ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 6, с. 57-66
УДК 546.26+661.183+661.12.01
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НАНОДИСПЕРСНОГО УГЛЕРОДА
© 2014 г. В. А. Лихолобов, Л. Г. Пьянова, О. Н. Бакланова, А. В. Седанова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов (ИППУ) СО РАН, Омск E-mail: medugli@ihcp.ru, medugli@rambler.ru Поступила в редакцию 28.05.2013 г.
Представлены результаты многолетних исследований по разработке модифицированных материалов медицинского и ветеринарного назначения на основе нанодисперсного (технического) углерода. Описан комплекс методов химической функционализации поверхности углеродных сорбентов. Приведены основные результаты исследований модифицированных углеродных сорбентов физико-химическими методами.
DOI: 10.7868/S0023117714060024
В последнее время технический углерод применяется в промышленности для синтеза эффективных углеродных сорбентов медицинского и ветеринарного назначения. К данным сорбентам предъявляются особые требования по органолептике, степени дисперсности, зольности, серы и др. Получаемые на основе технического углерода материалы выгодно отличаются высокими показателями по прочности, адсорбционным характеристикам [1].
На основе нанодисперсного углерода в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) разработаны пористые углерод-углеродные материалы различного назначения [1—6].
Особый интерес представляют углеродные сорбенты медицинского и ветеринарного назначения. Новое направление синтеза пористых углеродных материалов позволило создать сорбенты, соответствующие требованиям медицины: гемосорбент углеродный в физиологическом растворе стерильный ВНИИТУ-1, энтеросорбент углеродный ВНИИТУ-2, энтеросорбент углеродный Зоокарб [1—9].
В настоящее время основное внимание уделяется созданию модифицированных углеродных сорбентов медицинского назначения. Разработан комплекс методов химической функционализа-ции поверхности углеродных сорбентов с прочным закреплением функциональных групп с целью придания им избирательного характера сорбции токсичных веществ белковой природы, которые накапливаются в организме при определенных заболеваниях [10—15].
Направления синтеза модифицированных сорбентов различной природы
Известны два направления регулирования адсорбционных свойств сорбентов. Первое связано с увеличением адсорбционной активности путем изменения пористой структуры, т.е. геометрическим модифицированием структуры. Геометрическое модифицирование материала обеспечивает молекулярную сорбцию токсичных веществ по принципу ситового взаимодействия. Однако использование данного метода приводит к снижению механической прочности гранул и к повышенному пылеобразованию сорбента.
Второе — регулирование адсорбционных свойств сорбентов путем химического модифицирования их поверхности. Существует несколько основных этапов химического модифицирования [16—25]:
— создание на поверхности матриц химически связанных функциональных групп (карбоксильные, карбонильные, эфирные и др.), способных к взаимодействию с различными биологически активными веществами (аминокислотами, ферментами, антителами, антигенами и др.);
— введение в матрицу азота, серы и других ге-тероатомов;
— нанесение на поверхность матрицы полимерной пленки, имеющей в своем составе функциональные группы, подходящие для связывания биолигандов.
Наличие на поверхности сорбентов функциональных групп позволяет проводить химическую прививку специфических лигандов [16, 17, 19].
Модифицирующие агенты можно разделить на несколько классов [16—25].
Неорганические модификаторы:
— кислоты и их соли — хлорная, смесь азотной и серной кислот, гипохлорит натрия, перманганат и бихромат калия и др;
— газы — озон, углекислый газ, кислород воздуха, водяной пар;
— гетероатомы, вводимые в матрицу сорбента, — азот, сера и др.
Органические модификаторы:
— карбоновые кислоты — молочная, адипино-вая, аминокапроновая и др;
— полимерные соединения: полиспирты (по-лиэтиленгликоль, полипропиленгликоль), политетрафторэтилен, поливинипирролидон и др;
— аминокислоты — лизин, тирозин, триптофан и др;
— биополимеры: белки (белок А, инсулин и др.), полинуклеиновые (ДНК) и полирибонуклеиновые кислоты (РНК), антитела (иммуноглобулин G, а2-макроглобулин), ферменты (плазмин, пероксидаза и др.) и т.д.
Создание широкого спектра сорбентов селективного назначения позволит целенаправленно корректировать биохимический гомеостаз в любой экстремальной ситуации. Известно, что ами-носодержащие гемосорбенты при повышении рН крови связывают кислые метаболиты; лизинсо-держащие — связывают свободный гемоглобин и эффективны при лечении нарушений гемолитического характера; инсулинсодержащие сорбенты извлекают антитела инсулина. Один из эффективных методов химического модифицирования — это иммобилизация лекарственных веществ на носителях, что позволяет сократить расход препаратов, повысить эффективность лечения и уменьшить аллергические реакции. Лекарственные вещества сохраняют относительно высокую биологическую активность в течение продолжительного времени (препараты пролонгированного действия) [15, 19].
В последние годы разработаны биоспецифические сорбенты отечественного и зарубежного производства, обеспечивающие сорбцию определенных токсичных веществ [24—34]:
— углеродные гемосорбенты ГСГД, ГУДС, ВУДС, ИПУСС, ПСВД для гемо- и плазмосорб-ции (Институт экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р.Е. Кавецкого, Украина);
— агарозные иммуносорбенты ЛНП "Липпо-пак", Лп(а) "Липопак", Ig-Адсопак, АВО Адсо-пак для плазмосорбции (НПФ "ПОКАРД", Россия);
— гемосорбенты на основе полиакриламидно-го геля "Овосорб" и "Овосорб Е" для гемо- и плазмосорбции (Белорусский государственный медицинский университет и МГУ им. М.В. Ломоносова);
— плазмосорбент на основе силикагеля "Prosorba", гемосорбент на основе полиакриа-мидного геля "DALI", плазмосорбенты на основе агарозы "Imunosorba" и "Globaffin" (Fresenius, Bad Homburg, Германия);
— плазмосорбент на агарозе "Ig-TheraSorb", плазмосорбент на основе кремнезема "Lipocol-lect" (Myltenyi Biotec GmbH, Германия);
— синтетический плазмосорбент на основе сополимера стирола и дивинилбензола "Plasorba BR-350", плазмосорбент на основе целлюлозы "Adacolumn", плазмосорбент на основе агарозы "Immunosorba PH-350" (Asahi Kasei Kuraray Medical, Япония);
— плазмосорбент на основе полипропиленового волокна с а-хлорацетоамидометелированным полистиролом "Toraymyxin" (Toray Industries, Япония);
— плазмосорбент "CytoSorb" (CytoSorbents, Monmouth Junction, New Jersey, США).
Высокая стоимость, узкая направленность, длительная регистрация зарубежных материалов в России ограничивают их использование в медицинской практике.
Химическое модифицирование углеродных сорбентов
Химическое модифицирование углеродных материалов осуществляют путем химических реакций с участием "активных" (реакционноспо-собных) поверхностных групп. При этом происходит изменение функционального покрова (химической природы) поверхности [10]. При химическом модифицировании углеродной поверхности можно регулировать гидрофильно-гидрофобные свойства сорбента.
Один из путей модифицирования — окисление поверхности в газовой фазе при 300—1000°С. Окисление приводит к увеличению гидрофиль-ности поверхности и к повышению удельной поверхности. Деструкция углей концентрированной азотной кислотой или смесью ее с ацето-нитрилом до "оксиуглей" используется для формирования на их поверхности кислотных гидрок-сильных групп с целью придания углеродному материалу свойств катионнообменников. Независимо от химической природы окислителя содержание кислородных групп может повышаться в 2—5 раз, а это приводит к увеличению избирательной активности сорбента по отношению к определенным молекулам.
Известны и другие способы химического модифицирования поверхности сорбентов: введение гетероатомов в матрицу сорбента, включение в поры геля, адсорбция молекул, прививка определенных функциональных групп, капсулирова-ние и изоляция с помощью мембран, электрохи-
УГЛЕРОДНЫЙ ГЕМОСОРБЕНТ ВНИИТУ-1
Направление I Направление II Направление III
Поликонденсация Фторирование Полимеризация ^виниламидов
амино- и гидроксикислот I (получение потимерот
/ , 1с антибактериальными свойствами)
(повышение содержания функциональных т 1 '
кислородосодержащих груп) Замещение фтора на аминогруппы I
I . (повышение содержания функциональных .
. I азотосодержащих групп) I
^ I I
I Иммобилизация биолиганда
Ф | Удаление токсинов,
удаление Удаление вирусных антибактериальное
провоспалительн^гх частиц действие
цитокинов
УГЛЕРОДНЫЙ ЭНТЕРОСОРБЕНТ
Т
Направление IV
Импрегнирование биологически активными компонентам
t
Защита и восстановление иммунной системы
Рис. 1. Направления синтеза модифицированных углеродных сорбентов медицинского и ветеринарного назначения, разрабатываемые в ИППУ СО РАН.
мическая окислительная обработка в растворах электролитов, прививочная пострадиационная полимеризация; иммобилизация специфических биологически активных соединений и бактерий [35-38].
Известно, что большая часть токсичных соединений имеет белковую природу. Создание материалов с повышенной адсорбционной активностью по отношению к токсическим веществам белковой природы путем регулирования химической природы их поверхности (химическое модифицирование) представляет значительный интерес, так как позволяет создать широкий спектр эффективных сорбентов для применения их в медицине.
В настоящее время в институте разработано несколько направлений синтеза модифицированных углеродных сорбентов медицинского и ветеринарного назначения (рис. 1):
— направление I (синтез гемосорбентов избирательного действия): поликонденсация амино-и гидроксикислот с целью повышения содержания функциональных кислородсодержащих групп на углеродной поверхности; возможна иммобилизация биолиганда;
— направление II (синтез гемосорбента избирательного действия): фторирование углеродной поверхнос
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.