СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ АЛЬБУМИНА ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ ЕГО МЕТАЛЛУГЛЕРОДНЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ
METHOD OF INCREASING OF ALBUMIN THERMAL STABILITY WHEN MODIFYING IT WITH METAL-CARBON NANOSTRUCTURES

Настоящее изобретение относится к способам повышения термостойкости биообъектов (альбумина) и может быть использовано при изготовлении биопрепаратов нового поколения. Необходимость повышения термостойкости альбумина связана с требованиями высокой устойчивости биопрепаратов к термической обработке.
Способ направлен на повышение термостойкости альбумина, модифицируя его металлуглеродными наноструктурами. Настоящее изобретение направлено на разработку способа, позволяющего получить высокий технический результат по повышению термостойкости альбумина, при использовании доступной практически любому производителю технологии.
Известны в качестве стабилизаторов альбумина ацетилтриптофанат натрия и каприлат натрия (патент RU 93004727). Недостаток этих стабилизаторов связан с нестабильностью белкового раствора со временем.
В качестве прототипа выбран способ, известный по патенту RU №2414237 (заявка 30.04.2008), основанный на модификации альбумина совиалем для повышения его стабильности. Изобретение обеспечивает повышенную стабильность сополимерно-модифицированных форм альбумина к физико-химическим воздействиям (60°C, 10 часов).
Недостатком этого способа, во-первых, является необходимость использовать для модификации альбумина количество совиаля, как минимум в 3-5 раз превышающее модифицированный объект; во-вторых, низкая температурная (60°C) стабильность модифицированного альбумина.
Заявленный способ повышения термостойкости альбумина позволяет использовать количество модификатора <0,01 от объема модифицированного объекта и достигать высокую температуру стабильности модифицированного альбумина (250°C).
Целесообразно в качестве модификаторов использовать металлоуглеродные наноструктуры. В нашем случае металлуглеродные наноструктуры (нанотрубки, волокна и др.), которые использовались для модифицирования альбумина, получены применением низкотемпературного синтеза [1]. Это способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур в нанореакторе полимерной матрицы (пункт 2). Для этого способа исследовано влияние на синтез наноструктур состава компонентов, заполнение d-оболочек металла, функционализация sp- и d-групп [1]. В качестве металлов при образовании металлоуглеродных наноструктур необходимо использовать металлы IB группы IV, V, VI периодов, т.е. с заполненной d-оболочкой, образующие слабые химические связи с окислами или солями в отличие от металлов с незаполненной d-оболочкой, являющихся катализаторами окисления. К используемым металлам относятся медь, серебро, золото.
Способ получения модифицированного альбумина осуществляют следующим образом: наноструктуры растворяют в воде. После повышения плотности раствора до определенной величины к данному раствору наноструктур добавляют альбумин в соотношении по массе: наноструктур 0.01, альбумина 1. Поверхность наноструктур имеет низкую реакционную способность, и для ее повышения в качестве связующего звена между наноструктурами и модифицированным материалом используют функциональные группы sp- или d-элементов, т.е. присоединение к поверхности наноструктуры атомов p- или d-элементов, образующих ковалентную связь с атомами на поверхности наноструктур [2]. Образование ковалентной связи с внешними атомами разрыхляет наноструктуру, ослабляет химические связи между атомами внутри нее и позволяет им проникать в модифицируемый материал, образуя с ним прочные связи и улучшая эксплуатационные свойства. Функционализация приводит к значительному уменьшению количества модификатора при модифицировании материала. В данном случае достаточно менее одного процента наноструктур относительно модифицированного материала.
В нашей заявке в качестве модифицируемого материала представлен альбумин, а модификатора - металлуглеродные наноструктуры, функционализированные sp-элементами (фосфор) в соотношении, близком к 1:1 по массе.
В качестве контроля за изменением структуры при изменении температуры используют метод рентгеноэлектронной спектроскопии. Исследования выполняли на уникальном 100-см рентгеноэлектронном магнитном спектрометре, позволяющем изучать изменения межатомного взаимодействия и окружения атомов, связанные с изменением температуры альбумина. Это самый точный и надежный способ обнаружения изменений в структуре материала. Кроме того, он является неразрушающим по сравнению с методами, использующими электронные и ионные пучки [3, 4].
2
Изобретение основано на экспериментальных исследованиях, полученных методом рентгеноэлектронной спектроскопии на рентгеноэлектронном магнитном спектрометре с теоретическим обоснованием [5]. Определены параметры составляющих спектров C1s и N1s, характеризующие состояние альбумина: аминокислотные составляющие в спектре N1s-NH и в спектре C1s-COOH указывают на наличие альбумина в нормальном состоянии. Отсутствие этих составляющих в спектрах C1s, N1s и рост составляющих N-О и С=O при нагреве более 60°C указывают на окислительное повреждение альбумина.
2
3
Показано, что низкая термостабильность альбумина обусловлена слабой связью аминокислотных групп (NH, NH, NH) и карбоксильной группы СООН, которая уменьшается с нагревом. Растет окисление азота (N-O) и углерода (С=O), что характеризует разрушение альбумина.
2
2
Одним из следствий образования прочной ковалентной связи атомов аминогруппы NH с атомами углерода (С-NH) при модифицировании альбумина металлоуглеродными наноструктурами является повышение термостабильности модифицированного альбумина до 250°С в течение месяца после изготовления. После 3,5 месяцев хранения при комнатной температуре термостойкость модифицированного альбумина снизилась до 150°C.
Присутствие в модифицированном альбумине металлических катализаторов (например: Ni-O, никельуглеродных наноструктур) приводит к окислению и повреждению альбумина уже при комнатной температуре из-за образования карбонильных групп C=O и разрушения групп N-H.
Примеры
2
2
2
1. Использование в качестве модификатора медьуглеродных нанотрубок показало отсутствие повреждения альбумина до 250°C. С увеличением температуры выше 250°C интенсивность NH и COOH составляющих альбумина уменьшается. Наблюдается рост N-O и C=O составляющих, что указывает на повреждение альбумина. При 350°C составляющие (NH, COOH), характерные для альбумина, полностью исчезают. Происходит замена NH на NO и карбоксильных COOH групп на карбонильные C=O, что характеризует распад альбумина.
2
2. Модифицирование альбумина никельуглеродными натрубками или наночастицами NiO привело к изменению спектров C1s и N1s и, следовательно, изменению формы альбумина, т.е. к его повреждению, уже при комнатной температуре. В спектрах отсутствуют составляющие альбумина COOH и NH, а появляются C-С, С-H, С=O, N-O, т.е. наличие металлического катализатора (Ni, NiO) приводит к окислительному повреждению альбумина.
На примерах показана необходимость использования в качестве модификатора альбумина для его температурного упрочнения металлоуглеродных наноструктур, в которых используются металлы с заполненной d-оболочкой. В примере 1 в качестве такого металла использована медь, аналогичные результаты получаются при использовании серебра и золота (IB группа в Периодической системе элементов).
Список литературы
1. Васильченко Ю.М., Шкляева Т.А., Ахметшина Л.Ф. Патент №Р2393110 от 27.06.2010 «Способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур в нанореакторе полимерной матрицы».
2. Shabanova I.N., Terebova N.S. X-ray photoelectron study of the functionalization of carbon metal-containing nanotubes with phosphorus atoms // Electron Spectroscopy and Related Phenomena, в печати.
3. Монография В.А.Трапезников, И.Н.Шабанова, Н.С.Теребова, А.В. Мурин, Е.А.Наймушина «Исследование электронной структуры систем на основе переходных металлов при изменении концентрации, температуры и давления». Москва-Ижевск, Изд-во «Удмуртский университет», Институт компьютерных исследований, 2011, 216 с.
4. Монография В.А.Трапезников, И.Н.Шабанова, А.В.Холзаков, Г.А.Пономарев, А.В.Мурин, Г.В.Сапожников «Рентгеноэлектронная спектроскопия жидких и аморфных металлических систем» // Москва-Ижевск, Изд-во «Удмуртский университет», Институт компьютерных исследований, 2011, 200 с.
5. I.N.Shabanova, L.G.Makarova, V.L.Kodolov, A.P.Kuznetsov. X-ray photoelectron spectroscopy as a method to control the formation metal-carbon tubules / Surface and Interface Analysis, 2002, v.34, 80-83.