СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОЙ СИСТЕМЫ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ФРАКТАЛЬНЫХ КЛАСТЕРОВ НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА
METHOD OF PREPARING AQUEOUS SYSTEM FOR BRANCHED FRACTAL CLUSTERS BASED ON L-CYSTEINE

Изобретение относится к области получения кластерных наноразмерных структур, полученных в результате взаимодействия малых молекул, которые могут быть использованы при производстве лекарственных композиций, содержащих биологически активные вещества, в нанотехнологиях - при разработке получения наночастиц со специфическими свойствами, например катализаторов, в конструировании супрамолекулярных систем.
Супрамолекулярные системы - это молекулярные структуры, полученные в результате ассоциации частиц, удерживаемых вместе межмолекулярными силами. Создание супрамолекулярных конструкций открывает перспективы для получения материалов с высокими показателями эксплуатационных свойств в области нанотехнологий.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что разработан способ получения новых, очень разветвленных и разреженных сеточных молекулярных структур на основе L-цистеина и нитрата серебра, построенных из наноразмерных, положительно заряженных фрактальных кластеров, растворенных в водной или водно-органической среде. Эту совокупность молекулярных структур будем именовать L-цистеин-серебряным раствором. Эти структуры способны эффективно взаимодействовать с отрицательно заряженными группами, присутствующим на клеточной поверхности микроорганизма, что придает L-цистеин-серебряному раствору свойства катионного антисептика. Благодаря большой поверхности и присутствию атомов переходного металла - серебра - можно ожидать наличие у системы связанных фрактальных кластеров каталитических свойств.
-4
-2
Технический результат достигается тем, что смешивают водный раствор L-цистеина, обеспечивая его концентрацию в исходной смеси от 1,14·10 М до 1,17·10 М с водным раствором нитрата серебра, концентрация которого в исходной смеси должна быть такой, чтобы ее отношение к концентрации L-цистеина находилось в диапазоне 1,2÷2,0. При этом образуется мутный раствор, который оставляют созревать в защищенном от света месте при температуре от 15 до 60°С до полного просветления. Созревание происходит в течение от 20 минут до, двух суток, в зависимости от концентрации исходных компонентов и температуры.
Исследованием уровня техники установлено, что прототипом L-цистеин-серебряного раствора является супрамолекулярный гель (патент RU 2317305 С2 от 20.02.2008). Для получения как геля, так и L-цистеин-серебряного раствора применяют L-цистеин и нитрат серебра, однако состав и структура геля и L-цистеин-серебряного раствора отличаются друг от друга. L-цистеин-серебряный раствор - это жидкая система. Гель - это механически структурированная система, поэтому с гелем невозможно приготовить разнообразные композиции со многими биологически активными веществами и растворителями, так как гель при этом разрушается. При практическом использовании гель плохо смачивает поверхности перевязочных средств и не пропитывает их, что затрудняет его использование, как антимикробного средства.
Изобретение поясняется графическими (Фиг.1-5) и табличными (Таблица 1) материалами.
Фиг.1. УФ-спектры комплексов L-цистеина (кривая 1) и D, L-цистеина (кривая 2) с нитратом серебра (а, б, в - соответствуют разным частотным диапазонам одного спектра).
Фиг.2. Распределение кластеров по размерам в цистеин-серебряном растворе.
Фиг.3. Микрофотографии цистеин-серебряного раствора.
-3
-3
-3
-3
Фиг.4. Кинетика роста оптической плотности полосы поглощения при длине волны 390 нм. 1 - концентрация нитрата серебра равна 1,92·10 моль/л; L-цистеина - 1,54·10 моль/л; 2 - концентрация нитрата серебра равна 3,85·10 моль/л; L-цистеина - 3,08·10 моль/л.
Фиг.5. Иллюстрация свойств цистеин-серебряного раствора.
Таблица 1. Сравнительные характеристики площадей поверхности фрактальных кластеров разных радиусов.
Сущность изобретения заключается в следующем. В УФ-спектре полученного раствора наблюдается появление двух полос поглощения, одна из которых (маловыраженная) расположена в области 305 нм, другая имеет пик поглощения с максимумом 389 нм. Полоса поглощения 389 нм служит характерным идентификатором раствора, и ее интенсивность позволяет контролировать его созревание (Фиг.1).
Установлено, что другой пространственный изомер цистеина - D-цистеин, а также смесь пространственных изомеров - D, L-цистеин, растворов, аналогичных L-цистеину, не образуют (Фиг.1).
-3
Для начальных концентраций компонентов, не превышающих величин 5,2·10 М, кинетика роста интенсивности полосы на 390 нм представлена на Фиг.4.
При получении более концентрированных растворов, содержащих кластерные структуры, при 50÷60°С временной ход оптической плотности является более сложным, так как в ходе реакции образуются промежуточные частицы, сильно рассеивающие свет.
Для достижения результата в методике используется L-цистеин высокой степени чистоты (не менее 99%), поскольку примеси существенно влияют на процессы самоорганизации в растворах, приготовленных на основе L-цистеина и нитрата серебра.
Так, коммерческий цистеин, содержащий примесь гидрохлорида цистеина, не образует раствор, аналогичный высокоочищенному L-цистеину.
Раствор на основе L-цистеина и нитрата серебра представляет собой раствор агрегированных в определенную сетчатую структуру фрактальных кластеров, построенных из молекул меркаптида серебра и ионов серебра. (Б.Мандельброт. Фрактальная геометрия природы. М.: Мир, 2002; Е.Федер. Фракталы. М.: Мир, 1991; В.Смирнов. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991).
В водном растворе L-цистеин взаимодействует с ионами серебра по SH-группе (тиольной группе) с образованием меркаптида серебра. Это хорошо известная в элементорганической химии реакция, которая применяется для количественного определения цистеина в исследуемом образце. (Н.Д.Черонис, Т.С. Ма, Микро- и полумикрометоды органического функционального анализа. М.: Химия, 1973). В литературных источниках имеются указания, что молекулы меркаптида серебра формируют линейные цепочки с образованием связей серебро-сера: -Ag-S-Ag-S-Ag-S-.
При соотношении концентраций нитрата серебра и L-цистеина 1,2-2, меркаптид серебра взаимодействует с избыточными ионами серебра с образованием фрактальных кластеров, агрегированных в определенные пространственные структуры. Это достигается за счет того, что атомы серы в цепочечной структуре меркаптида серебра обладают нуклеофильными свойствами и поэтому способны образовывать координационные связи с ионом серебра. Цепочки меркаптида серебра через ион серебра взаимодействуют между собой, образуя фрактальные структуры.
Образованием кластеров в L-цистеин-серебряном растворе установлено с помощью метода динамического светорассеяния. Измерение интенсивности динамического светорассеяния осуществляли с помощью спектрометра, включающего AL-Sp 81 гониметр и цифровой фотонный коррелятор-структуратор ALV-5000 с углом рассеяния 90°. В качестве источника света использовали He-Ne лазер (длина волны 632,8 нм) мощностью 36 мВт. Средний гидродинамический радиус частиц рассчитывается из уравнения Эйнштейна-Стокса на основании графика зависимости распределения коэффициента диффузии W(D) от коэффициента диффузии.
На Фиг.2 представлены данные динамического светорассеяния, которые свидетельствуют о наличии в L-цистеин серебряном растворе фрактальных кластеров со средним гидродинамическим радиусом порядка 50 нм.
На Фиг.3 представлены электронно-микроскопические снимки высушенного на подложке из формвара L-цистеин серебряного раствора, полученные на просвечивающем электронном микроскопе «LEO 912 АВ OMEGA» (Carl Zeiss, Германия), иллюстрирующие самоорганизацию твердой фазы при дегидратации раствора. Видно, что образуются характерные ветвистые структуры, подтверждающие образование сетки фрактальных кластеров при формировании L-цистеин серебряного раствора.
L-цистеин серебряный раствор обладает способностью образовывать супрамолекулярные структуры при добавлении в него определенных компонентов. Так, например, при введении в раствор небольших количеств разбавленной соляной кислоты происходит спонтанная самоорганизация раствора с образованием гелевой структуры. Это открывает новые возможности для конструирования практически важных супрамолекулярных ансамблей.
Следует отметить существенные отличия L-цистеин-серебряного раствора от наиболее близкого прототипа - супрамолекулярного геля. Эти отличия заключаются в том, что:
1) для получения геля в D1 использовался L-цистеин отечественного производства, содержащий примеси хлорид-ионов, которые присутствуют в продукте вследствие применения соляной кислоты при его синтезе (А.Т.Солдатенков, Н.М.Колядина, Ле Туан Ань, В.Н.Буянов. Основы органической химии пищевых, кормовых и биологически активных добавок. М.: Химия, 2006. 278 с.). Присутствие хлорид-ионов в цистеине в виде гидрохлорида цистеина устанавливается с помощью метода тонкослойной хроматографии. В присутствии хлорид-ионов L-цистеин-серебряный раствор не образуется. Для получения L-цистеин-серебряного раствора используется L-цистеин высокой степени чистоты, не содержащий примеси хлорид-ионов и L-цистеин-серебряный раствор является жидкой системой, а не гелем,
2) L-цистеин-серебряный раствор характеризуется, как отмечено в заявляемом изобретении ранее, наличием полосы поглощения в УФ-спектре с максимумом 389 нм, которая служит идентификатором раствора, в то время как в УФ-спектре геля такая полоса поглощения отсутствует,
3) пространственная структура геля по данным электронной микроскопии отличается от структуры L-цистеин-серебряного раствора, как это следует из Фиг.3 заявки и данных в D1,
4) распределение гидродинамических радиусов рассеивающих центров в геле и L-цистеин-серебряном растворе сильно отличаются, как это следует из Фиг.2 заявки и данных в D1,
5) отношение исходных молярных концентраций ионов серебра к L-цистеину, температура системы и время выдержки смеси в D1 характеризует процесс образования геля, в то время как значение этих параметров в заявляемом изобретении характеризуют процесс образования L-цистеин-серебряного раствора,
6) гелевая структура легко разрушается при приготовлении композиций с другими биологически активными компонентами, поэтому его практическое применение ограничено,
7) гель, в отличие от L-цистеин-серебряного раствора, не пропитывает перевязочные материалы, поэтому его затруднительно использовать в медицинской практике как антисептическое средство.
L-цистеин - это природная серосодержащая аминокислота, которая входит в состав многих белков, в том числе ферментов. L-цистеин участвует в реакциях трансаминирования, способствует обмену серы в организме, применяется для лечения катаракты.
Нитрат серебра в небольших концентрациях оказывает противовоспалительное действие. Поэтому L-цистеин серебряный раствор сам может служить лекарственным средством, например, в качестве антимикробного или ранозаживляющего препарата. Кроме того, L-цистеин серебряный раствор совместим с полимерами медицинского назначения, такими как поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, с аминокислотами, с биоактивными микроэлементами (литий, цинк, кобальт, марганец, ванадий, медь, никель, селен, фтор), и это открывает возможности для конструирования новых биоматериалов
Способ осуществляется следующим образом.
-3
-1
-5
-1
-4
-2
L-цистеин степени чистоты 99,0÷99,5%, приготавливается его водный раствор концентрации 5,0·10÷1·10 моль/л и водный раствор нитрата серебра концентрации 5·10÷1·10 моль/л, затем смешивают раствор L-цистеина и раствор нитрата серебра так, чтобы начальная концентрация L-цистеина в исходной смеси находилась в диапазоне от 1,14·10 М до 1,17·10 М, а концентрация нитрата серебра была в 1,2÷2 раза больше концентрации L-цистеина. Полученную смесь выдерживают в защищенном от света термостате при температуре 10÷60°С в течение 0,3÷48,0 часов.
Примеры получения раствора фрактальных кластеров на основе L-цистеина.
-3
-3
Пример для начальной концентрации L-цистеина в исходной смеси 3·10 М и начальной концентрации нитрата серебра 3,75·10 М, отношение молярной концентрации серебра к L-цистеину 1.25.
1. Растворяют 127,5 мг нитрата серебра в 100 мл дистиллированной воды.
2. Растворяют 72,6 мг L-цистеина в 100 мл дистиллированной воды.
3. К раствору нитрата серебра приливают раствор L-цистеина и смесь энергично перемешивают. Смесь оставляют вызревать в защищенном от света месте на 10 часов при комнатной температуре.
-2
-2
Пример для начальной концентрации L-цистеина в исходной смеси 0,9·10 М и начальной концентрации нитрата серебра 1,125·10 М, отношение молярной концентрации серебра к L-цистеину 1.25.
1. Растворяют 382,5 мг нитрата серебра в 100 мл дистиллированной воды.
2. Растворяют 217,8 мг L-цистеина в 100 мл дистиллированной воды.
3. К раствору нитрата серебра приливают раствор L-цистеина и смесь энергично перемешивают. Смесь оставляют вызревать в защищенном от света термостате на 1 час при температуре 60°С.
-3
-3
Пример для начальной концентрации L-цистеина в исходной смеси 1·10 М и начальной концентрации нитрата серебра 1,5·10 М, отношение молярной концентрации серебра к L-цистеину 1.5.
1. Растворяют 25,5 мг нитрата серебра в 50 мл дистиллированной воды.
2. Растворяют 12,1 мг L-цистеина в 50 мл дистиллированной воды.
3. К раствору нитрата серебра приливают раствор L-цистеина и смесь энергично перемешивают. Смесь оставляют в холодильнике на 48 часов при температуре 10°С.
Растворы фрактальных кластеров на основе L-цистеина обладают рядом уникальных реологических и коллоидно-химических свойств. Так, после энергичного взбалтывания L-цистеин-серебряных растворов с максимально возможной концентрацией исходных компонентов наблюдается интересное явление, состоящее в том, что очень мелкие пузырьки воздуха, еще различимые глазом, т.е. размером порядка десятков микрон, не всплывают в течение десятков минут, т.е. происходит своего рода "пленение" малых пузырьков газа. Это явление отражено на Фиг.5.
Уникальное свойство раствора обусловливает его применение в случае специфических химических реакций с участием газов.
Спектроскопические и реологические данные указывают на возникновение в системе L-цистеин - нитрат серебра протяженных молекулярных структур типа пространственной сетки. Строительным материалом для формирования сетки являются молекулярные цепочки, образованные в результате взаимодействия L-цистеина и нитрата серебра следующего строения:
2
2
Cys обозначает фрагмент молекулы цистеина CHCH(NH)COOH, пунктиром представлена вновь образованная связь.
Такие структуры могли бы "пленять" малые пузырьки воздуха и препятствовать их всплытию. Вследствие способности растворенных компонентов образовывать сетку при малых концентрациях, она должна быть очень разреженной и разветвленной, то есть, согласно современным представлениям, должна формироваться путем агрегации фрактальных кластеров. (Б.М.Смирнов. Физика фрактальных кластеров, М.: Наука, 1991, 136 с.). Структурой фрактального кластера можно управлять, изменяя физико-химические условия его получения. Основными способами управления являются следующие физико-химические параметры:
а) исходные концентрации L-цистеина и нитрата серебра,
б) соотношение концентраций указанных компонентов,
в) температура раствора,
г) присутствие в системе добавок электролитов,
д) присутствие в системе водорастворимых неэлектролитов.
Серебро относится к числу металлов с электронами на d-оболочке, обладающими каталитической активностью, особенно в реакциях гидрирования ненасыщенных углеводородов (С.А.Николаев, Л.Н.Занавескин, В.В.Смирнов, В.А.Аверьянов, К.Л.Занавескин. Каталитическое гидрирование примесей алкинов и алкадиенов в олефинах. Практический и теоретический аспекты. Успехи химии, 78, №3, стр.248, 2009). Известно, что эффективность катализатора сильно зависит от площади его поверхности, на которой осуществляется каталитический процесс. Организация дисперсной фазы в форме фрактальных кластеров способствует образованию намного больших поверхностей, чем в случае плотных частиц. В Таблице 1 рассчитана величина поверхности фрактальных кластеров разных радиусов. Расчет проведен для кластеров с фрактальной размерностью 1,8 по формулам, приведенным в (Б.М.Смирнов. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991, 136 с.). Для сравнения приведены данные расчета поверхности плотных частиц, содержащих такое же количество молекул L-цистеина и атомов серебра.
Вследствие очень разветвленной структуры фрактальных кластеров, содержащих бактерицидные ионы серебра, и потенциально высокой степени их адгезии к патогенным микроорганизмам, благодаря наличию в цистеиновых фрагментах заряженных карбоксильной и аминной групп, перспективно применение L-цистеин-серебряного раствора в медицинской практике по следующим направлениям:
В хирургии - для лечения трофических язв, заживления ран, вскрытых фурункулов, карбункулов, для предотвращения пролежней; в ожоговой практике - как средство комплексного лечения в процессе реабилитации; в стоматологии -для профилактики и комплексного лечения пародонтоза; в лор-практике - для лечения ангин, тонзиллитов, гайморитов, отитов; в офтальмологии - для лечения глазных болезней как средство первой помощи при травмах глаз; в фармакологии - для составления новых композиций с биологически активными компонентами.