Синтез и структура медьсодержащих и серебросодержащих соединений пектина и хитозана

1.

СИНТЕЗ И СТРУКТУРА
МЕДЬ- И СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ
ПЕКТИНА И ХИТОЗАНА
Выполнила: магистрант Л.С. Кулябко
Научный руководитель: д.х.н. К.А. Кыдралиева
кафедра 912Б

2.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА: ПОЛУЧЕНИЕ
НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ Cu0 И ХИТОЗАНА
2
250
Источник: реферативная база научных
публикаций «ScienceDirect.com». Поиск вели
по сочетанию ключевых слов: «copper», «nano»,
«chitosan», «medicine».
Число публикаций
200
150
100
50
0
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
Год
Рис. 1. Библиометрический анализ периодической
литературы по методам получения и применения
нанокомпозитов меди и пектина в биомедицине
В период с 2012 по 2016 годы число
публикаций научных статей из России
по теме работы составляет 1%.
Тайвань Россия
1%
2%
Австралия
2%
Испания
2%
Франция
2%
Иран
другие, >5%
Китай
19%
5%
США
7%
Италия
10%
Индия
17%
Рис. 2. Число публикаций по использованию
нанокомпозитов меди и хитозана в биомедицине
в различных странах в период с 2012 по 2016 г.г.

3.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ
Недостатки существующих методов синтеза – сложность
масштабирования
технологии
получения
композитов
для
биомедицинского
применения
и
использование
полимеров
различного генезиса.
Оптимизация
методов
получения
нанокомпозитов
с
воспроизводимыми структурой и свойствами с целью отработки
технологических режимов получения биосовместимых препаратов.
Настоящее исследование является частью комплексной работы по
созданию базы данных биопрепаратов на основе нанокомпозитов,
обладающих высоким терапевтическим потенциалом (Юрищева, 2013;
Захарова, 2014).
3

4.

4
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Выявление особенностей синтеза наночастиц Cu0 и Ag0 в полимерных матрицах с
использованием различных восстановителей
ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1. Литературный обзор периодической литературы по методам синтеза нанокомпозитов за 20122016 г.г.
2. Выбор оптимального способа синтеза наночастиц Cu0/Ag0 на воздухе варьированием условий
реакции, природы восстановителя и стабилизатора;
3. Исследование физико-химических свойств полученных бионанокомпозитов по показателям:
фазовый состав и выход наночастиц;
4. Сравнительный анализ способов синтеза наночастиц Cu0/Ag0.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ
Метод исследования
Назначение метода исследования
Спецификация прибора
Место
проведения
Рентгенофазовый
анализ (РФА)
- исследование фазовой структуры
- определение размера частиц
Дифрактометр Philips X-pert,
Cu-Kα
ИПХФ РАН
Ультразвуковая
спектрометрия
- определение гидродинамического
радиуса частиц
Ультразвуковой спектрометр
на DT-1201, Quantachrome
МАИ
Инфракрасная
спектроскопия
- исследования механизма
стабилизации наночастиц
Инфракрасный спектрометр
FSM1201
ИХХТ НАН КР
Спектрофометрия в УФ
и видимой областях
- определение оптической плотности
Спектрофотометр СФ-26
«Биохиммаш»

5.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Предложены
способы
получения
устойчивых
монофазных наносистем Cu0 и Ag0 в хитозановой и
пектиновой матрицах в среде воздуха;
Выявлены особенности синтеза наночастиц Cu0 и Ag0
восстановлением Cu2+ и Ag+ глюкозой в матрице хитозана,
связанные
со
снижением
Red-Ox
потенциала
восстановителя за счет образования комплекса глюкозахитозан.
Red-Ox потенциал – окислительно-восстановительный потенциал
5

6.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Пектин – анионный ( Pес)
6
Ag, Cu
COO-
- собственные физиологические свойства
- разная способность восстанавливаться до
металлов
ВОССТАНОВИТЕЛИ: гидразин,
дигидрокверцетин, аскорбиновая кислота,
глюкоза
OH
Хитозан – катионный (Chit)
NН3+
- высокая комплексообразующая способность;
-большая сорбционная емкость;
- нетоксичны,
биоразлагаемы,
гибкая
структура;
- большие объемы и низкая стоимость сырья
- собственные физиологические свойства
Pec-пектин, Chit-хитозан
Наночастицы
металла:
- обеспечивают
развитую
поверхность
материала
- собственная
физиологическая
активность
Полимер:
- повышает
сорбционные
свойства композита;
- способствует
стабилизации
наночастиц;
- физиологическая
активность
Полифункциональные композиционные
материалы

7.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СИНТЕЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ
НАНОКОМПОЗИТОВ : обзор литературы
Природа восстановителя
Порядок смешения компонентов
Условия реакции
• рН
• температура
• скорость перемешивания
• среда (инертная, на воздухе)
Природа стабилизатора
Cu(OH)2
CuO
Cu2O
Cu0
Окраска различных
соединений меди
Соотношение компонентов
Очистка продукта
7

8. СПИСОК СИНТЕЗИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ

Восстановитель,
Red
xCu-Red-yPec
Соотношение
металл:полимер
X :Y, г
1:0,01;0,02;0,04;
0,06;0,08
1:0,06;0,08;0,2
xCu-Red-yChit
1:0,1
Glu, Asc
xCu-Red-yChit
1:0,1
Glu, Asc
xAg-Red-yPec
1:37,5
Qr, Asc-Qr, Glu
xAg-Red-yChit
1:37,5
Qr, Asc, Glu
Наименование образца
xCu-Red-yPec
Hyd, Glu, Asc
Glu, Asc
Список образцов, восстановителей и соотношения исходных
реагентов
Pec-пектин, Chit-хитозан, Red – восстановитель, Hyd-гидразин, Glu-глюкоза, Asc-аскорбиновая
кислота,Qr-кверцетин
8

9.

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИТА В СРЕДЕ ГЛЮКОЗЫ
9
Варьируемые параметры:
1.
2.
Порядок смешения компонентов: восстановление связанных и свободных Cu2+)
Очистка препарата (удаление балластных веществ)
I, у.е.
Cu2O
Cu-Pec-Glu
I, у.е.
Cu-Glu-Pec
Cu0
Cu-Glu-Pec
I, у.е.
Cu0
d=11 нм
Cu2O
d=6 нм
Cu0
Cu0
Cu2O
Cu2O
Cu0
Cu0
Cu2O
Cu0
Cu2O
Cu0
Cu2O Cu2O
Рис. 3. Дифрактограммы образцов композитов, полученных в среде глюкозы (ДРОН-UM-2, Cu(Ka ), 1о/мин)
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Рис. 4. Содержание Cu0 и Cu2O в образцах
Cu2O, %
Cu0, %
В образцах без последующего отмывания Glu
содержание Cu0 выше.
При выведения глюкозы из среды реакции
дистиллированной водой наночастицы Cu0
окисляются до Cu2O кислородом воздуха и
недегазированной воды.
Оптимальным
для
восстановления
Cu0
является метод, при котором суспензию не
промывают от восстановителя.
Pec-пектин, Glu-глюкоза

10.

Диаметр, μм
Распределение частиц по размерам, у.е.
Cu-Glu-Pec
Распределение частиц по размерам, у.е.
Распределение частиц по размерам, у.е.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАЗМЕР НАНОЧАСТИЦ,
ВОССТАНОВЛЕННЫХ В СРЕДЕ ГЛЮКОЗЫ
Pec1-Cu-Glu
Pec-Cu-Glu
Диаметр, μм
10
Cu- Glu
Диаметр, μм
Рис. 5. Ультразвуковая спектрометрия образцов
(DT-1201, Dispersion Technology)
Гидродинамический
размер
наночастиц
изменяется при:
1) введении Pec в среду реакции, приводящее
к увеличению размера частиц вследствие
набухания Pec;
2) порядка введения Pec/Glu в среду реакции;
3) присутствия восстановителя.
Образец
Размер частиц
(УЗС), нм
Pec-Cu-Glu
546,7
Cu-Glu
171,2
Cu-Glu-Pec
290,1
Полученные методом УЗС результаты по размерам частиц коррелируют с данными РФА.
Pec-пектин, Glu-глюкоза

11.

УФ И ВИДИМЫЕ СПЕКТРЫ НАНОЧАСТИЦ,
ВОССТАНОВЛЕННЫХ В СРЕДЕ ГЛЮКОЗЫ
0,7
D
11
Полиномиальная
((Glu)-Cu20-Pec0,8)
Cu-Glu-Pec0,8
0,6
Полиномиальная
((Glu)-Cu20-Pec0,4)
Cu-Glu-Pec0,4
Полиномиальная
((Glu)-Cu20-Pec0,2)
Cu-Glu-Pec0,2
0,5
1
Полиномиальная
((Glu)-Cu20-Pec0,1)
Cu-Glu-Pec0,1
2
3
4
0,4
0,3
Рис. 17. Суспензия образцов
1. Cu-Glu-Pec0,1
2. Cu-Glu-Pec0,2
3. Cu-Glu-Pec0,4
4. Cu-Glu-Pec0,8
0,2
0,1
λ, нм
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
Рис. 6. Оптическая плотность суспензий образцов полученных
нанокомпозитов
1100
Наличие плазмонного резонанса в
области 700 нм указывает на наличие
наночастиц Cu0 в суспензии (Pileni, 1993;
Егорова, 2001).
Интенсивность поглощения в области
резонанса коррелирует с увеличением
содержания Pec. Увеличение D указывает
на увеличение выхода Cu0.
Pec-пектин, Glu-глюкоза

12. ВОССТАНОВЛЕНИЕ Ag0 В ПЕКТИНЕ

AgNO3
Варьирование параметров:
- Природа восстановителя
- Порядок введения компонентов
I, у.е.
Ag -Pec-Qr
?
Перемешивание
Pec
12
Перемешивание
Red
Pec
Red
Перемешивание
Перемешивание
Композит Ag-Pec-Red
Композит Ag-Red-Pec
I, у.е.
Ag-Pec-Qr-Asс
d=14 нм
? Ag0
AgNO3
I, у.е.
Ag-Glu-Pec
d=16 нм
d=8 нм
Ag0
Ag0
Ag0 Ag0
Рис. 7 Дифрактограммы композитов
Неполное восстановление:
Присутствуют
неидентифицированные пики.
Неполное
восстановление
Полное восстановление
По данным РФА наиболее эффективное восстановление Ag+ происходит в среде глюкозы.
Pec-пектин, Qr-кверцетин, Asc-аскорбиновая кислота, Glu-глюкоза

13. ВОССТАНОВЛЕНИЕ Ag0 В ХИТОЗАНЕ

AgNO3
Red
Chit
ВОССТАНОВЛЕНИЕ Ag0 В ХИТОЗАНЕ
Перемешивание
13
Варьируется:
- Восстановитель Red
Перемешивание
Композит Ag-Red-Chit
Аскорбиновая кислота, 45 оС
Кверцетин
I, у.е.
I, у.е.
Ag-Qr-Chit
Глюкоза
I, у.е.
Ag-Asc-Chit
d=10 нм
Ag-Glu-Chit
d=6 нм
d=13 нм
Ag0
Ag0
Ag+
Ag0
Ag0
Ag0
Ag0
Ag0
Ag0
Ag0
Рис.8 Дифрактограммы композитов
Полное восстановление
Неполное
восстановление
Неполное восстановление.
Присутствуют
неидентифицированные пики
По данным РФА наиболее высокий выход наночастиц и образование
монофазной системы наблюдается в случае восстановления кверцетином.
Chit-хитозан, Qr-кверцетин, Asc-аскорбиновая кислота, Glu-глюкоза

14. МЕХАНИЗМ СТАБИЛИЗАЦИИ Ag0 В СРЕДЕ ХИТОЗАНА

Chit
14
• Усиление полосы при 1599 см-1 (NH3+ - группа)
• Усиление полосы при 1322 см-1 (ОН- - группа
Chit+Ag
Стабилизация Ag0 хитозаном обусловлена
образованием хелатных комплексов «полимерчастица» за счет NH3+- и OH− -групп.
OH-
NH3+
М+х
М
М
Рис.9 ИК-спектр образцов
Chit и Ag-Chit
Рис.26 Вероятная схема стабилизации НЧ металла хитозаном
(Li et al. Biomacromolecules 2007, 8(2) 464-468)
Chit-хитозан, M-металл

15. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНТЕЗА ПО ВОССТАНОВИТЕЛЯМ

400
750
Glu, Chit
Интенсивность, %
Интенсивность, %
Ag, Pec/Chit
300
200
Chit
100
0
Chit
Pec
B
300
Qr-(Asc)
Cu
150
0
Ag
Glu
Рис.10 Интенсивность пиков РФА по I=100% нанокомпозитов
для разных систем
Eh,
450
Pec
Pec
Qr
Chit
600
Asc
Qr
Glu
-0,066
-0,11
-0,27
(Kanatt et al. Chitosan glucose complex. Food Chemistry, 2008, 106 (2): 521-528)
Уменьшаются свойства атома
отдавать е- (окисляться)
Увеличиваются свойства иона
присоединять е- (восстанавливаться)
Электрохимический ряд
напряжений металлов
Pec-пектин, Qr-кверцетин,Asc-аскорбиновая кислота,Glu-глюкоза
15

16.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНТЕЗА ПО СТАБИЛИЗАТОРАМ
16
100
Ag, Glu
Интенсивность, %
80
60
Chit
40
Pec
20
E
0
Рис. 11 Интенсивность пиков РФА по I=100% нанокомпозитов, полученных в
среде различных полимеров
Хелатные группы: -OH, -NH3+
Хелатные группы: -OH, -COOН
ΔEMe-COO-= 149 кДж/моль*
Pec-пектин, Chit-хитозан
ΔEMe-NH += 237 кДж/моль
3
*Гурвич. «Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону»

17. СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ОЦЕНКИ МЕТОДОВ СИНТЕЗА

17
Оценка факторов, влияющих на условия синтеза нанокомпозитов металлов
Полимер
Ag+
Cu2+
Pec
Glu
Asc
Glu
Chit
Qr
Примечание
Требуется удаление балластных веществ
Asc
Glu
Требуется удаление балластных веществ
Pec-пектин, Chit-хитозан, Qr-кверцетин, Asc-аскорбиновая кислота,Glu-глюкоза

18. ФОТОГРАФИИ ПЛЁНОК

18
Условия получения пленок в сушильном шкафу:
Время - 24 часа, температура - 60 ̊ С
Фотографии жидкого образца Ag-Qr-Chit и в виде пленки
Хитозан выполняет функцию внутреннего пластификатора, встраиваясь в структуру и облегчая
подвижность сегментов композита.

19.

ВЫВОДЫ
19
1.Проведенный литературный обзор по методам синтеза бионанокомпозитов на основе Ag0 и Cu0 в
среде хитозана и пектина по реферативной базе данных www.sciencedirect.com за период с 2012 по
2016 г.г. указывает на возрастающий интерес к данным объектам.
2.Показано, что при варьировании порядка введения компонентов образование монофазы и
наиболее высокий выход наночастицAg0 и Cu0 происходит при предварительном восстановлении
ионов металла и последующей стабилизации образующихся наночастиц полимером.
3.Показано, что при синтезе наночастиц металлов восстановлением Asc требуется очистка конечных
продуктов от побочных компонентов, включающих не восстановленные ионы металлов.
.
4.Установлено,
что комплексообразующая способность хитозана в отличие от пектина изменяет
Red-Ox потенциал восстановителей. Так, для системы с Ag+ образование монофазы (полное
восстановление) и наиболее высокий выход наночастиц изменяется в ряду Asc>Qr>Glu, средний
размер наночастиц составляет ~6, ~ 10 и ~ 13 нм соответственно.
5.Сравнительная оценка активности Cu2+ и Ag+ в Red-Ox реакциях для всех систем полностью
согласуется с электрохимическим рядом активности металлов, в котором металлы расположены в
порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ, +0.34 и +0,8 В
соответственно

20.

ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ
20
Автор выражает искреннюю благодарность:
• сотрудникам отдела биотехнологии Института прикладной биохимии и
машиностроения Горбуновой Н.В. и лично начальнику отдела, к.т.н. Муратову В.С.,
любезно предоставившим базу для проведения синтеза и обеспечившим научнотехническое сопровождение исследований;
• зав. лабораторией металлополимеров Института проблем химической физики РАН
д.х.н. Джардималиевой Г.И., оказавшей помощь в организации РФА анализа и синтеза
композитов в среде гидразина.
•доценту кафедры 901, к.т.н. Юрищевой А.А. за ультразвуковые исследования
образцов.

21.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА: ПРОТИВООПУХОЛЕВАЯ и ДЕТОКСИЦИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
КОМПОЗИТОВ
Установлено противоопухолевое действие
Fe3O4-Pec в тестах на модельных штаммах
опухолей W256, снижение размера опухоли до 90 %,
Продемонстрирована детоксицирующая
способность нанокомпозитов в
экспериментах по сорбции токсических
(патогенных) компонентов лимфы, снижение
увеличение продолжительности жизни животных до 60%.
Pec +
циклофосфан
0
5
Рис. 1. Кинетика роста опухоли Уокера W256, поля
некроза и опухолевые клетки, их апоптоз под
действием пектина и циклофосфана
Zakharova et al. 2012. Macromol. Symp. 317-318: 175-179.
Захарова и др. 2014. Вестник КРСУ. 14 (5): 11-14.
Fe3O4/ГК
Fe3O4/Pec
Лимфа-исх
Лимфа-исх
0
3
10
15
20
25
продолжительность наблюдения, дни
20
Fe3O4/ГК
10
40
Fe3O4/Pec
циклофосфан
60
Fe3O4/ГК
20
80
Fe3O4/Pec
30
Лимфа-исх
100
Fe3O4/ГК
1
Fe3O4/Pec
контроль
содержание компонентов
лимфы, %
размер опухоли, см3
40
Лимфа-исх
до 50% концентрации компонентов.
Chol
Creat
Glu
TP
30
Рис. 2. Снижение содержания токсических компонентов
лимфы с использованием Fe3O4/ГК и Fe3O4/Pec
(Выполнено в 3 ЦВКГ им. А.А. Вишневского)
Zakharova et al. Nanomech. Sci & Techn. Int. J, 2014, 5(1), 73-84.

22.

Cu0
d=10 нм
Cu0
Cu0
Cu-Glu-Chit
d=8 нм
r=8,3 нм
Cu0
Cu0
Cu-Asc-Chit