научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК БУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГИАЛУРОНАТА НАТРИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК БУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГИАЛУРОНАТА НАТРИЯ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 2, с. 206-212

РЕОЛОГИЯ

УДК 541.64:532.135:546.273

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК БУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГИАЛУРОНАТА НАТРИЯ

© 2014 г. С. А. Дубровский*, А. Н. Зеленецкий**, С. А. Успенский***, В. Н. Хабаров***

* Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук 119991 Москва, ул. Косыгина, 4 ** Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук 117393 Москва, Профсоюзная ул., 70 *** Автономная некоммерческая организация "Международный научно-исследовательский центр

инновационных технологий МАРТИНЕКС", 111123 Москва, ул. 2-я Владимирская, 12, корп. 3 Поступила в редакцию 05.07.2013 г. Принята в печать 11.10.2013 г.

Исследованы реологические свойства водных растворов гиалуроната натрия и влияние на них добавки буры. Показано, что при низких концентрациях гиалуронат натрия ведет себя как типичный линейный полиэлектролит в пределе высокой концентрации соли как в 0.1 М водном растворе NaCl, так и в бессолевом растворителе. Введение в раствор гиалуроната натрия одного моля буры на осново-моль полимера заметно понижает удельную вязкость раствора без добавленной соли и практически не изменяет вязкость раствора в 0.1 М NaCl. Вязкость полуразбавленного раствора гиалуроната натрия без добавленной соли уменьшается с ростом скорости сдвига, варьируемой в интервале 1.5—656 с-1. Повышение температуры понижает вязкость и несколько ослабляет ее зависимость от скорости сдвига. Добавление буры приводит к таким же результатам. Свойства бессолевых растворов объяснены наличием в них примесей низкомолекулярных ионов, которые экранируют кулоновское отталкивание зарядов, связанных с цепью гиалуроната натрия, а влияние буры — экранирующим действием ионов, образующихся в результате гидролиза буры.

DOI: 10.7868/S2308112014020047

ВВЕДЕНИЕ

Гиалуронат натрия — это натриевая соль гиалу-роновой кислоты, высокомолекулярного биополисахарида из класса гликозаминогликанов. Молекула гиалуроновой кислоты построена из регулярно чередующихся дисахаридных звеньев, состоящих из остатков Э-глюкуроновой кислоты и М-ацетил-Э-глюкозамина. Аминосахар в дисахаридных звеньях соединен с Э-глюкуроновой кислотой Р-1,4-гликозидной связью, а сами они соединены друг с другом Р-1,3-гликозидной связью [1]. Карбоксильные группы гиалуроновой кислоты придают ей полиэлектролитные свойства, так что в водном растворе она отрицательно заряжена, причем у макромолекулы в форме натриевой соли заряжены почти все дисахаридные звенья.

Реологические свойства растворов гиалурона-та натрия представляют интерес для развития представлений о многих биологических процес-

Е-шаП: sd@chph.ras.ru (Дубровский Сергей Александрович).

сах. Так, считается, что они определяют механические свойства синовиальной жидкости, и их исследование важно для понимания механизмов смазки и болезней суставов.

Реологическим свойствам растворов гиалуро-ната натрия посвящено значительное количество работ [2—10]. К настоящему времени установлено, что вязкость водных растворов этого полимера существенно зависит от скорости сдвига у [3, 5—10]. В широком интервале значений у она уменьшается с ростом скорости сдвига, однако при очень низких скоростях сдвига, зависящих от молекулярной массы и концентрации полимера, наблюдается ньютоновское поведение. Реология растворов гиалуроновой кислоты чрезвычайно чувствительна к наличию в растворе примесей белков, которые приводят к агрегации цепей полимера (образованию временных физических сшивок, т.е. геля) [3, 6]. Агрегация практически отсутствует в случае гиалуроновой кислоты из бактериальных источников и может быть значи-

тельной в случае гиалуроновои кислоты животного происхождения. Не содержащие белков растворы гиалуроната натрия в буферном солевом растворе, моделирующем физиологические условия, представляют собой вязкоупругие жидкости со свойствами, типичными для растворов линейных полиэлектролитов при высокой концентрации соли [6].

Введение буры в раствор гиалуроната натрия позволяет получить фармацевтические препараты, содержащие изотоп 10В, которые имеют хорошие перспективы применения в нейтронозахват-ной терапии опухолевых заболеваний [11]. Данные препараты представляют собой комплексные соединения, образующиеся в результате известной реакции связывания сахаров с боратом, широко используемой в аналитической химии бора и сахаров [12]. Существование комплексов гиалу-роновой кислоты с бурой подтверждается данными ИК-спектроскопии [11]. Такие комплексы устойчивы и обладают свойством накапливаться в пораженной клетке, обеспечивая высокую концентрацию 10В, что имеет решающее значение для нейтронозахватной терапии. Накапливание комплекса обусловлено тем, что пораженная клетка испытывает недостаток гиалуроновой кислоты и стремится его компенсировать. Указанные препараты применяются в виде растворов, вводимых с помощью шприца. Это определяет практическую важность исследования реологии растворов гиалуроната натрия с добавкой буры. С более общей точки зрения интерес представляет понимание механизма влияния буры на реологические свойства растворов гиалуроната натрия.

Реологические свойства полимерных растворов тесно связаны с конформацией полимерных цепей. В свою очередь конформация цепей определяется взаимодействиями их звеньев с растворителем (взаимодействиями исключенного объема) и электростатическими взаимодействиями в случае полиэлектролитов. Введение буры в раствор гиалуроната натрия изменяет ионный состав среды и, следовательно, радиус экранирования кулоновских взаимодействий. Это, естественно, должно приводить к изменению конформации макромолекул гиалуроната натрия и реологии раствора. Кроме того, на вязкость растворов может влиять образование комплексов между гиалу-ронатом натрия и бурой, которое может сопровождаться изменением конформации полимерных цепей и даже сшиванием макромолекул [12].

В настоящей работе исследовано влияние добавок буры на реологические свойства разбавленных и полуразбавленных растворов гиалуроната натрия в воде и водно-солевом растворителе. Цель работы — анализ факторов, ответственных за изменение вязкости раствора при добавлении в него буры.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гиалуронат натрия бактериального происхождения с молекулярной массой 1 х 106 ("Shiseido Co., Ltd Kakegawa Factory", Япония) использовали без дополнительной очистки.

Растворы гиалуроната натрия с концентрацией 0.5 и 2 об. % готовили прямым растворением полимера в растворителе — дистиллированной воде или 0.1 М водном растворе NaCl. Растворение проводили при интенсивном перемешивании в течение 2 часов за сутки до начала измерения вязкости. Растворы низкой концентрации приготавливали разбавлением 0.5 об. % раствора соответствующим растворителем непосредственно перед экспериментом. При расчете концентрации раствора учитывали равновесную влажность гиалуроната натрия (11 мас. %).

Буру вводили в 0.5% и 2%-ные растворы гиалу-роната натрия в количестве одного моля на осно-во-моль полимера. Содержащие буру разбавленные растворы гиалуроната натрия, как и растворы без буры, готовили разбавлением 0.5%-ного раствора полимера соответствующим растворителем.

Вязкость разбавленных растворов измеряли на вискозиметре Уббелоде с диаметром капилляра 0.54 мм при 25 ± 0.2°C. Время истечения растворителя составляло около 102 с.

Вязкость растворов с концентрацией 2 об. % определяли на ротационном вискозиметре "Rhe-otest-2.0" в ячейке цилиндр—цилиндр (R/r = 1.02) при температуре 25—60° C и скорости сдвига у = = 1.5-656 с-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Зависимость вязкости от концентрации полимера

На рис. 1. сопоставлены концентрационные зависимости удельной вязкости = (п — П^/П« где п и п — вязкость раствора и растворителя) для растворов гиалуроната натрия в воде (точки 1, 3) и водном растворе буры (точки 2, 4). Одна серия данных здесь (точки 1, 2) отвечает растворам в воде без добавок соли (бессолевой растворитель), а другая (точки 3, 4) — растворам в воде с добавкой 0.1 М №С1 (предел высокой концентрации соли, в котором концентрация ионов соли гораздо больше концентрации противоионов полимера). В пределе высокой концентрации соли полиэлектролиты (к которым относится гиалуронат натрия) подобны незаряженным полимерам в хорошем растворителе, поскольку электростатические взаимодействия в таких условиях экранируются, и их можно описать как исключенный объем [13]. Согласно скейлинговым предсказаниям [14], удельная вязкость полиэлектролита в этом пределе пропорциональна кон-

Пр 101 ь

100

п

sp

' c

1.07 ± 0.01

10-

10-

• 1

о 2 А 3

V 4

10

-3

......

10-

10

С, г/дл

(сплошная прямая линия), что хорошо согласуется со скейлинговым предсказанием. Такой же результат (п

sp

- c11 ± 0 2) был получен в работе [6] для образца гиалуроната натрия несколько большей молекулярной массы при определении вязкости, отвечающей нулевой скорости сдвига.

Для гиалуроната натрия в бессолевом растворителе мы находим nsp ~ c111 ± 0 07 при nsp < 1 и ns

~ c127 ±0 04 при nsp > 1. Эти зависимости гораздо сильнее, чем ожидаемые (nsp ~ c2/5 для разбавленного раствора и п^ ~ c1/2 для полуразбавленного раствора без зацеплений [14]). Экспериментальные данные согласуются с предсказанием для предела высокой концентрации соли (nsp ~ c и nsp ~ c5/4 соответственно), что указывает на экранирование электростатических взаимодействий.

Экранирование в данном случае обусловлено, вероятно, присутствующими в растворе примесями низкомолекулярных (солевых) ионов. Хотя их концентрация cs не должна быть большой, она, по-видимому, выше концентрации противоионов полимера (cs > fc/2, где f — доля звеньев полимера, несущих эффективный заряд). Это связано, с одной стороны, с тем, что исследованные растворы имели низкую концентрацию полимера c (от 2.3 х 10-5 до 5 х 10-4 осново-моль/л), а, с другой стороны, с тем, что они могли поглощать CO2 из воздуха и содержать ионы, выделившиеся из стекла. Кроме того, мы не принимали никаких мер, чтобы удалить возможные низкомолекулярные солевые примеси из исследованного об

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»