ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 4, с. 419-426
КОМПОЗИТЫ
УДК 541.64:547.995:546.722
РОЛЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО И СТЕРИЧЕСКОГО МЕХАНИЗМОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ХИТОЗАНОМ ЗОЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ
ОКСИДА ЖЕЛЕЗА1 © 2014 г. И. С. Тюкова, А. П. Сафронов, А. П. Котельникова, Д. Ю. Агалакова
Уральский федеральный университет 620002 Екатеринбург, пр. Мира, 19 Поступила в редакцию 09.07.2013 г.
Принята в печать 17.01.2014 г.
Методами динамического и электрофоретического светорассеяния исследован процесс стабилизации хитозаном (М = 12 х 104 и 44 х 104, степень деацетилирования 65 и 70%) золей наночастиц оксида железа в диапазоне рН 1.8—6.5 и концентрации №С1 до 1 моль/л. Дисперсную фазу золей составлял нанопорошок сферических деагрегированных наночастиц оксида железа со средневзвешенным размером 14 нм, полученный методом лазерного испарения. Показано, что в кислой среде хитозан эффективно стабилизирует золь оксида железа по электростатическому механизму, обеспечивая электрокинетический потенциал +30 мВ. При последующей деионизации хитозана эффективность стабилизации значительно повышается за счет стерической стабилизации вплоть до концентрации электролита 1 моль/л. Последовательное проявление электростатической и стерической стабилизации макромолекулами хитозана капсулирует наночастицы внутри его клубков. Отмечен новый эффект самопроизвольного деагрегирования таких наночастиц при хранении золей с характерным временем около 5 суток.
Б01: 10.7868/82308112014040178
ВВЕДЕНИЕ
Биосовместимость магнитных наночастиц оксида железа делает возможным их применение в различных областях медицины при условии сохранения высокого уровня дисперсности в условиях водной нейтральной среды с высокой ионной силой, которая реализуется в живых организмах [1—3]. Стабилизация частиц осуществляется либо формированием на их поверхности двойного электрического слоя введением в золь низкомолекулярных электролитов (электростатический механизм), либо адсорбцией на поверхности частиц низкомолекулярных ПАВ или полимер -ных стабилизаторов (стерический механизм). При использовании в качестве стабилизаторов ионогенных ПАВ или полиэлектролитов оба механизма стабилизации реализуются одновременно [4].
В качестве электростерического стабилизатора широко используют полимер природного происхождения — хитозан; наличие в его элементарном звене амино- и гидроксильных групп обеспечива-
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке проектов фундаментальных исследований Уральского отделения Российской академии наук и грантов Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов 1303-96068 и 13-08-01050).
E-mail: Irina.Tyucova@usu.ru (Тюкова Ирина Степановна).
ет специфическое взаимодействие макромолекул хитозана с поверхностью оксида железа и стабилизацию суспензий при небольших концентрациях полимера [5, 6].
Вопросам получения стабилизированных хи-тозаном магнитных наночастиц оксида железа и изучения их свойств посвящен ряд публикаций последних лет [7—16]. Исследование свойств таких систем в большинстве работ осуществляется стандартным набором методов: ИК-фурье- спектроскопией, рентгенографией, различными вариантами электронной микроскопии, динамического светорассеяния, ТГА и ДСК. Обязательным этапом исследования является оценка уровня магнитных характеристик модифицированных наночастиц по сравнению с исходными. Всеми авторами отмечается сохранение свойства суперпарамагнетизма, при этом величина намагниченности насыщения, как правило, значительно понижается, однако остается достаточной для использования магнитных свойств частиц в биотехнологии и медицине.
Модификация хитозаном наночастиц оксида железа обеспечивает уменьшение возможного токсичного воздействия магнитной фазы и повышение ее устойчивости, что создает возможность иммобилизации на ее поверхности лекарственных препаратов [9, 11, 12, 17].
Pn, %
Рис. 1. Электронная микрофотография наночастиц оксида железа и числовое распределение частиц Рп по размерам (вставка).
В то же время представленные в литературе данные в основном носят выраженный прикладной характер: описывается методика приготовления и модификации наночастиц и проводится характеристика их дисперсности и свойств в выделенном из суспензии виде. При этом в стороне остаются принципиальные вопросы динамики формирования модифицирующих слоев хитозана на поверхности частиц, влияния на этот процесс кислотности и состава дисперсионной среды. Практически не привлекаются к рассмотрению многочисленные экспериментальные данные о структуре разбавленных растворов хитозана, об изменении конформационного состояния макромолекул, обусловленного их ионизацией и де-иоизацией. Не проводится анализ дисперсности частиц в нейтральных средах с достаточно высокими значениями ионной силы, т.е. в условиях, характерных для живых организмов. Между тем, хорошо известно, что поведение термодинамически неравновесных коллоидных суспензий существенным образом зависит от предыстории и деталей их получения.
Цель настоящей работы — проследить влияние рН среды и концентрации низкомолекулярного электролита на процесс стабилизации золей оксида железа растворами хитозана с учетом его полиэлектролитной природы, особенностей кон-формационного поведения и агрегирования макромолекул и оценить относительную роль электростатического и стерического факторов стабилизации в таких золях.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Нанопорошок оксида железа получен в лаборатории импульсных процессов института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук методом лазерного испарения a-Fe2O3 (ч.д.а.) в воздушной атмосфере [18, 19]. Форма частиц оксида железа — сферическая (рис. 1).
Распределение частиц по размерам (рис. 1, вставка) имеет логнормальный вид. Средний диаметр частиц, полученный из данных рис.1, согласуется со средневзвешенным размером сферических частиц, рассчитанным по уравнению [20]
dw (р — плотность оксида железа, Ssp —
PSsp
удельная поверхность порошка, найденная низкотемпературной сорбцией азота по методу БЭТ, 93 м2/г) и равным 14 нм.
Химический состав порошка был определен окислительно-восстановительным титрованием и анализом межплоскостных расстояний в РФА-дифрактограммах. Он соответствует формуле Fe270O4, которая близка к маггемиту.
В работе использовали два образца хитозана промышленного производства (Россия): ХЗ-1 с М = 44 х 104 , степенью деацетилирования 70.4% и ХЗ-2 с М = 12 х 104 , степенью деацетилирования 65.0%. Выбор полимеров с невысокой степенью замещения обусловлен их лучшей растворимостью в средах со значениями рН, близкими к нейтральным [21]. Растворы 0.02 М HCl и стандартный фосфатный буфер готовили из фиксана-ла, реагенты цитрат натрия, NaOH и NaCl имели квалификацию ч.д.а.
Золь нанопорошка оксида железа получали диспергированием в водном растворе цитрата натрия (5 ммоль/л) на УЗ-процессоре активаторно-го типа Cole-Palmer CPX 750 в течение 15 мин в импульсном режиме, мощность 300 Вт [22]. Диспергированный золь центрифугировали для удаления не разрушенных агрегатов. Распределение размеров частиц, найденное по интенсивности светорассеяния в золе, хорошо совпало с распределением, полученным из данных микроскопии (рис. 1). Золь был стабилен в течение нескольких месяцев, его электрокинетический потенциал Z составлял —30.0 мВ. Концентрацию золя определяли методом сухого остатка.
В работе изучали растворы хитозана концентрации 0.020—0.035 г/л в 0.02 М соляной кислоте, для приготовления которых использовали де-ионизованную воду; рН растворов хитозана изменяли добавлением 0.1 M раствора NaOH, стандартизированного методом титрования, а также добавлением стандартного фосфатного буфера с рН 6.86. В качестве инертного электролита использовали NaCl с концентрацией от 0.1 до
2.0 моль/л. Растворы хитозана и низкомолекулярных веществ фильтровали через полипропиленовые мембранные фильтры с размером пор 0.1 мкм.
Золи заданного состава получали смешением определенных объемов раствора хитозана в 0.02 М НС1 и стабилизированного цитратом натрия золя наночастиц оксида железа. Систему выдерживали в течение 1 ч, затем добавляли фосфатный буфер или раствор щелочи для достижения необходимой величины рН. Концентрация хитозана в золях составляла либо 0.020, либо 0.035 г/л, концентрация наночастиц во всех исследованных системах была равна 0.1 г/л.
Удельную поверхность нанопорошков находили методом БЭТ по низкотемпературной равновесной сорбции паров азота из смеси с гелием на вакуумной сорбционной установке Micromeritics TriStar 3000. Электронно-микроскопические фотографии наноразмерного порошка оксида железа получали на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM2100. Средний размер и распределение частиц по размерам для сухих порошков рассчитывали методом оптического анализа микрофотографий, полученных с использованием просвечивающего электронного микроскопа.
Для определения размеров частиц и макромолекул хитозана и электрокинетического потенциала в водных суспензиях и растворах использовали методы динамического и электрофоретиче-ского рассеяния света с помощью анализатора "Brookhaven ZetaPlus", снабженного лазерным источником света с длиной волны 656 нм. Измерения вели под фиксированным углом 90° при температуре 25°C. Обработку получаемой автокорреляционной функции осуществляли интегрированным программным обеспечением прибора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Макромолекулы хитозана в исходном растворе в 0.02 М HCl представляют собой поликатионы, измеренное значение электрокинетического потенциала которых составило +50 мВ. Положительные значения электрокинетического потенциала несколько уменьшались при повышении рН раствора до значений 5.5, после чего резко понижались (рис. 2); это указывает на нейтрализацию положительно заряженных аминогрупп хи-тозана. Такое изменение электрокинетического потенциала при повышении рН хорошо согласуется с результатами работ, свидетельствующими об агрегации макромолекул хитозана в растворах при рН выше некоторого критического значения, ведущей к возрастанию гидродинамического радиуса, ^-среднего радиуса инерции и кажущейс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.