Использование метода совмещенного термоанализа для разработки инновационных лекарственных препаратов

УДК 544-971:544.015.4

А. М. Ежкова, В. О. Ежков, А. Х. Яппаров, Е. С. Нефедьев, И. А. Яппаров, А. Р. Галимзянова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА СОВМЕЩЕННОГО ТЕРМОАНАЛИЗА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ

ИННОВАЦИОННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

Ключевые слова: совмещенные DSC-TGA кривые, масса, тепловой поток, диацетофенонилселенид (ДАФС-25), бентонит,

кормовая добавка «Селебен».

В статье представлен материал по изучению совмещенных DSC-TGA кривых теплового потока и массы минерала бентонит, селеноорганического препарата ДАФС-25 и кормовой добавки «Селебен». Полученные данные позволили сделать вывод о том, что созданный из ДАФС-25 и бентонита материал «Селебен» является новой субстанцией, с присущими только ей физическими свойствами, отличными от исходных аналогов. Метод наглядно показал и дополнил механизм ионного обмена в организме животных бентонита, ДАФС-25 и кормовой добавки «Селебен» при прохождении их через желудочно-кишечный тракт.

Keywords: combined DSC-TGA curves, mass, heat flux, drug DAFS-25, bentonite, feed additive «Celeben».

The article presents the material for the study of combined DSC-TGA curves of the heat flux and the mass of the mineral bentonite, organoselenium drug DAFS-25 and the feed additive «Celeben». The data obtained allowed to conclude that created from DAFS-25 bentonite material «Celeben» is a new substance, with only her inherent physical properties different from the original counterparts. Method demonstrated added and the mechanism of ion exchange in animals bentonite DAFS-25 and feed additives «Celeben» when they pass through the gastrointestinal tract.

Введение

Для более полной реализации продуктивных качеств животных одним из ключевых факторов является полноценное кормление, нормированное по ряду признаков, в том числе и минеральной питательности. В связи с чем, перспективным направлением является создание лекарственных препаратов и кормовых добавок с использованием передовых методов и эффективных составляющих нового поколения [1].

К числу наиболее дефицитных микроэлементов, играющих в организме важную биологическую роль, относится селен. Республика Татарстан, как и ряд территорий Российской Федерации, испытывает дефицит селена в объектах внешней среды: почвах, водах, растениях, что по трофической цепи обуславливает селеновую недостаточность в организме животных, а, следовательно, и в их продукции.

Препаратом нового поколения, удовлетворяющим потребности сельскохозяйственных животных и птицы, является диацетофенонилселенид -ДАФС-25, обладающий рядом уникальных качеств. Являясь органическим веществом, он легко вступает в процессы метаболизма и используется в организме животных, он менее токсичен в сравнении со своими неорганическими аналогами - селенитом и селе-натом натрия, более прост в практическом применении в виде кормовых добавок, а не инъекций [2].

Активное применение в последние десятилетия для удовлетворения минеральной недостаточности животных находят природные минералы, которые в своем составе имеют широкий спектр биологически доступных для животных макро-, микро - и ультраэлементов, находящихся в нативном состоянии [3-6].

Объединение положительных свойств природных минералов и препарата органически связанного селена явилось предпосылкой создания кормовой добавки нового поколения - «Селебен» для

улучшения метаболизма, увеличения продуктивности и повышения качества продукции.

Основная трудность, которую приходится преодолевать при создании новых материалов - несовместимость неорганических и органических компонентов. Проблема может быть решена путем модификации глины органическим веществом. Модифицированная глина (органоглина) имеет преимущества - хорошо диспергируется в полимерной матрице, взаимодействует с цепочкой полимера. Для создания композитов на основе органоглин используют слоистые природные неорганические структуры, такие как монтмориллонит, гекторит, каолин, сапонит и др. [7].

Технологии создания композиционных материалов, как правило, базируются на использовании физико-химических воздействий, включая микроволновое, ультразвуковое, механохимическое, крио-химическое, гидротермальное либо специфическое термическое, а также процессы с использованием ударных и взрывных волн [8].

Композит (композиционный материал) - материал, состоящий из двух или более микро - или макросоставляющих, которые различны по форме, химическому составу и нерастворимы в значительной степени друг в друге. Отличительной чертой композитов является то, что два или более заметно различающихся материала при объединении образуют материал, который обладает значительно улучшенными свойствами по сравнению со свойствами его индивидуальных составляющих [9, 10].

Целью исследований стало изучение некото -рых физических свойств (масса и тепловой эффект) лекарственного препарата ДАФС-25, природного минерала бентонита и изготовленной на их основе кормовой добавки «Селебена» методом совмещенного Б8С-ТвА термического анализа для доказательства создания нового материала со свойствами, отличающими его от исходных составляющих.

Материалы и методы исследования

Материалами исследований стали минерал бентонит Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан, селеноорганический препарат диаце-тофенонилселенид - ДАФС-25, кормовая добавка «Селебен».

Исследования проводили в Научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» в лаборатории «СМТА» методом синхронного термического анализа на приборе SDT Q600 V20.5 Build 15.

Результаты исследований и обсуждение

Метод совмещенного DSC-TGA термического анализа позволяет более полно раскрыть и интерпретировать физическую сущность исследуемых веществ, особенно при создании новых сложных смесей и композитных материалов (кормовых добавок, препаратов, удобрений), обосновать фундаментальную доказательную базу новизны и объяснить механизм ионного обмена элементов в организме и их воздействия на другие объекты.

Метод основан на одновременной регистрации изменения массы исследуемого вещества и процессов, сопровождающихся выделением или поглощением тепла. Комбинирование DSC и TGA кривых позволяет достаточно точно определить, является ли найденный тепловой эффект изменением физического свойства вещества или фазовым переходом. Программное обеспечение позволяет производить расчеты по кривым при совмещении различных образцов и происходящих в них процессах.

На рисунке 1 представлены совмещенные кривые изменения массы и теплового потока препарата ДАФС-25 при нагревании от 25 до 500°С.

Файл: C:\TA\Data\SDT\vet ins\org.selen

Температура

Universal V4.5A TA Instruments

Рис. 1 - Кривые изменения теплового потока и массы ДАФС-25

Установлено, что при нагревании образца в температурном промежутке от 126 до 277°С происходит существенная потеря массы на 53,5%, в дальнейшем она продолжает уменьшаться, и к температуре 500°С потеря составляет 96,3% от первоначальной общей массы. При этом наиболее значительные изменения кривой теплового потока происходят при температуре 69,6-84,8°С, что показывает на течение процесса с большим поглощением тепла

(тепловой поток имеет максимальный показатель 0,74-0,84 W/g) и характеризует переход вещества из одного физического состояния в другое. Можно предположить, что происходит переход из твердого состояния в расплавленное. Этот момент хорошо согласуется с техническими характеристиками препарата ДАФС-25, у которого зарегистрирована температура плавления 68-72°С. В температурном промежутке от 126 до 277°С наблюдаем изменения теплового потока с модификацией физического и химического состояния вещества, на что указывает тепловая кривая с участками выделения (226-258°С) и поглощения (126-226°С и 258-277°С) тепла. Выделение тепла характеризует процесс распада вещества на более простые составляющие. Можно предположить, что на этапах выделения тепла начинается процесс распада органического селена с разделением на единичные органические структуры и неорганические элементы, что подтверждается значительной потерей массы препарата.

При анализе совмещенных кривых природного минерала бентонита наблюдали потерю массы с начала процесса нагревания (рис. 2).

DSC-TGA

1 \

\ vpir4"''-- V' ^ ~~----- ч\ / —_ < 4 /

Рис. 2 - Кривые изменения теплового потока и массы бентонита

Увеличение температуры до 220°С обусловило потерю на 5,2%, последующее нагревание образца до 500°С способствовало снижениею на 8,8%. Изменение тепловой кривой на всем периоде нагревания отражало процессы, связанные с поглощением тепла. При этом фазовые изменения с максимальным поглощением тепла (показатели теплового потока от -0,3 до -0,4 W/g) отмечали при температуре 58,8° и 464,7°С. Большое потребление тепла, характеризует процессы синтеза, окисления или фазового перехода вещества. Бентонит является минералом, поэтому можно предположить, что при нагревании происходит перестройка химических связей неорганических элементов.

Изучение изменений Б8С-ТвЛ кривых массы и теплового потока кормовой добавки «Селебен» показало, что нагревание образца сопровождалось уменьшением массы, и при температуре 200,3°С снижение составило 4,5%, при температуре 500°С выявили потерю массы от начального веса на 10,0% (рис. 3).

прибор

Те

ура

DSC-TGA

Файл: C:\TA\Data\SDT\vet ins\Seleben .0 Дата0: 29РМай-2009 1 3:59

Температура

Рис. 3 - Кривые изменения теплового потока и массы кормовой добавки «Селебен»

Изменение кривых теплового потока отражало протекающие процессы с поглощением тепла и имело максимальные изменения в температурных точках 53,9; 71,0 и 500°С. Следует отметить, что температурные точки 53,9 и 71,0°С примерно повторяют аналогичные показатели изменения кривых теплового потока исходных составляющих, но с некоторыми отличиями: бентонит - 58,8°С и ДАФС-25 (органический селен) - 73,8°С. При этом существенным моментом является то, что кривая изменения теплового потока кормовой добавки «Селебен» указывает на течение процесса с поглощением тепла, тогда, как в линиях ДАФС-25 имеются участки, указывающие на процессы выделения тепла.

На рисунке 4 представлены совмещенные Б8С-ТвЛ кривые массы и теплового потока ДАФС-25, бентонита и «Селебена», соответствующие трем различным исследуемым объектам.

1 У \ 1

К

j9SC 200I3..C

- bentonit .001 --SrJiebenn001

S----

Univ ersal V4.5A TA Instruments

Рис. 4 - Совмещенные Б8С-ТОА кривые теплового потока и массы ДАФС-25, бентонита и кормовой добавки «Селебен»

Кривая теплового потока «Селебен» отражает протекающие в ней при нагревании процессы с большим потреблением тепла, чем бентонит, и наложения и соприкосновения линий друг на друга не выявляется. На кривой ДАФС-25 отмечено резкое и значительное потребление тепла с показателями 0,74-0,84 W/g в температурном промежутке 71,0-73,9°С, тогда, как у кормовой добавки «Селебен» наблюдали аналогичную тенденцию при других показателях - потреблении тепла 0,4 W/g и температуре 71,0°С. Графическое изображение теплового потока ДАФС-25 пересекает линии «Селебена», но не накладывается на них.

Совмещенные DSC-TGA кривые массы и теплового потока «Селебен» не идентичны кривым бентонита и ДАФС-25, что указывает на создание абсолютно нового вещества. DSC - TGA кривые «Селебена» показывают, что в новом объекте изменились физические и химические свойства, такие как начальные точки распада и точки максимальной потери массы, не совпадающие с линиями и точками исходных компонентов препарата ДАФС-25 и минерала бентонит. Совмещенные DSC-TGA кривые «Селебен» показывают, что объект приобрел новые свойства, и поэтому действие его на организм животных будет иным по сравнению с ДАФС-25 и бентонитом.

Исследование кормовой добавки «Селебен» и его исходных компонентов позволило рассмотреть еще один важный вопрос. Известно, что обменные процессы в организме сельскохозяйственных животных протекают при температуре 37-41°С. При исследовании кривых потери массы ДАФС-25, бентонита и «Селебена», наблюдали снижение массы объектов. При исходной температуре 26°С масса изучаемых объектов была 100,0%, то при нагревании до 40°С потеря массы у ДАФС-25 составила

0.12., бентонита - 1,56% и «Селебена» - 1,74%. Этот процесс, экстраполированный на животных, доказывает ионообменный механизм (высвобождение микро- и макроэлементов) у бентонита, ДАФС-25 и «Селебена» при прохождении их через желудочно-кишечный тракт.

Таким образом, изучение совмещенных DSC-TGA кривых теплового потока и массы минерала бентонит, селеноорганического препарата ДАФС-25 и кормовой добавки «Селебен» позволило сделать вывод о том, что созданный из ДАФС-25 и бентонита материал «Селебен» является новой субстанцией, с присущими только ей физическими свойствами, отличными от исходных аналогов. Метод наглядно показал и дополнил механизм ионного обмена в организме животных бентонита, ДАФС-25 и кормовой добавки «Селебен» при прохождении их через желудочно-кишечный тракт.

Литература

1. Нанотехнологии в сельском хозяйстве: научное обоснование получения и технологии использования наност-руктурных и нанокомпозитных материалов / под общ. ред. А.Х. Яппарова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2013. - 253 с.

2. Яппаров, И.А. Разработка различных доз ДАФС-25 в птицеводстве /И.А. Яппаров, Т.Н. Родионова // Ветеринарный врач. - 2006. - №1. - С. 66.

3. Ежкова, А.М. Повышение эффективности молочного скотоводства и улучшение качества молока при использовании природных минералов / А.М. Ежкова, Р.Н. Файзрахманов, Ш.К. Шакиров, Р.Н. Файзрахманов мл. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17. № 10. -С. 149-152.

4. Ежкова, А.М. Коррекция содержания солей тяжелых металлов бентонитами в системе «почва - растение -животное - животноводческая продукция» в регионах различной степени техногенной нагрузки / А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков. - Казань: Центр инновационных технологий, 2008. - 340 с.

тура

5. Ежков, В.О. Влияние наноструктурной водно-цеолитной суспензии на продуктивность гречихи / В.О. Ежков, Л.М.-Х. Биккинина, М.А. Поливанов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань, 2013. - Т.16. - № 19. - С. 241-245.

6. Ежкова, А.М. Исследование биологической полноценности говядины от животных, получавших кормовую добавку бентонита / А.М. Ежкова, А.Е. Нефедьев, Г.О. Ежкова // Вестник Казанского технологического университета. - 2006. - № 1. - С. 118-122.

7. Нанотехнологии: новый этап в развитии человечества / под общ.ред. В.Г. Тимирясова. - Казань: Познание, 2009. - 193 с.

8. Чвалун, С.Н. Полимерные нанокомпозиты / С.Н. Чва-лун // Природа. - 2000. - №7. - С. 22-30.

9. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 416 с.

10. Нанотехнологии и наноматериалы в агроинженерии: учеб. пособие / под общ. ред. М.Н. Ерохина. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 300 с.

© А. М. Ежкова - д-р биол. наук, проф.каф. ПИМП КНИТУ, egkova-am@mail.ru; В. О. Ежков - д-р веет. наук, проф. каф. ПИМП КНИТУ, egkov-vo@mail.ru; А. Х. Яппаров - д-р с/х наук, проф., дир. ТатНИИ агрохимии и почвоведения Российской академии с/х наук, niiaxp2@mail.ru; Е. С. Нефедьев - д-р хим. наук, проф., зав. каф. физики КНИТУ, nefediev@kstu.ru; И. А. Яппаров — д-р биол. наук, зав. отделом разработки био- и нанотехнологий в земледелии и животноводстве ТатНИИ агрохимии и почвоведения Российской академии с/х наук, niiaxp2@mail.ru; А. Р. Галимзянова - канд. хим. наук, оператор совмещенного термоанализатора, лаборатория «СМТА» центр «Наноматериалы и нанотехнологии» КНИТУ, galimz@rararler.ru.

© A M. Ezhkova - Doctor of biological sciences,Professor of chair Food engineering of small enterprises of Federal state budgetary educational institution of higher professional education KNRTU, egkova-am@mail.ru; V. O. Ezhkov - Doctor of veterinary science, Professor of chair Food engineering of small enterprises of Federal state budgetary educational institution of higher professional education KNRTU, egkov-vo@mail.ru; A. H. Yapparov - Doctor of agricultural sciences, professor, Director of the state scientific institution Tatar research institute of agrochemistry and soil science of the Russian academy of agricultural sciences, niiaxp2@mail.ru; E. S. Nefed'ev - Doctor of chemistry, professor,Head of the chair of physics of Federal state budgetary educational institution of higher professional education KNRTU, nefediev@kstu.ru; I A. Yapparov - Doctor of biological Sciences, Head of department of development of biotechnology and nanotechnology in agriculture and animal husbandry of state scientific institution Tatar research institute of agrochemistry and soil science of the Russian academy of agricultural sciences, niiaxp2@mail.ru; A. R. Galimzyanova - Candidate of chemistry, Operator of the combined thermal analyzer, the center "Nanomaterials and Nanotechnology" of Federal state budgetary educational institution of higher professional education KNRTU, galimz@rararler.ru.