурів, здорового (а,в) і з карциномою Герена (б,г), в присутності суміші органічних розчинників: CDCl3+CD3CN (а,б) та CDCl3+(CD3)2SO (в,г), вміст води 13 мас%.

Оскільки ДМСО та деякі слабополярні вуглеводні спричиняють, як було показано вище, перехід сильноасоційованої внутрішньоклітинної води в слабоасоційований стан, можна припустити, що саме цей ефект лежить в основі механізмів проникнення лікарських препаратів крізь шкірні покриви. Тоді пошук гетерогенних систем, що максимально стимулюють ефекти трансдермального переносу, може бути здійснено шляхом виявлення сумішей, що стабілізують слабоасоційовані форми води як в клітинах, так і в субстанції, що містить лікарський препарат. Ця субстанція може мати гелеподібну форму на основі високодисперних мінеральних та біополімерних речовин. Зокрема було створено гель з використанням певного співвідношення концентрацій у механоактивованій суміші крохмалю з високодисперсним кремнеземом (дисперсна фаза), води і суміші полярного (ДМСО) і слабополярного (хлороформ) розчинників (дисперсне середовище), який добре розчиняє більшість класів лікарських препаратів. Виявилось, що структура води в ньому аналогічна структурі води в частково дегідратованих модельних клітинних матеріалах (гомогенат печінки, клітини кісткового мозку). Як модельний лікарський засіб був вибраний кверцетин - поліфенол природного походження, погано розчинний у воді, що входить до складу низки медичних препаратів.

Приклад конструювання модельної гелеподібної суміші для трансдермального застосування лікарських речовин на основі крохмалю і високодисперсного кремнезему наведений на рис. 15, а. При цьому за критерій оптимального складу композиту вважали максимальну кластеризацію міжфазної води (одночасну реєстрацію SAW, ASW та WAW в спектрах 1Н ЯМР, рис. 15, б) і наявність максимальної кількості кластерів слабоасоційованої води.

Рис. 15. Зміна хім. зсуву міжфазної води в процесі конструювання модельного гелю для трансдермального перенесення лікарських засобів при 280 К (а) і температурні зміни в спектрах 1Н ЯМР води (б), яка входить до складу композиту на основі суміші крохмалю з кремнеземом, що містять 5 % мас кверцетину в середовищі CDCl3/DMSO (3:1).

Такою системою виявилась композитна система, що містить 1 масову частину SiO2 та 20 частин крохмалю (дисперсна фаза) та суміш 3:1 CDCl3/DMSO (дисперсне середовище). Присутні в гелі гідрофобні лікарські препарати (наприклад, кверцетин) переходять в розчин, про що свідчить поява піку кверцетину в 1Н ЯМР спектрах води даного композиту (слабоінтенсивні сигнали на рис. 15, б).



ВИСНОВКИ

Виявлено, що в гетерогенних системах, які характеризуються наявністю нанорозмірних порожнин, заповнених водою (заморожені водні розчини, внутрішній простір мезо- та мікропористих адсорбентів, проміжки між структурними елементами частково дегідратованих біооб'єктів), вода проявляє кластерну природу, яка визначає здатність до утворення розчинів з полярними та неполярними речовинами, перерозподілу компонентів розчину між мезо- та мікропорами, структурної та енергетичної диференціації води.

Показано, що при заморожуванні бінарних розчинів вода-ДМСО, окрім льоду та розчину ДМСО у воді, де молекули ДМСО знаходяться в стані комплексів НО-Н…OS(CH3)2, як окрема фаза присутні кластерні структури сильноасоційованої води, що можуть спостерігатись в спектрах 1Н ЯМР у вигляді окремого сигналу з хімічним зсувом 4,5-6 м.ч.

Встановлено, що в потрійних сумішах полярного і неполярного органічних розчинників вода утворює складну кластеризовану систему, яка містить сольватовані кластери розчиненої води, кластери сильно- та слабоасоційованої води, між якими існує термодинамічна рівновага, причому зниження температури стабілізує кластери сильноасоційованої води.

На прикладі активованого вугілля з близьким об'ємом мікро- і мезопор та їх фіксованого заповнення адсорбатами встановлено, що водно-органічні кластери переважно формуються в мезопорах. При цьому під впливом органічної компоненти вода переміщується із мікропор в пори більшого розміру. Цей ефект зменшується в ряду CDCl3 > CD3CN > (CD3)2CO > (CD3)2SO, тобто із збільшенням полярності органічних молекул.

Для дегідратованих клітин знайдений ефект структурної та енергетичної диференціації внутрішньоклітинної води, яка здійснюється під впливом органічних речовин і проявляється у вигляді одночасного існування кількох типів кластерів вода-органічні розчинники. Для дріжджових клітин слабополярні речовини (CCl4, CDCl3) стабілізують просторове розділенння кластерів слабо- та сильноасоційованої води, а полярні (CD3CN, (CD3)2SO) крім того, кластери водно-органічних сумішей. В клітинній масі кісткового мозку органічні речовини сприяють переходу води із сильноасоційованого в слабоасоційований стан.

Шляхом підбору компонентів суміші двох органічних розчинників розроблено спосіб диференціації водних структур в інтактних та з карциномою Герена клітинах печінки, який базується на різних гідрофобно-гідрофільних властивостях здорової та патологічної тканин.

На основі механоактивованої суміші крохмалю з високодисперсним кремнеземом (дисперсне середовище), води і суміші полярного (ДМСО) і слабополярного (хлороформ) розчинників (дисперсна фаза), сконструйований модельний гель, який добре розчиняє більшість класів лікарських препаратів, що дозволяє розраховувати на ефективність використання подібних комбінацій для їх трансдермального введення.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Структурная и энергетическая дифференциация воды в частично обезвоженных клетках Saccharomyces cerevisiae под влиянием органических растворителей / В.В. Туров, В.М. Гунько, П.П. Горбик, С.В. Керусь // Химия, физика и технология поверхности: Межвед. сб. научных тр. - К.: Наукова думка, 2007. - Вып.13. - С.253-264.

Здобувачем проведено основний обсяг експериментальних досліджень із використанням методу ЯМР-спектроскопії, здійснено математичну обробку спектральної інформації та систематизовано одержані результати.

2. Characteristics of adsorption phase with water/organic mixtures at a surface of activated carbons possessing intraparticle and textural porosities / V.M. Gun'ko, V.V. Turov, O.P. Kozynchenko, D. Palijczuk, R. Szmigielski, S.V. Kerus, M.V. Borysenko, E.M. Pakhlov, P.P. Gorbik // Applied Surface Science. - 2008. - V. 254. - P. 3220-3231.

Здобувачем здійснено математичну обробку спектральної інформації.

3. Kerus S.V. Behaviour of water bound in bone marrow cells affected by organic solvents of different polarity / V.V. Turov, S.V. Kerus, V.M. Gun'ko // Cryobiology. - 2009. - V. 59. - № 1. - P. 102-112.

Здобувачем сплановано і проведено основний обсяг експериментальних досліджень, виділено та підготовлено до експерименту біологічні об'єкти (клітини кісткового мозку курки), здійснено математичну обробку спектральної інформації.

4. Совместная адсорбция воды и органических веществ в порах кремнезема GASIL 200DF / В.В. Туров, В.М. Гунько, С.В. Керусь, Дж. Блиц // Химия, физика и технология поверхности: Химия, физика и технология поверхности: Межвед. сб. научных тр. - К.: Наукова думка, 2009. - Вып. 15. - С.119-129.

Здобувачем здійснено математичну обробку спектральної інформації.

5. Нанохимия в разработке новых средств трансдермального введения лекарственных препаратов / В.В. Туров, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, С.В. Керусь, О.А. Буряк, В.Ф. Чехун // ДАН Украины. - 2010. - №7. - C. 180-187.

Здобувачем виділено та підготовлено до експерименту біологічні об'єкти (клітини кісткового мозку, печінкову тканину), приготував композити на основі суміші крохмалю з кремнеземом А-300 , провів адсорбцію кверцетину методом імпрегнування крохмалю водно-спиртовим розчином кверцетину.

6. Кластероутворення води в ліофілізованому гомогенаті тканини печінки інтактних та щурів з карциномою Герена / В.В. Туров, С.В. Керусь, С.В. Чехун, І.М. Тодор, В.Ф. Чехун // Медична хімія. - 2010. - T. 12. - № 4. - С. 32-41.

Здобувачем виділено та підготовлено до експерименту біологічні об'єкти (печінкову тканину), здійснено математичну обробку спектральної інформації, систематизовано одержані результати.

Влияние органических растворителей на структуру и энергетические свойства воды в частично обезвоженных клетках Saccharomyces сerevisiae /

С.В. Керусь, В.В. Туров, В.М. Гунько, П.П. Горбик // VII Ежегодная международная молодежная конференция ИБХФ РАН- ВУЗЫ «Биохимическая физика» - 12-14 ноября, 2007. - Москва. - С. 149.

7. Керусь С.В. Вплив органічних розчинників на стан води в клітинах кісткового мозку / В.В. Туров, В.М.Гунько, С.В. Керусь // Всеукраїнська конференція з міжнародною участю, присвячена 90-річчю Національної академії наук України - 28-30 травня, 2008. - Київ. - С. 156-157.

8. Керусь С.В. Кластерний стан води в складних біополімерних композитах, що містять органічні розчинники / С.В. Керусь, С.В. Чехун, В.В. Туров // Дванадцята наукова конференція “Львівські хімічні читання - 2009” - 1-4 червня, 2009. - Львів.



АНОТАЦІЯ

Керусь С.В. Самоорганізація водно-органічних систем в розчинах, пористих матеріалах та біологічних об'єктах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. - Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України. - Київ, 2010.

Дисертацію присвячено дослідженню методом 1Н ЯМР спектроскопії закономірностей формування надмолекулярних структур за участю води і органічних молекул в обмеженому просторі пор твердих адсорбентів та внутрішньому просторі частково дегідратованих біологічних об'єктів; створенню модельного гелю на основі високодисперсного кремнезему і біополімерів, придатного для трансдермального введення фармпрепаратів. Виявлено, що в гетерогенних системах вода проявляє кластерну природу, яка визначає здатність до утворення розчинів з полярними та неполярними речовинами, перерозподілу компонентів розчину між мезо- та мікропорами, структурної та енергетичної диференціації води. При заморожуванні бінарних розчинів вода-ДМСО як окрема фаза присутні кластерні структури сильноасоційованої води з хімічним зсувом 4,5-6 м.ч. Встановлено, що в потрійних сумішах полярного і неполярного органічних розчинників вода утворює складну кластеризовану систему, яка містить сольватовані кластери розчиненої води, кластерів сильно- та слабоасоційованої води між якими існує термодинамічна рівновага. На прикладі активованого вугілля з близьким об'ємом мікро- і мезопор та їх фіксованого заповнення адсорбатами, показано, що водно-органічні кластери переважно формуються в мезопорах. Шляхом підбору компонентів суміші двох органічних розчинників розроблено спосіб диференціації водних структур в інтактних та з карциномою Герена клітинах печінки, який базується на різних гідрофобно-гідрофільних властивостях здорової та патологічної тканин. Сконструйовано модельний гель, в якому кластерний стан води подібний до стану внутрішньоклітинної води, що може сприяти кращому розчиненню більшості класів лікарських препаратів.

Ключові слова: 1Н ЯМР спектроскопія, кластери води, хімічний зсув, незамерзаюча вода.



АННОТАЦИЯ

Керусь С.В. Самоорганизация водно-органических систем в растворах, пористых материалах и биологических объектах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности. - Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины. - Киев, 2010.

Диссертация посвящена исследованию методом 1Н ЯМР спектроскопии закономерностей формирования водно-органических супрамолекулярных структур в пористых адсорбентах и частично дегидратированных биологических объектах. Установлено, что при замораживании бинарных растворов вода-ДМСО в виде отдельной фазы присутствуют кластерные структуры сильноассоциированной воды с химическим сдвигом 4,5-6 м.д. На примере активированного угля, с близким объемом микро- и мезопор и их фиксированного заполнения адсорбатами, показано, что водно-органические кластеры преимущественно формируются в мезопорах. Путем подбора компонентов смеси двух органических растворителей разработан способ дифференциации водных структур в интактных клетках печени и с карциномой Герена. Сконструирован модельний гель, в котором кластерное состояние воды подобно состоянию внутриклеточной воде, что позволяет рассчитывать на эффективность использования сходных комбинаций для их трансдермального введения.

Ключевые слова: 1Н ЯМР спектроскопия, кластеры воды, химический сдвиг, незамерзающая вода.



SUMMARY

Kerus S.V. Self-organization of water organic systems in solutions, porous materials and biological objects. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of Candidate of Science in Chemistry in speciality 01.04.18. - Physics and Chemistry of Surface - O.O Chuiko Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine. - Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to pecularaties of water organic strucrures formation in porous adsorbents and partially dehydrated bioobjects by 1Н NMR spectroscopy method. It was established that there were cluster structures of strongly associated water as particular phase with chemical shift 4,5-6 ppm while freezing water-DMSO solutions. By the example of activated carbon with similar volume of micro- and mesopores and their fixed adsorbat filling it was shown that water-organic clusters were formed mainly in mesopores. Method of water structures differentiation in intact and infected Guerin's carcinoma liver cells was developed using certain proportion in mixture of two organic solvents. Model gel, perspective for transdermal applications with water cluster state similar to endocellular one was designed.

Key words: 1H NMR spectroscopy, water cluster, chemical shift, nonfreezable water.

Размещено на Allbest.ru

...