Углеродминеральный пористый сорбент на основе оксида алюминия, полидиметилсилоксана и одностенных углеродных нанотрубок
CARBON-MINERAL POROUS SORBENT BASED ON ALUMINUM OXIDE, POLYDIMETHYLSILOXANE AND SINGLE-WALL CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к области твердого тела - твердых пористых материалов на основе кремнийсодержащего оксида алюминия и одностенных углеродных нанотрубок для различного назначения, в том числе и для медицины в качестве сорбентов и носителей для биологически активных веществ, лекарственных средств, а также для применения в ветеринарии и для решения различных экологических задач.
Известны сорбенты с развитой пористой структурой на основе оксида алюминия и нанесенного на его поверхность углерода. В основном, это углеродсодержащие сорбенты (SU №988324, B01J 20/20, 1983; Пат. РФ №2026733, B01J 20/20, 1995; Пат. РФ №2529535, B01J 20/30, B01J 20/08, B01J 20/20, 05.08.2014) [1-3], получаемые высокотемпературным пиролизом (600-800°С) углеводородов и углеродсодержащих соединений в присутствии кислородсодержащих газов (паров воды, углекислого газа) на поверхности оксида алюминия с содержанием пиролитического углерода на поверхности 7-15%.
Однако, методы получения этих сорбентов энергоемки и трудозатратны, требуют специальное оборудование и виброожижение в токе инертного газа.
2
В предполагаемом изобретении в качестве источника углерода используются одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) высокой чистоты с размером частиц 1,6±0,4 нм: Tuball-99™ в виде водной дисперсии TuballBattHO: 0,4% с диверсантами: CMC: 0,6% и PVP: 0,8%. В качестве кремнийсодержащего компонента использовали кремнийорганический полимер полидиметилсилоксан в виде водной эмульсии [4].
12
В полученных сорбентах содержание полимера - 0,4% масс. Содержание углерода до 0,08% масс. После кратковременной термообработки до 150°С на воздухе полученные сорбенты с иммобилизованными компонентами имеет мезо-, макропористую структуру с преимущественным размером пор 10-100 нм, поверхность характеризуется набором гидрофильных участков за счет матрицы оксида алюминия и гидрофобных участков за счет кремнийсодержащего полимера и углерода, что создает условия для многоточечного связывания различных средне- и высокомолекулярных токсических агентов на поверхности носителя, что и обеспечивает детоксицирующий эффект. Сорбирующий эффект сорбента исследовали по отношению к сорбции выбранных маркеров - по красителю метиленовому голубому, витамину В, которые отличаются по молекулярному весу и геометрическим размерам. Сорбирующие свойства оценивали спектрофотометрическим методом при соответствующих длинах волн (λ=664 нм и λ=361 нм). Параметры пористой структуры (оценка по стандартным методам исследования по изотермам сорбции азота) и сорбционные характеристики приведены в таблице 1.
Отличительными признаками предполагаемого изобретения являются использование в качестве источника углерода - водной дисперсии одностенных углеродных нанотрубок, обеспечивающих содержание углерода в составе сорбентов не выше 0,08% масс. В качестве кремнийсодержащего модификатора использовали кремнийорганический полимер полидиметилсилоксан (ПДМС) в количестве 0,4% масс. температура термообработки - не выше 150°С в атмосфере воздуха.
Безопасность полученных сорбентов оценивали по их влиянию на пролиферативную способность стволовых клеток костного мозга и эндотелиальной клеточной линии ЕА. Ну 926, на продуцирование ими окислов азота и активность миелопероксидазы. Использующиеся для исследования биологических свойств сорбентов костномозговые мезенхимные стволовые клетки (МСК) были выделены из аспирата костного мозга больных ишемической болезнью сердца по стандартной методике. Клетки эндотелиальной линии EA.hy 926 предоставлены Dr. C.J. Edgel (Университет Каролины, США). Пролиферацию, активность миелопероксидазы и уровни продукции стойких метаболитов оксида азота МСК и EA.hy 926 в присутствии и отсутствие в питательной среде тестируемых веществ исследовали по методикам, описанным в работах [5-7].
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицами. Для сравнения представлены примеры (5 и 6) с сорбентами без углеродного компонента.
Пример 1.
2
3
3
12
Углеродминеральный сорбент серебристого цвета, представляющий собой оксид алюминия с размером частиц 0,1 мм, модифицированный кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., и одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ-СМС) в количестве 0,02% масс., имеет величину удельной поверхности 155 м/г, объем мезо-, макропор 0,23 см/г, насыпную плотность 1,0 г/см. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 9,6 мг/г сорбента, по витамину В 2,7%. Пролиферативная активность МСК составляет 0,51 для образца vs 0,47 в контроле (в единицах оптической плотности). Уровни продукции клетками - метаболитов окислов азота составляет 23,77 мкмМ/мл для образца vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Параметры активности миелопероксидазы в присутствии образца 0,42 единицы оптической плотности vs 0,41 единицы оптической плотности в контроле.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток составляет 0,47 единиц оптической плотности в присутствии образца vs 0,42 единиц оптической плотности в контроле. Уровни продукции клетками - метаболитов окислов азота составляет 19,31 мкмМ/мл для образца vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы эндотелиальных клеток в присутствии образца 0,41 единица оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Пример 2.
2
3
3
12
Углеродминеральный сорбент серебристого цвета, представляющий собой оксид алюминия с размером частиц 0,1 мм, модифицированный кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., и одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ-cmc) - 0,04% масс, имеет величину удельной поверхности 155 м/г, объем мезо-, макропор 0,23 см/г, насыпную плотность 1,0 г/см. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 10,4 мг/г сорбента, по витамину В и 4,8%. Пролиферативная активность МСК 0,51 единица оптической плотности для образца vs 0,47 единиц оптической плотности в контроле. Уровни продукции МСК - метаболитов окислов азота составляет 23,31 мкмМ/мл для образца vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в МСК для образца равна 0,43 единиц оптической плотности vs 0,41 единицы оптической плотности в контроле.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток в присутствии образца составляет 0,45 единиц оптической плотности vs 0,42 единиц оптической плотности в контроле. Уровни продукции клетками - метаболитов окислов азота составляет 19,44 мкмМ/мл для образца vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в клетках для образца 0,42 единицы оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Пример 3.
2
3
3
12
Углеродминеральный сорбент серебристого цвета, представляющий собой фракцию оксида алюминия с размером частиц 0,2-0,8 мм, модифицированную кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., и одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ-CMC) в количестве 0,08% масс., имеет величину удельной поверхности до 198 м/г, объем мезо-, макропор 0,35 см/г, насыпную плотность 0,78 г/см. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 6,9 мг/г сорбента, по витамину В 8,5%. Пролиферативная активность МСК для образца составляет 0,49 единиц оптической плотности vs 0,47 единиц оптической плотности в контроле. Уровни продукции клетками - метаболитов окислов азота составляет 27,90 мкмМ/мл для образца vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в клетках 0,39 единиц оптической плотности для образца vs 0,41 единицы оптической плотности в контроле.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток составляет 0,44 единиц оптической плотности для образца vs 0,42 единицы оптической плотности в контроле. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 22,68 мкмМ/мл vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы клеток для образца равна 0,39 единиц оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Пример 4.
2
3
3
12
Углеродминеральный сорбент серебристого цвета, представляющий собой фракцию оксида алюминия с размером частиц 0,2-0,8 мм, модифицированную кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., и одностенными углеродными нанотрубками в количестве 0,02% масс. (ОУНТ - PVP), имеет величину удельной поверхности до 198 м/г, объем мезо-, макропор 0,35 см/г, насыпную плотность 0,78 г/см. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 7,1 мг/г сорбента, по витамину В 26,2%. Пролиферативная активность МСК для образца составляет 0,46 единиц оптической плотности vs 0,47 единиц оптической плотности в контроле. Уровни продукции клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 26,9 мкмМ/мл vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в клетках 0,39 единиц оптической плотности для образца vs 0,41 единицы оптической плотности в контроле.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток составляет 0,42 единиц оптической плотности как для образца, так и для контроля. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 22,73 мкмМ/мл vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы клеток для образца равна 0,40 единиц оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Пример 5.
2
3
3
12
Сорбент без нанотрубок белого цвета, представляющий собой оксид алюминия с размером частиц 0,1 мм, модифицированный кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., имеет величину удельной поверхности 155,6 м/г, объем мезо-, макропор до 0,23 см/г, насыпную плотность 1,0 г/см. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 5,5 мг/г сорбента, по витамину В 0,6%. Пролиферативная активность МСК для образца составляет 0,50 единиц оптической плотности vs 0,47 единиц оптической плотности в контроле. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 21,94 мкмМ/мл vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы клеток для образца 0,50 единиц оптической плотности vs 0,41 единицы оптической плотности в контроле.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток для образца составляет 0,45 единиц оптической плотности vs 0,42 единиц оптической плотности в контроле. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 19,62 мкмМ/мл vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы для образца 0,42 единицы оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Пример 6.
2
3
3
12
Сорбент без нанотрубок белого цвета, представляющий собой оксид алюминия с размером частиц от 0,2-0,8 мм, модифицированный кремнийорганическим полимером, полидиметилсилоксаном в количестве 0,4% вес., имеет величину удельной поверхности 206 м/г, объем мезо-, макропор до 0,35 см/г, насыпную плотность 0,78 г/см. Величина рН водной вытяжки с носителя до 7,0. Сорбционная емкость по отношению к метиленовому голубому 10,4 мг/г сорбента, по витамину В 0,6%. Пролиферативная активность МСК для образца составляет 0,49 единиц оптической плотности vs 0,47 единиц оптической плотности в контроле. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 23,68 мкмМ/мл vs 21,76 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в клетках для образца 0,44 единицы оптической плотности vs 0,41 единица оптической плотности для контроля.
Пролиферативная активность эндотелиальных клеток для образца составляет 0,44 единиц оптической плотности vs 0,42 единиц оптической плотности в контроле. Продукция клетками - метаболитов окислов азота для образца составляет 19,78 мкмМ/мл vs 19,49 мкмМ/мл в контроле. Активность миелопероксидазы в клетках для образца составляет 0,42 единиц оптической плотности vs 0,43 единиц оптической плотности в контроле.
Для наглядности полученные параметры по физико-химическим и биологическим свойствам представлены в таблицах 1, 2.
12
Из данных таблицы 1 следует, что иммобилизация на поверхности оксида алюминия полидиметилсилоксана и углеродных нанотрубок не приводит к снижению величины поверхности и объема пор, что говорит о равномерности распределения ингредиентов по объему пор. Следует отметить, что водные вытяжки с сорбентов имеют величину рН, близкую к нейтральной. Видно, что нанесение одностенных углеродных нанотрубок приводит к увеличению сорбции витамина В (как модельного среднемолекулярного агента) по сравнению с сорбентами без ОУНТ в 5-45 раз в зависимости от гранулометрического состава. Изменения в сорбции низкомолекулярного красителя метиленового голубого МГ менее выражены - увеличение наблюдается в два раза по сравнению с сорбентом без ОУНТ. Дальнейшее увеличение содержания нанотрубок не целесообразно ввиду малого изменения в сорбционной активности.
Из таблицы 2 следует, что полученные сорбенты не оказывают токсического действия - не угнетают пролиферацию стволовых клеток костного мозга и эндотелиальных клеток и способствуют стабильной продукции клетками метаболитов (на уровне контроля) - оксидов азота и миелопероксидазы, необходимых для нормального жизнеобеспечения организма. Можно полагать, что полученные сорбенты можно использовать и в качестве носителей для активных веществ (например, витаминов) и одновременно выполняющих функции детоксикантов (Пат. 2577580, 20.03.2016 г, Пат. 2662577, 2018 г) [4, 8].
Список цитированных источников
1. Пат SU 988324. Бюл. №15.01.83 г. Способ получения углеродминеральных адсорбентов.
2. Пат RU 2026733 Бюл. №2. 20.01.1995 Пористый сорбент на основе оксида алюминия
3. Пат. РФ 2529535 Способ получения углеродминерального сорбента, Бюл. №27 27.09.2014 г.
4. Пат. РФ 2662577. Бюл. №21, 2018 Способ получения композиции на основе оксида алюминия.
5. А.Р. Lykov, O.V. Poveschenko, М.А. Surovtseva, N.A. Bondarenko, Kim, A.A. Karpenko, E.A. Pokushalov, and A.M. Karaskov, "The effect of polyethylene terephthalate and polytetrafluoroethylene on the functional properties of endothelial and mesenchymal cells", Cell technology in biology and medicine, vol. 4, pp. 269-274, 2018.
6. A.P. Lykov, Yu. V. Nikonorova, N.A. Bondarenko, O.V. Poveschenko, I.I. Kim, A.F. Poveschenko, and V.I. Konenkov, "Proliferation, migration and production of nitric oxide by bone marrow multipotent mesenchymal stromal cells of Wistar rats during hypoxia and hyperglycemia". Bulletin of experimental biology and medicine, vol. 159 (4), pp. 432-434, 2015.
7. T.A. Korolenko, T.P. Johnston, A.P. Lykov, A.B. Shintyapina, M.V. Khrapova, N.V. Goncharova, T.A. Korolenko, N.P. Bgatova, E. Machova, Z. Nescakova, and L.V. Sakhno, "Candida albicans serotype A, and 407-induced hyperlipidemia," J. Pharmacy Pharmacol., vol. 68(12), pp. 1516-1526, 2016.
8. Пат. РФ 2577580, Бюл. №8. 2016 Пористый сорбент с хронотропными свойствами на основе оксида алюминия.