СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЯЗКОСТИ НИЗКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА И НИТРАТА СЕРЕБРА
METHOD OF CHANGING EFFICIENT VISCOSITY OF WEAK GELS BASED ON L-CYSTEINE AND SILVER NITRATE

Изобретение относится к области получения гелей на основе L-цистеина и нитрата серебра, а именно: к изменению их эффективной вязкости.
Низкоконцентрированные гели - это молекулярно-коллоидные структуры, полученные в результате ассоциации частиц в трехмерную сетку, причем массовая доля дисперсной фазы намного меньше массовой доли дисперсионной среды. Структура геля обусловлена характером межмолекулярного взаимодействия между элементами дисперсной фазы, энергия которых гораздо слабее энергии ковалентных химических связей. Новые низкоконцентрированные гели перспективны в области нанотехнологий.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что разработан способ получения низкоконцентрированных гелей на основе L-цистеина и нитрата серебра, обладающих заданной по пятибалльной шкале вязкостью.
Технический результат достигается тем, что водный раствор, содержащий фрактальные кластеры на основе L-цистеина и нитрата серебра концентрации 0,50÷1,17 ммоль/л по L-цистеину, смешивают с водным раствором сульфата щелочного или щелочноземельного металла концентрации 0,25÷0,8 ммоль/л при молярном соотношении L-цистеина и сульфата щелочного или щелочноземельного металла, соответствующем пятибалльной шкале и изменяющемся в диапазоне от 1:0,015 до 1:0,030.
Исследованием уровня техники установлено, что способов изменения эффективной вязкости низкоконцентрированных гелей на основе L-цистеина и нитрата серебра с помощью введения в гель водного раствора сульфата щелочного или щелочноземельного металла не обнаруживается.
Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷7), Таблицей 1.
Фиг.1. ИК-спектр кластеров (кривая 1) и геля, полученного загущением раствора кластеров сульфатом натрия (кривая 2).
Фиг.2. УФ-спектры раствора кластеров (кривая 1) и геля, полученного загущением раствора кластеров сульфатом натрия (кривая 2).
Фиг.3. Распределение кластеров по размерам в геле.
Фиг.4. Микрофотография геля.
Фиг.5. Зависимость прочности геля от концентрации сульфата натрия.
Фиг.6. Зависимость прочности геля от концентрации нитрата калия.
Фиг.7. Зависимость прочности геля от концентрации ацетонитрила.
Таблица 1. Описание характера деформации и оценка ее в баллах.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Гель на основе раствора фрактальных кластеров, приготовленных из L-цистеина и нитрата серебра, представляет собой агрегированные в определенную сетчатую структуру фрактальные кластеры, скрепленные между собой сульфат-ионами.
При добавлении в раствор фрактальных кластеров на основе L-цистеина и нитрата серебра раствора сульфата некоторых металлов первой и второй главных подгрупп таблицы Менделеева, то есть лития, натрия, калия, рубидия, цезия, магния, кальция, в системе протекают процессы формирования пространственной сетки, заполняющей весь объем, занятый раствором.
Выбор сульфатов элементов главных подгрупп первой и второй групп в качестве загущающего реагента обусловлен их инертностью как комплексообразующих ионов по отношению к ионам серебра и L-цистеину: сульфат-ионы образуют с катионом серебра, а катионы щелочных и щелочноземельных металлов - с L-цистеином комплексы крайне низкой устойчивости. В итоге образование геля практически не сопровождается изменением свойств фрактальных кластеров: их размеров и электрокинетического потенциала. Поэтому свойства фрактальных кластеров сохраняются и в гелевой матрице. 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. А нитрат серебра в небольших концентрациях оказывает противовоспалительное действие.
Вязкость геля на основе L-цистеина и нитрата серебра при его практическом применении необходимо изменять в определенных задачами практики пределах. Как известно, гели относятся к неньютоновским жидкостям, поэтому такие критерии, как кинематическая вязкость, динамическая вязкость к ним не применимы. Они характеризуются так называемой эффективной вязкостью, для количественной оценки которой нами предложена пятибалльная шкала, фиксирующая характер деформации столбика геля высотой 50 мм при переворачивании пробирки на угол, равный 180°. Под действием собственного веса происходит деформация материала и определенному уровню деформации присваивается соответствующий балл. В Таблице 1 приведено описание деформации и присвоенный этой деформации балл. С помощью таблицы можно быстро оценить прочность геля, что позволяет находить наиболее эффективные композиции за сравнительно короткое время.
Способность столбика геля удерживаться при ее переворачивании указывает на возникновение в системе "фрактальные кластеры-сульфат-ионы" протяженных молекулярных структур, образующих непрерывную пространственную сетку и заполняющих весь объем системы.
Гели на основе L-цистеина и нитрата серебра в присутствии сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов обладают тиксотропными свойствами, то есть способны разжижаться при встряхивании. После прекращения встряхивания гелевая структура образуется вновь.
Структурой геля можно управлять, изменяя физико-химические условия его получения. Основными способами управления являются следующие физико-химические параметры:
- массовая концентрация раствора фрактальных кластеров по L-цистеину, взятого для приготовления геля;
- концентрация сульфата металла (Фиг.5);
- присутствие в системе добавок электролитов (Фиг.6);
- присутствие в системе водорастворимых неэлектролитов (Фиг.7).
4
2-
-1
-1
-1
Присутствие сульфат-иона в структуре гелевой сетки может быть установлено различными методами. Наиболее удобным является метод ИК-спектроскопии, так как SO  имеет очень сильную полосу поглощения в диапазоне 1130÷1080 см и сильную полосу в области 680÷610 см. ИК-спектр вещества, из которого строится пространственная сетка, представлен на Фиг.1. Как видно из фигуры, в спектре геля (кривая 2) действительно присутствуют полосы поглощения, характерные для сульфат-иона с максимумами 1115 и 619 см, а в других спектральных диапазонах спектры геля и растворимого компонента раствора, содержащего фрактальные кластеры на основе L-цистеина и нитрата серебра (кривая 1), практически не различаются.
Факт малого влияния сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов на электронную структуру кластеров подтверждается УФ-спектрами раствора кластеров и геля (Фиг.2). Как видно из спектров, при введении в раствор кластеров сульфата натрия электронный спектр системы практически не изменился, что свидетельствует о ненарушенности электронной структуры.
Существование кластеров в геле установлено с помощью метода динамического светорассеяния. Измерение интенсивности динамического светорассеяния осуществляли с помощью спектрометра, включающего AL-SP-81 гониометр 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 рассчитывался из уравнения Эйнштейн-Стокса на основании графика зависимости распределения коэффициента диффузии W(D) от коэффициента диффузии.
На Фиг.3 представлены данные динамического светорассеяния, которые свидетельствуют о наличии в геле фрактальных кластеров со средним гидродинамическим радиусом 50 нм, что свидетельствует о переносе свойств фрактальных кластеров раствора в гелевую матрицу.
На Фиг.4 представлены электронно-микроскопические снимки высушенного на подложке геля, полученные при просвечивании на электронном микроскопе "LEO 912 АВ OMEGA" (Carl Zeiss, Германия), иллюстрирующий самоорганизацию твердой фазы при дегидратации раствора. Видно, что образуются характерные ветвистые структуры, подтверждающие образование сетки фрактальных кластеров при формировании геля.
Гель на основе L-цистеина, нитрата серебра и сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов совместим с полимерами медицинского назначения, такими как, например, поливиниловый спирт, поливинилпироллидон, и обладает способностью образовывать с ними новые супрамолекулярные структуры. Это открывает новые возможности для конструирования практически значимых супрамолекулярных структур.
В этот гель могут быть введены аминокислоты, углеводы, биологически активные микроэлементы (литий, цинк, кобальт, марганец, ванадий, медь, никель, селен, фтор) и это открывает новые возможности для конструирования биоматериалов.
Гель способен фиксировать в своей структуре липосомы, представляющие собой сферы от нескольких десятков нанометров до нескольких микрон, причем сферическая оболочка построена из двойного слоя фосфолипидов. Липосомы могут служить контейнером для биологически активных веществ, что позволяет получить гели с широким спектром фармакологических свойств.
Способ осуществляется следующим образом.
-4
-2
-4
-4
Приготавливается водный раствор фрактальных кластеров, содержащий от 5·10 ммоль до 1,17·10 ммоль L-цистеина в 1 мл раствора и нитрат серебра, концентрация которого в 1,25 раза превышает концентрацию L-цистеина. К полученному раствору кластеров прибавляют водный раствор сульфата щелочного или щелочноземельного металла в таком количестве, чтобы содержание сульфата металла в смеси составляло от 2,5·10 до 8·10 ммоль в 1 мл. Смесь выдерживают в термостате при температуре 15÷30°C в защищенном от света месте в течение 20 часов.
Пример выполнения способа.
1. Приготавливают раствор фрактальных кластеров. С этой целью:
а) растворяют 127,5 мг нитрата серебра в 100 мл дистиллированной воды;
б) растворяют 72,6 мг L-цистеина в 100 мл дистиллированной воды;
в) к раствору нитрата серебра приливают раствор L-цистеина и смесь перемешивают. Смесь оставляют вызревать в защищенном от света месте на 10 часов при комнатной температуре.
2. Приготовление геля.
С этой целью к полученному раствору кластеров приливают 4 мл раствора, содержащего 25 мг сульфата натрия. Смесь оставляют в защищенном от света месте при комнатной температуре на 20 часов.
Вследствие очень разветвленной структуры пространственной сетки геля, содержащего бактерицидные ионы серебра, и высокой степени адгезии положительно заряженного каркаса геля к патогенным микроорганизмам, несущим отрицательный заряд, а также благодаря способности геля аккумулировать биологически активные компоненты применение геля перспективно в медицинской практике по следующим направлениям.
В хирургии - для регенерации тканей и подавления деятельности патогенной микрофлоры при лечении язв, заживлении ран, лечении пролежней.
В ожоговой практике - как средство комплексного лечения в процессе реабилитации.
В офтальмологии - для лечения глазных болезней.
В фармакологии - для составления гелевых композиций с биологически активными компонентами.
В лор-практике - для лечения ангин, тонзиллитов, гайморитов, отитов.
Таблица 1
БАЛЛ
ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИИ
5
Гель при переворачивании пробирки почти не деформируется
4
Гель сильно деформируется, образуя куполообразный мениск, но не стекает
3
Гель деформируется и медленно стекает
2
Гель легко срывается и быстро стекает
1
Гель очень слабый, легко течет
0
Нет геля