СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЛАГЕНА ДЕРМЫ
METHOD OF ANALYSIS OF STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF DERMA COLLAGEN

Изобретение относится к промышленностям, перерабатывающим коллагенсодержащее сырье, и может быть использовано для определения дифференциальной пористости обводненного необработанного коллагена.
Известны способы определения пористой структуры различных материалов: с помощью способа БЭТ, вдавливания ртути, пропиткой пористого материала жидкостью с известной плотностью.
Способ БЭТ применяется для оценки внутренней поверхности сухих пористых материалов и основан на адсорбции инертных газов во внутреннем пространстве материала (см. А.Н.Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971, с.25, 70).
Однако для его осуществления требуется сложное оборудование, и он не дает дифференциальной пористости, которую можно привязать к структурным единицам материала.
Способ вдавливания ртути широко используется для оценки пористого пространства капиллярно-пористых материалов. Он основан на вдавливании ртути в пористое пространство материала при разных давлениях (см. А.Н.Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971, с.24).
Однако известный способ имеет существенные недостатки - токсичность ртути, сложность оборудования из-за использования форвакуумных насосов, создающих высокий вакуум, и плунжерных насосов, создающих высокое давление, а также сложная измерительная техника.
Способ пропитки пористого материала жидкостью с известной плотностью прост и доступен в использовании. Для его использования необходимы весы аналитические, приборы для определения объема образца, пропитывающая жидкость с известной плотностью. Способ заключается в измерении физического объема образца, последующей его пропитке жидкостью с известной плотностью и определении объема впитавшейся в образец жидкости (объема пор) по ее плотности (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с.г. ил.).
Однако с его помощью невозможно определить дифференциальную пористость материала, а определить можно только общую.
Для всех приведенных способов характерна невозможность определения структурной пористости и структурной дифференциальной пористости влажных материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ пропитки пористого материала жидкостью с известной плотностью, предусматривающий определение общей пористости (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с.г. ил.).
Недостатком этого известного способа является невозможность определения дифференциальной пористости с привязкой к структурным элементам обводненной кожевой ткани.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в определении общей и структурно-дифференциальной пористости обводненной кожевой ткани.
Технический результат изобретения заключается в определении, еще до обработки для реального образца, дифференциальной пористости кожевой ткани с распределением ее по элементам структуры коллагена как: молекулярная (между молекул) пористость, фибриллярная (внутри фибриллы) пористость и межволоконная (между фибриллами и волокнами) пористость соответственно дифференцированием и влаги, содержащейся в кожевой ткани.
Технический результат достигается тем, что в способе определения структурных характеристик коллагена дермы, предусматривающем определение структурных параметров коллагена, согласно изобретению измеряют усадку кожевой ткани при сваривании в процентах и определяют общее влагосодержание кожевой ткани на образцах, вырезанных из таких мест кожевой ткани, где волокна располагаются горизонтально, например брюшная часть, пашина, лапы, в момент определения усадки при сваривании, после чего внутрифибриллярный объем, не занятый молекулами, определяют по содержанию влаги и величине усадки волокон при сваривании образца кожевой ткани и влажности, полностью обводненной кожевой ткани, а межмолекулярный объем, не занятый молекулами, находят расчетным путем по разности объемов молекул в обводненном и абсолютно сухом состоянии, межфибриллярный - волоконный объем находят по разности между полным содержанием влаги и суммой влаги, занятой в межмолекулярном объеме и внутрифибриллярном объеме.
Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что впервые удалось определить для реального образца кожевой ткани, полностью обводненного, дифференцированный объем пространств между структурными элементами коллагена кожевой ткани - между молекулами, внутри фибрилл и в межфибриллярном волоконном пространстве.
Согласно современным представлениям о строении фибриллы ее можно представить как наноструктуру, состоящую из правильно уложенных молекул коллагена в каркас из гликозаминогликанов (см. Титов А.О., Титов О.П. О строении фибриллы коллагена. Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование: Материалы конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006, с.352).
Молекулы в фибриллах уложены параллельно друг другу и оси фибриллы, причем укладка молекул происходит так, что между концами молекул остаются расстояния. В этих пространствах укладываются гликозаминогликаны, присоединенные к молекулам коллагена (см. А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. М.: ЛИ. 1980. С.57); (см. Николаев А.Я. Биологическая химия. - М.: Медицинское информационное агентство, 2001. - С.406).
Так как при сваривании происходит отделение от молекул коллагена гликозаминогликанов в количестве 25% от их общего содержания в дерме (А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. М.: ЛИ. 1980. С.140), то пространства между концами молекул освобождаются и молекулы под действием противоположно заряженных концевых групп сближаются. Это вызывает сокращение длины волокон и снижение прочности в несколько раз.
Авторы заявляемого изобретения предлагают определять величину этих сокращений. По величине этих сокращений определять общий размер зон между концами молекул в процентах и соответственно этому можно определять объем зон, не занятых молекулами коллагена; рассчитать, какое количество воды находится в этих зонах. А это, соответственно, позволяет, зная общее количество воды в дерме, определять ее объем между структурными элементами дермы, разграничить содержащуюся в дерме влагу на молекулярную, фибриллярную и волоконную.
При сваривании промежутки между молекулами исчезают и фибрилла сокращается на величину расстояний между концами молекул. Соответственно исчезает и период исчерченности. Одновременно наблюдается изменение рентгенограммы под большими углами, свидетельствующее об исчезновении упорядоченных областей. Усадка волокон при сваривании достигает 30-75% (см. А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. - М.: ЛИ. 1980. С.139, 141). Такую же величину имеют зоны внутри периода, не занятая молекулами часть фибриллы может составлять от 75 до 41% (см. А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. - М.: ЛИ. 1980. С.375), и соответственно этому усадка коллагена при сваривании может достигать этих величин.
Следовательно, определяя усадку кожевой ткани при сваривании, можно определить объемы между концами молекул, которые занимают гликозаминогликаны и вода. Так как количество гликозаминогликанов (аминосахаров) в кожевой ткани невелико 0,31-0,48%, то их объемом можно пренебречь и считать, что все пространства заняты водой (см. А. Н. Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971. С.37).
Основу изобретения составляет определение с помощью усадки кожевой ткани при сваривании объема пространств в фибриллах, занятых водой. А зная общее содержание воды (которое согласно изобретению определяется одновременно с усадкой), в образцах перед свариванием можно, используя простые арифметические действия, вычислить, какие объемы были заняты водой в межфибриллярном пространстве. Объем же воды в молекулярном пространстве постоянен и легко рассчитывается исходя из диаметра и длины молекулы в абсолютно сухом состоянии и после полного обводнения. Причем длина периода 2,86 Å - проекция одного аминокислотного остатка на ось молекулы, не меняется, следовательно, не меняется и длина молекулы при обводнении (см. А.Н.Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971. С.71).
Первый параметр, который определяют - это длина молекулы. Ее определяют исходя из того, что при сваривании коллагена усадка волокон происходит ступенчато. Всего выделяют 36 уступов на кривой «усадка - температура». Образование уступов связывают с количеством полос в макроисчерченности (см. А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. М.: ЛИ. 1980. С.153). В работе (см. Титов А.О., Титов О.П. О строении фибриллы коллагена. Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование: Материалы конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - 352 с.) было показано, что количество полос в большом периоде идентичности равно 6 (полоса - промежуток, который смыкается при сваривании, промежуток между концами молекул). Тридцать шесть уступов - это количество промежутков по длине молекулы. Тогда количество больших периодов идентичности по длине молекулы будет равно 36/6=6, а длину молекулы можно найти как протяженность большого периода идентичности, умноженную на их количество.
Следующая величина, которую необходимо определить, - это молекулярная масса. Ее находят как длину молекулы, деленную на 2,86 - протяженность одного аминокислотного остатка по длине оси молекулы, умноженное на 3 - количество полипептидных цепей в молекуле коллагена, и умноженное на 92,6 - среднюю молекулярную массу одного аминокислотного остатка (см. Ф.О'Флаэрти, В.Т.Родди, Р.М.Лоллэр. Химия и технология кожи. Том 1. - М.: 1960, с.146).
Далее определяют показатели, которые отражают определение свободных пространств (пространств, не занятых молекулами коллагена) в молекулярном объеме при диаметре молекулы в обводненном состоянии 14 Å (см. А.Н.Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971. С.18); (см. Павлов С.А., Шестакова И.С., Касьянова А.А. Химия и физика высокомолекулярных соединений в производстве искусственной кожи, кожи и меха. Изд. 2-е, пер. и доп. Учебник для студентов вузов легкой пром-сти. - М.: ЛИ. 1976, с.319).
Строение фибрилл согласно модели, предложенной авторами заявляемого изобретения (см. Титов А.О., Титов О.П. О строении фибриллы коллагена. Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование: Материалы конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - 352 с.), представлено в следующем виде:
1. Внутренний элемент.
2. Отходящие от него к краям фибриллы перегородки. Всего шесть перегородок в пределах одного большого периода с разной шириной.
3. По поверхности фибриллы перегородки накрыты спиралью так, что спираль проходит по длине всей фибриллы и соединяет все перегородки между собой.
Эти структуры, состоящие из гликозаминогликанов и воды, образуют каркас, в котором находятся молекулы коллагена. Каркас состоит из воды и гликозаминогликанов - аминосахаров хондроитинсульфата и гиалуроновой кислоты. В гидролизате дермы содержится до 1,1-2,1% гексоз и 0,31-0,48% аминосахаров (гликозаминогликанов) от массы образца после высушивания и обезжиривания (см. А.Н.Михайлов. Коллаген кожного покрова и основы его переработки. - М.: 1971, с.37).
В этом каркасе располагаются молекулы коллагена. Они прилегают к центральному элементу, собираясь вокруг него в поперечном сечении по плотной гексагональной упаковке. Пространства между концами молекул, отходящие от центрального элемента и перпендикулярно ему, образуются за счет сдвига молекул относительно друг друга. Молекулы пронизывают перегородки.
O
При определении можно принять наиболее простую модель фибриллы, имеющую прямой внутренний элемент. Поверхность молекул принимают гладкими ровными цилиндрами (см. А.Л.Зайдес. Структура коллагена и ее изменения при обработках. - М.: 1960, с.32, 34); (см. Ф. О'Флаэрти, В.Т.Родди, Р.М.Лоллэр. Химия и технология кожи. Том 1. - М.: 1960, с.147). Диаметр молекул может изменяться в зависимости от влажности (см. А.Л.Зайдес. Структура коллагена и ее изменения при обработках. - М.: 1960, с.156-159) и составлять от 9,5 Å для абсолютно сухого коллагена (см. А.Н.Михайлов. Физико-химические основы технологии кожи. ГИЗЛЕГПРОМ, 1949, с.351, ил.) до 16 A для набухшего в кислотах и щелочах (см. А.Н.Михайлов. Химия и физика коллагена кожного покрова. - М.: ЛИ. 1980. С.173). Не набухшая хорошо обводненная молекула коллагена имеет диаметр 14 Å.
O
Диаметром фибриллы можно задаться от 600 до 2250 A (см. А.Л.Зайдес. Структура коллагена и ее изменения при обработках. - М.: 1960, с.49).
Влажность шкур в момент определения усадки при сваривании определяют весовым методом по ГОСТ 938.1-67.
Согласно предлагаемой модели определяют следующие элементы: объем внутреннего элемента, объем перегородок (пространств между концами молекул), объем и массу молекул, объем и массу влаги, занимающую свободные пространства, а также определяют другие показатели, приведенные в таблице 1.
3
Объем пространств между молекулами рассчитывают по разности объемов полностью обводненных молекул (диаметр 14,0 Å) и абсолютно сухих (диаметр 9,5 Å). Объем пространств в фибриллах находят по усадке образца при сваривании плюс объем внутреннего элемента, который определяют из отношения диаметра фибриллы к диаметру внутреннего элемента, равного 8 (см. Титов А.О., Титов О.П. О строении фибриллы коллагена. Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование: Материалы конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - 352 с.). Объем между фибриллами и волокнами находят по разности между количеством воды в момент определения усадки образца при сваривании и суммой объемов пространств между молекулами и пространств в фибрилле. Удельную массу воды принимают равной 1000 кг/м.
При определении структурных характеристик было также принято, что молекулы коллагена вокруг внутреннего элемента плотно прилегают к нему и друг к другу и далее по гексагональной сетке. Причем центры молекул располагаются на концентрических окружностях, вокруг внутреннего элемента, достигая по внешней окружности диаметра фибриллы.
Примеры осуществления предлагаемого способа определения структурных характеристик коллагена дермы.
Пример 1. Из шкуры овчины в области пашины ближе к брюшной области вырезают два образца размером 100×10 мм. Один образец используют для определения влажности по ГОСТ 938.1-67. Второй образец сваривают в кипящей воде в течение 30 сек и измеряют его длину. Она оказалась равной 40 мм. Следовательно, усадка составила ((100-40)×100)/100=60%. Влажность образца овчины определяют весовым методом по ГОСТ 938.1-67 в момент определения усадки при сваривании, она составила 305 г на 100 г абсолютно сухого вещества. Для расчетов приняли большой период повторяемости 68 нм, диаметр фибриллы 120 нм.
Пример 2. Из шкуры овчины в области пашины ближе к брюшной области вырезают два образца размером 100×10 мм. Один образец используют для определения влажности по ГОСТ 938.1-67. Второй образец сваривают в кипящей воде, в течение 30 сек и измеряют его длину. Она оказалась равной 59 мм. Следовательно, усадка составила ((100-59)×100)/100=41%. Влажность образца овчины определяют весовым методом по ГОСТ 938.1-67 в момент определения усадки при сваривании, она составила 250 г на 100 г абсолютно сухого вещества. Для расчетов приняли большой период повторяемости 60 нм, диаметр фибриллы 100 нм.
Пример 3. Из шкуры овчины в области пашины ближе к брюшной области вырезают два образца размером 100×10 мм. Один образец используют для определения влажности по ГОСТ 938.1-67. Второй образец сваривают в кипящей воде, в течение 30 сек и измеряют его длину. Она оказалась равной 48 мм. Следовательно, усадка составила ((100-48)×100)/100=52%. Влажность образца овчины определяют весовым методом по ГОСТ 938.1-67 в момент определения усадки при сваривании, она составила 220 г на 100 г абсолютно сухого вещества. Для расчетов приняли большой период повторяемости 65 нм, диаметр фибриллы 80 нм.
В таблице 1 приведен алгоритм определения структурных параметров обводненной кожевой ткани для примера 1.
Алгоритм определения структурных параметров обводненной кожевой ткани.
Таблица 1
Диаметр молекулы в абсолютно сухом состоянии, нм
0,95
Число π
3,141592654
Диаметр молекулы в обводненном состоянии, нм
1,4
Длина периода первичной исчерченности, нм
68
Диаметр фибриллы, нм
120
Отношение диаметра фибриллы к диаметру внутреннего элемента
8,003251563
Число Авогадро
6,02205Е+23
Протяженность проекции аминокислотного остатка на ось молекулы, нм
0,286
Количество аминокислотных цепей в молекуле коллагена, шт.
3
Молекулярная масса одного аминокислотного звена в полипептидной цепи, аем
92,6
Масса одной единицы атомной массы, кг
1,66057Е-27
Масса абсолютно сухого вещества образца коллагена, кг
0,1
Количество влаги кг на 0,1 кг абсолютно сухого вещества, кг
0,305
Количество периодов поперечной исчерченности в длине молекулы
6
Длина молекулы, нм
408
Площадь поперечного сечения молекулы в абсолютно сухом состоянии, нм<sup>2</sup>
0,708821842
Объем молекулы в абсолютно сухом состоянии, нм<sup>3</sup>
289,1993117
Объем молекулы в абсолютно сухом состоянии, м<sup>3</sup>
2,89199Е-25
Масса молекулы, аем
396302,0979
Масса молекулы, кг
6,58086Е-22
Количество молекул в 0,1 кг абсолютно сухой массы
1,51956Е+20
Плотность абсолютно сухого вещества (молекулярная), кг/м<sup>3</sup>
2275,54354
Объем плотного абсолютно сухого вещества массой 0,1 кг, м<sup>3</sup>
4,39455Е-05
Площадь поперечного сечения молекулы в обводненном состоянии, нм<sup>2</sup>
1,5393804
Объем молекулы в обводненном состоянии, нм<sup>3</sup>
628,0672033
Объем молекулы в обводненном состоянии, м<sup>3</sup>
6,28067Е-25
Объем всех обводненных молекул в 0,1 кг абсолютно сухого вещества, м<sup>3</sup>
9,54385Е-05
Молекулярная плотность молекул в обводненном состоянии, кг/м<sup>3</sup>
1047,794921
Объем воды в молекулярном пространстве, м<sup>3</sup>
5,1493Е-05
Содержание влаги в молекулярном объеме г в 0,1 кг
51,4929788
Диаметр внутреннего элемента фибриллы, нм
14,9939058
Площадь поперечного сечения фибриллы, занятая молекулами, нм<sup>2</sup>
11133,16253
Площадь поперечного сечения фибриллы, занятая молекулами, м<sup>2</sup>
1,11332Е-14
Усадка образца при сваривании (протяженность зоны в фибрилле, не занятой молекулами), %
60
Длина фибриллы, занятая молекулами в 0,1 кг абсолютно сухого вещества, м
8572453973
Протяженность зоны, занятой молекулами в фибрилле, %
40
Длина фибриллы, не занятая молекулами в 0,1 кг абсолютно сухого вещества, м
12858680960
Площадь поперечного сечения внутреннего элемента, нм<sup>2</sup>
176,5710246
Площадь поперечного сечения внутреннего элемента, м<sup>2</sup>
1,76571Е-16
Объем внутреннего элемента, м<sup>3</sup>
3,78412Е-06
Объем не занятой части фибриллы, м<sup>3</sup>
0,000146942
Объем всей фибриллы с массой абсолютно сухого вещества 0,1 кг, м<sup>3</sup>
0,00024238
Плотность фибриллы с массой абсолютно сухого вещества 0,1 кг, кг/м<sup>3</sup>
412,5745701
Пористость фибриллы с массой абсолютно сухого вещества 0,1 кг, %
60,62449225
Количество влаги в фибрилле, кг
0,146941902
Содержание влаги в фибриллярном объеме, г в 0,1 кг
146,9419025
Количество влаги в межфибриллярном пространстве, г на 0,1 кг абсолютно сухого вещества
106,5651187
Объем, занятый водой, между волокнами, м<sup>3</sup>
0,000106565
Масса обводненной кожи с массой абсолютно сухого вещества 0,1 кг
0,405
Объем обводненной кожи с массой абсолютно сухого вещества 0,1 кг
0,000386526
Весь объем не занятых пространств в коже, м<sup>3</sup>
0,000305
Пористость кожи, %
78,90801254
Пористость в молекулярном пространстве, %
53,95408163
Пористость в фибрилле, %
60,62449225
Объем пространств между молекулами, м<sup>3</sup>
5,1493Е-05
Объем пространств в фибрилле, м<sup>3</sup>
0,000146942
Объем пространств в волокнах, м<sup>3</sup>
0,000106565
Пористость (объем пространств между молекулами), %
16,88294387
Пористость (объем пространств в фибрилле), %
48,17767294
Пористость (объем пространств в волокнах), %
34,93938319
Площадь поверхности всех молекул в 0,1 кг, м<sup>2</sup>
668,3369983
Площадь поверхности всех фибрилл в 0,1 кг, м<sup>2</sup>
642,934048
* Примечание. Жирным шрифтом выделены показатели, определяемые инструментально. Курсивом выделены показатели, принятые по литературным данным. Обычным шрифтом выделены рассчитанные показатели.
Аналогично определяют параметры структуры кожевой ткани для других примеров. Результаты определений приведены в таблице 2.
Параметры структуры кожевой ткани для примеров заявляемого изобретения
Таблица 2
Параметры структуры кожевой ткани
Пример
1
2
3
Длина периода первичной исчерченности, нм
68
60
65
Диаметр фибриллы, нм
120
100
80
Количество влаги на 0,1 кг абсолютно сухого вещества, кг
0,305
0,250
0,220
Усадка волокна при сваривании, %
60
41
52
Длина молекулы, нм
408
360
390
Молекулярная масса, аем
396302
349678
378818
Плотность абсолютно сухого вещества (молекулярная), кг/м<sup>3</sup>
2275,5
2275,5
2275,5
Молекулярная плотность молекул в обводненном состоянии, кг/м<sup>3</sup>
1047,79
1047,79
1047,79
Пористость в молекулярном пространстве, %
53,954
53,954
53,954
Пористость в фибрилле, %
60,624
41,921
52,749
Пористость кожи, %
78,908
74,842
72,035
Объем пространств между молекулами, % от общего пространства в объеме массой абсолютно сухой кожи 0,1 кг
16,883
20,597
23,406
Объем пространств в фибрилле, % от общего пространства в объеме массой абсолютно сухой кожи 0,1 кг
48,178
27,554
48,429
Объем пространств в волокнах, % от общего пространства в объеме массой абсолютно сухойкожи 0,1 кг
34,9394
51,847
28,164
Площадь поверхности всех молекул в 0,1 кг, м<sup>2</sup>
668,337
757,449
699,183
Площадь поверхности всех фибрилл в 0,1 кг, м
642,934
523,065
803,668
Из анализа алгоритма, приведенного в таблице 1, следует, что такие параметры, как длина периода первичной исчерченности, диаметр фибриллы, не оказывают влияния на распределение объемов пор, который всецело зависит только от двух параметров - усадки при сваривании и влажности в момент определения усадки.
Из результатов определений видно, что, измеряя параметры: усадку кожевой ткани при сваривании и влажность в момент определения усадки при сваривании, можно полностью характеризовать пористую структуру кожевой ткани и коллагена дермы.
Преимущества предлагаемого способа состоят в том, что впервые удалось определить для реального образца кожевой ткани, полностью обводненного, дифференцированный объем пространств между структурными элементами коллагена кожевой ткани - между молекулами, внутри фибрилл и в межфибриллярном волоконном пространстве.
Преимущества предлагаемого способа определения структурных характеристик коллагена дермы по сравнению с прототипом (см. Головтеева А.А. и др. Лабораторный практикум по химии и технологии кожи и меха: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 312 с. г.ил.) состоят в следующем:
- простота способа определения структурных характеристик коллагена дермы, а именно расчет соответствующих объемов пространств между молекулами, в фибриллах, между фибриллами в волокнах;
- получение дифференциального распределения пространств в кожевой ткани;
- использование общедоступных средств измерения (линейка и весы);
- использование в производстве для контроля обводненности.