СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОГО ГИДРОГЕЛЯ
METHOD OF OBTAINING SUPRAMOLECULAR HYDROGEL

Изобретение относится к области супрамолекулярной химии, изучающей химические, физические и биологические особенности химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.
Объекты супрамолекулярной химии - структуры, строящиеся самопроизвольно из комплементарных, т.е. имеющих геометрическое и химическое соответствие, фрагментов. Направленное конструирование супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами является важнейшей задачей супрамолекулярной химии. Особый интерес для выяснения процессов самоорганизации молекул в растворе и перспектив практического использования представляют супрамолекулярные гидрогели, состоящие из супрамолекул, образованных в результате самосборки коротких молекул (желаторов) за счет слабых сил межмолекулярного взаимодействия (водородного связывания, электростатического взаимодействия и др.). Нековалентные сшивки супрамолекул и/или механические зацепления образуют трехмерную сетку, внутри которой находится растворитель, что и придает прочность системе.
Низкоконцентрированные гидрогели перспективны для применения в области нанотехнологий, фармакологии, биомедицины, например при адресной доставке лекарственных препаратов, при изготовлении раневых покрытий, мазей для заживления ран и ожогов, имплантатов, при моделировании живых систем.
-4
-2
-4
-4
Исследованием уровня техники установлено, что аналогом получения супрамолекулярных гидрогелей являются низкоконцентрированные гели, полученные на основе серосодержащей аминокислоты L-цистеин и нитрата серебра RU 24329378, опубл. 20.06.2011. Известный способ включает приготовление водного раствора, содержащего фрактальные кластеры на основе L-цистеина и нитрата серебра концентрации от 0,5⋅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, смешение, далее смесь оставляют вызревать в защищенном от света месте на 10 часов при комнатной температуре, к полученному раствору кластеров добавляют водный раствор сульфата щелочного или щелочноземельного металла в таком количестве, чтобы содержание сульфата металла в смеси составляло от 2,5⋅10 ммоль до 8⋅10 ммоль в 1 мл, смесь выдерживают в термостате при температуре 15-30°С в защищенном от света месте в течение 20 часов. Через определенное время, зависящее от концентрации компонентов, жидкая система превращается в гель.
На первом этапе при сливании водных растворов исходных компонентов образуется мутная, слегка опалесцирующая смесь, представляющая собой взвесь частичек цистеината (меркаптида) серебра, являющегося продуктом взаимодействия катиона серебра и тиольной группы цистеина. pH раствора при этом снижается, поскольку атом водорода в тиольной группе замещается атомом серебра, и протон поступает в водную среду (Батлер Дж.Н. Ионные равновесия. - Л.: Химия, 1973). Участие L-цистеина и продуктов его взаимодействия, в том числе и различных супрамолекулярных систем, в процессах метаболизма в живых организмах вызывает необходимость приближения значений pH этих систем к физиологическим значениям, которые, например, для кожи варьируются в интервале 4-6.
Технический результат настоящего изобретения заключается в разработке способа получения супрамолекулярных гидрогелей с расширенной сферой практического применения.
+
+
2+
2+
2+
2+
3+
2+
2+
2+
Технический результат достигается тем, что водный раствор L-цистеина смешивают с водным раствором ацетата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,0 до 6,0 ммоль, а отношение молярных концентраций ацетата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,23 до 1,33. Полученную после смешивания исходных компонентов смесь оставляют при комнатной температуре в защищенном от света месте на 4 или более часа для формирования L-цистеин-серебряного раствора, который является прекурсором гидрогеля. При добавлении в L-цистеин-серебряный раствор водного раствора сульфата соли с катионом из ряда Na, K, Cu, Fe, Mg, Zn, Al, Ni, Co, Mn с концентрацией сульфата металла в смеси в пределах 0,075-0,750 ммоль, через определенное время, зависящее от типа катиона и концентрации сульфата, жидкая система превращается в гель.
Сущность изобретения заключается в следующем.
+
+
2+
2+
2+
2+
3+
2+
2+
2+
Смешением L-цистеина с водным раствором ацетата серебра заявляемой концентрации и соотношением исходных компонентов, и, следующим за созреванием L-цистеин-серебряного раствора, добавлением сульфата заявляемого концентрационного диапазона с катионом из ряда Na, K, Cu, Fe, Mg, Zn, Al, Ni, Co, Mn получают супрамолекулярный гидрогель, более «дружественный» организму человека, что значительно расширяет сферу его практического применения в биомедицинских целях. Кроме того, применение ацетат-аниона для получения L-цистеин-серебряного раствора приводит к уменьшению кислотности среды за счет участия ацетат-иона в протонировании, при котором часть свободных протонов связывается с ацетат-ионом - анионом слабой кислоты, и, как следствие, позволяет уменьшить положительный заряд сеточных фрагментов за счет диссоциации протонированных аминогрупп L-цистеин-серебряного раствора и регулировать таким образом процесс формирования супрамолекулярных гидрогелей.
4
4
4
2-
2-
2-
Для инициирования гелеобразования в L-цистеин-серебряный раствор необходимо добавить электролит, содержащий определенные анионы. Среди анионов, не образующих комплексы с ионом серебра, особенно эффективны двухзарядные кислородсодержащие анионы - MoO, WO, SO. Экспериментальным путем было установлено, что наибольшей прочностью, устойчивостью во времени и наиболее коротким временем структурирования - формирования трехмерной гель-сетки - обладают гидрогели на основе L-цистеина и ацетата серебра с добавлением сульфат-аниона.
Изобретение поясняется графическими материалами: Таблицами 1, 2 и Фиг. 1-6.
Таблица 1. Значение pH L-цистеин-серебряных растворов, полученных по заявляемому способу и прототипу в зависимости от концентрации сульфат-анионов. Концентрация L-цистеина в смеси 1,0 мМ.
Таблица 2. Описание характера деформации и оценка ее в баллах.
Фиг. 1. Фотографии структурирования исходной смеси водных растворов L-цистеина и ацетата серебра в супрамолекулярный гидрогель, а - раствор сразу после смешивания исходных компонентов, б - созревший L-цистеин-серебряный раствор - прекурсор супрамолекулярного гидрогеля; в - супрамолекулярный гидрогель.
Cys
Ag+
Cys
Ag+
Na2SO4
Cys
Ag+
Mn2SO4
Фиг. 2. Микроснимок образца L-цистеин-серебряного раствора, полученный с помощью просвечивающей электронной микроскопии, а) C = 3,0 мМ, C = 3,75 мМ; б) C = 3,0 мМ, C = 3,75 мМ, C = 0,75 мМ; в) C = 0,75 мМ, C = 0,94 мМ, C = 0,05 мМ.
Cys
Ag+
Фиг.3. Изменение электронных спектров L-цистеин-серебряного раствора в зависимости от времени формирования: 1 - свежеприготовленная система, 2 - через 1,5 час, 3 - через 4 часа; C = 3,0 мМ, C = 3,75 мМ, Т=22°С.
Cys
Ag+
Фиг. 4. Распределение частиц по размерам в созревшем образце L-цистеин-серебряного раствора C = 3,0 мМ, C = 3,75 мМ.
Cys
Ag+
Фиг. 5. Значения Дзета-потенциала частиц в созревшем образце L-цистеин-серебряного раствора C = 3,0 мМ, C = 3,75 мМ. 3 - заявляемый способ, 4 - прототип.
Фиг. 6. Зависимость прочности геля от концентрации сульфат-иона.
2
4
4
4
4
4
5 - NaSO; 6 - NiSO; 7 - MnSO; 8 - CoSO; 9 - ZnSO.
Трансформацию L-цистеин-серебряного раствора в супрамолекулярный гидрогель иллюстрирует Фиг. 1.
Способ осуществляется следующим образом.
Для приготовления L-цистеин-серебряного раствора на основе L-цистеина и ацетата серебра к раствору L-цистеина приливают такое количество воды и затем раствора ацетата серебра, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,0 до 6,0 мМ, а отношение молярных концентраций ацетата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,23 до 1,33. Смесь оставляют в защищенном от света месте при комнатной температуре на 4 часа, что необходимо для формирования L-цистеин-серебряного раствора. Индикатором окончательного формирования прекурсора гидрогеля - L-цистеин-серебряного раствора является превращение мутного опалесцирующего раствора в светло-желтый прозрачный раствор Фиг. 1а и 1б. Образование прочного супрамолекулярного гидрогеля в результате добавления раствора электролита (соли) заданной концентрации в прозрачный светло-желтый раствор иллюстрирует Фиг. 1в.
Структуру L-цистеин-серебряного раствора, характеризующуюся образованием смеси кластеров и цепочек кластеров с дальнейшим формированием из цепочек пространственной сетки, зависящую от концентрации добавляемого электролита, иллюстрируют Фиг. 2а, 2б, 2в.
Формирование структуры L-цистеин-серебряного раствора можно проследить по УФ-спектрам (Фиг. 3). На представленных УФ-спектрах L-цистеин-серебряного раствора с молярным соотношением исходных компонентов 1,25 наблюдается возникновение и рост полос поглощения с максимумами ~311 и ~393 нм. Достижение насыщения в росте полос поглощения, т.е. прекращение их возрастания, является спектральным признаком созревания системы, т.е. формирования прекурсора гидрогеля. В зависимости от концентрации исходных компонентов и температуры это время составляет 4 часа или более.
Методом динамического светорассеяния (Фиг. 4) в L-цистеин-серебряном растворе регистрируются частицы, характеризующиеся широким распределением гидродинамических радиусов по размерам и средним значением ~165 нм, являющиеся фрагментами пространственной сетки
Измерение дзета-потенциала (Фиг. 5) показало, что величина потенциала для частиц L-цистеин-серебряного раствора полученным заявляемым способом составляет ~ +57 мВ, что существенно меньше значения для прототипа ~ +85 мВ. Более низкие значения потенциала для частиц, полученных заявляемым способом, обусловлены присутствием в растворе ацетат-иона, который, как анион слабой кислоты, принимает участие в протолитической реакции
3
3
-
+
CHCOO + H → СНСООН
и изменяет тем самым заряд формирующихся агрегатов.
Снижение значений pH в заявляемом способе иллюстрирует Таблица 1.
Таким образом, заявляемым способом получен L-цистеин-серебряный раствор, имеющий фрактальную структуру, пригодный для дальнейшего получения супрамолекулярных гидрогелей с расширенной сферой практического применения.
Экспериментально установлено, что при концентрации L-цистеина в смеси менее 1,0 ммоль не происходит образование пространственной сетки, а при концентрации выше 6,0 ммоль смесь постепенно мутнеет и через некоторое время выпадает осадок. При отношении молярных концентраций ацетата серебра к L-цистеину ниже 1,23 и выше 1,33 L-цистеин-серебряный раствор не формируется, происходит выпадение осадка.
Для инициирования гелеобразования в L-цистеин-серебряный раствор добавляют двухзарядный анион - сульфат-ион. На основании проведенной серии экспериментальных исследований были выявлены катионы из ряда Na, Ni, Cu, Fe, Mg, Zn, Al, сульфаты которых при смешении с L-цистеин-серебряным раствором в заявляемом концентрационном диапазоне 0,075-0,750 ммоль образуют устойчивый супрамолекулярный гидрогель. Фиг. 6 иллюстрирует образование устойчивости супрамолекулярного гидрогеля при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 ммоль для ряда катионов. Устойчивость геля оценивали по его деформации Таблица 2.
Пример применения способа.
0,6 мл 0,01 М водного раствора L-цистеина приливают к 0,65 мл бидистиллированной воды, смесь перемешивают и затем добавляют 0,75 мл 0,01 М водного раствора ацетата серебра. В результате получают бледно-желтый опалесцирующий раствор, который при созревании в течение 4 часов в темноте, при комнатной температуре, становится прозрачным, приобретая желтый оттенок. Для получения геля в созревший L-цистеин-серебряный раствор добавляют раствор электролита - сульфата натрия концентрации 0,25 мМ. За 60 минут сформировался устойчивый супрамолекулярный гидрогель.
Полученный заявляемым способом «дружественный» супрамолекулярный гидрогель с регулируемой структурой имеет расширенную сферу практического применения в медицинской практике.