ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 4, с. 408-417
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ
УДК 546.26+547.745+543.544-414.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ ПОЛИ- N-ВИНИЛПИРРОЛИДОНОМ КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
© 2013 г. Л. Г. Пьянова1, О. Н. Бакланова1, В. А. Лихолобов1, В. А. Дроздов1, А. Н. Саланов2,
В. П. Талзи1, А. В. Седанова1, О. А. Княжева1
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук, Омск 644040, г. Омск-40, ул. Нефтезаводская, 54 2Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск
E-mail: medugli@rambler.ru; medugli@ihcp.ru Поступила в редакцию 30.10.2012 г.
Модифицирована поверхность углеродного мезопористого сорбента ВНИИТУ-1 — поли-М-винил-пирролидоном, обладающим антибактериальной активностью. Синтез проведен в два этапа: 1) пропитка углеродного сорбента водным раствором поли-М-винилпирролидона с молекулярной массой 10000 г/моль 2) пропитка углеродного сорбента водным раствором мономера (N-винилпирролидона) и инициатора с последующей их полимеризацией в инертной атмосфере. Исследованы образцы углеродного сорбента комплексом физико-химических методов: растровая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, низкотемпературная адсорбция азота, ядерно-магнитный резонанс, термогравиметрия. Установлено, что полученный полимер на углеродной поверхности свободен от токсичного исходного мономера ВП. Проведены микробиологические испытания модифицированных сорбентов по отношению к патогенной и условно патогенной микрофлоре.
DOI: 10.7868/S0044185613040116
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из активно развивающихся методов сорбционной терапии является аппликационная сорбция (вульнеросорб-ция). Сущность аппликационной сорбции заключается в излечении токсических веществ тканевой деградацией микробных клеток, бактериальных токсинов из ран и раневых полостей при контакте сорбционного материала с раневой поверхностью. При наложении сорбента происходит очистка раневого содержимого или гнойной полости и ускоряется транспорт некоторых
1 Список использованнъх в статье сокращений:
ВП — М-винилпирролидон;
ПВП — поли-М-винилпирролидон;
ДИНИЗ — динитрил азобисизомасляная кислота;
РЭМ — растровая электронная микроскопия;
ИКС — инфракрасная спектроскопия;
ЯМР — ядерно-магнитный резонанс;
ДТА — дифференциально-термический анализ;
ТГ — термогравиметрический анализ;
ЦНИЛ ОмГМА — центральная научно-исследовательская лаборатория ГБОУ ВПО Омской государственной медицинской академии Минздравсоцразвития РФ; М.М. — молекулярная масса; П.п. — полоса поглощения.
веществ из крови с их последующей сорбцией. Сорбция раневого содержимого способствует нормализации биологических реакций всего организма, позволяет в короткие сроки уменьшить травматический или воспалительный отек мягких тканей, улучшить микроциркуляцию тканей, позволяет снизить количество микроорганизмов в ране в среднем в 100—1000 раз по сравнению с традиционными перевязочными материалами. Вуль-неросорбция позволяет существенно улучшить исходы лечения травматических, гнойных, ожоговых ран, трофических язв и др. Широко используется внутриполостная сорбция при гнойных процессах: перитоните, абсцессах легких, печени.
В настоящее время принципиально важной задачей является разработка и создание новых углеродных модифицированных сорбентов пролонгированного действия. Преимущество таких сорбентов в их бифункциональных свойствах — совмещение адсорбционных свойств нанострук-турированной углеродной матрицы и физиологических свойств модификатора. Таким образом, модифицирование поверхности углеродных сорбентов антибактериальными полимерами открывает новые возможности создания широкого спектра эффективных аппликационных материа-
Таблица 1. Текстурные характеристики и содержание общего азота для исследуемых образцов углеродного гемо-сорбента
Наименование образца Удельная площадь поверхности, ¿*БЭТ, м2/г Удельный объем пор, см3/г
общий микропоры мезопоры макропоры
1 394 0.630 0.013 0.604 0.013
2 203 0.321 - 0.321 -
3 38 0.084 - 0.084 -
лов. Например, перспективным методом аппликационного воздействия лекарственного средства на поврежденную слизистую оболочку является использование пленок на основе биорастворимых полимеров, таких как поли-М-винилпирролидон (ПВП) [1-4, 23].
Низкомолекулярный ПВП (молекулярная масса 6000-12000 г/моль) применялся в медицине в виде 6% водно-солевого раствора "Гемодез", как плазмозаменитель, пролонгатор действия некоторых лекарств и др. Терапевтический эффект препаратов, в состав которых входит поли-М-ви-нилпирролидон, основан на антибактериальных свойствах полимера, способного связывать токсины, поступающие или образующиеся в организме, и выводить их.
Ранее, авторами была показана возможность проведения полимеризации М-винилпирролидо-на на углеродном сорбенте [5]. Согласно предварительным микробиологическим исследованиям образец углеродного сорбента, модифицированный М-винилпирролидоном (ВП) с последующей полимеризацией, обладал антибактериальными свойствами по отношению к патогенной грампо-ложительной бактерии — золотистому стафилококку [5].
Для объяснения эффекта модифицирования и природы антибактериального действия углеродных сорбентов, модифицированных ПВП, а также установления механизма их взаимодействия с патогенной микрофлорой необходимо изучить основные физико-химические характеристики и свойства полученных аппликационных материалов.
Целью настоящей работы — исследование поверхности образцов углеродного сорбента, модифицированных поли-М-винилпирролидо-ном, комплексом физико-химических методов:
hc=ch2
I 2
h2c c=o 2 \ / h2c-ch2
(a)
I-ch-ch2-\n
,n4
h2c c=o 2 \ / h2c-ch2
(б)
Рис. 1. Модификаторы: (а) 1-винил-2-пирролидон, (б) поли-М-винилпирролидон.
(растровая электронная микроскопия (РЭМ), инфракрасная спектроскопия (ИКС), низкотемпературная адсорбция азота, ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), термогравиметрия) и проведение микробиологических испытаний модифицированных сорбентов по отношению к патогенной и условно патогенной микрофлоре.
Одной из основных задач при проведении физико-химических исследований являлось подтверждение наличия образованного при полимеризации полимера ПВП на углеродной поверхности, без токсичного мономера ВП.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
Модифицирование ПВП проводили на поверхности образца углеродного сорбента, полученного из пористого углеродного материала, подвергнутого гидромеханической обработке и окислению [5—7]. Полученный исходный образец углеродного сорбента (образец 1) представлял собой мезопористый сорбент с размером гранул: >1.25 мм (2%), 1.00 мм (54%), 0.63 мм (43%), <0.50 мм (1%) (табл. 1).
Для модифицирования поверхности углеродного сорбента использовались:
1) модификатор I — N-винилпирролидон ("Merck", Германия); 2) модификатор II — поли-М-винил-пирролидон с молекулярной массой 10000 г/моль ("Sigma-Aldrich", США); 3) инициатор радикальной полимеризации — динитрил азобисизомасляной кислоты (ДИНИЗ) ("Merck", Германия) (рис. 1).
Методы исследования
Для контроля изменений величин площади удельной поверхности исследуемых образцов до и после модифицирования применяли метод низкотемпературной адсорбции азота с расчетом по теории БЭТ [8]. Определение ¿BEX проводили из изотерм адсорбции в области относительных равновесных давлений паров азота Р/Р0=0.05—0.3. Изотермы адсорбции-десорбции азота (Тадс. = 77.4 К) получали на приборе Gemini-2380, Micromeritics. Дополнительно контролировали основные характеристики пористой структуры исследуемых
образцов сорбентов — удельный объем пор. Перед проведением адсорбционных измерений образцы тренировали в вакууме при температуре 300°С (исходный образец) и 60°С (модифицированные образцы) в течение 6—8 часов.
Морфологию и рельеф поверхности исследуемых образцов углеродного сорбента изучали методом растровой электронной микроскопии с использованием электронного микроскопа JSM-6460LV, JEOL. Методика пробоподготовки к исследованию сорбентов заключалась в вакуумном напылении на образец золотой пленки толщиной 10—15 нм. Исследовали по 6—10 гранул образцов сорбента. Для получения контрастных электронных микроизображений поверхности выбраны следующие условия: напряжение — 20 кВ, сила тока 10—30 мА.
ИК-спектры пропускания регистрировали на спектрометре NIC0LET-5700, Thermo Fisher Scientific с разрешением 4 см-1 и числом накопления спектров 32. Методика исследований заключалась в приготовлении образца в виде очень тонкого однородного слоя, полученного методом седиментации мелких частиц в стеклянном цилиндре высотой 25 см, на оптически ИК-прозрачную пластинку BaF2. После чего проводили регистрацию ИК-спектров. Представленные спектры обрабатывались в программном пакете "ORIGIN" для коррекции базовой линии и сглаживания фоновых флуктуаций.
Исходные компоненты (модификаторы ВП, ПВП) и продукты, полученные в результате полимеризации ВП на углеродном сорбенте, анализировали методом ЯМР 13С, 1Н на ЯМР-спектро-метре "Avance-400" "Bruker" по стандартной методике [9]. Методом ЯМР 13С, 1Н проводили анализ растворов, полученных после контакта модифицированного сорбента с физиологическим раствором (концентрация NaCl — 0.15 М, отношение гемосорбент/NaCl = 1/5, температура раствора 25 ± 2°C, время контакта — 60 мин).
Термический анализ исследуемых образов (дифференциально-термический — ДТА и термогравиметрический — ТГ) проводили на приборе DTG-60H фирмы SHIMADZU. Точность определения температуры составляла—1°С, а изменения веса 0.1%. Съемки проводились в атмосфере воздуха, в интервале температур от комнатной до 1000°С, навеска образца составляла 10 мг, скорость подъема температуры 10°С/мин.
Общий азот на поверхности образцов углеродного сорбента определяли методом Кьельдаля [10].
Стендовые микробиологические испытания проводили в Центральной науч
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.