Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата

Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата

Рассмотрено влияние молярного соотношения концентраций ионов кальция и оксалата на морфологию кристаллов моногидрата оксалата кальция (СОМ) — одного из главных компонентов патогенных минералов, из которых состоят почечные камни людей. Изучено влияние добавки L-аспарагиновой кислоты (L-asp) различной...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2016
Hauptverfasser: Таранец, Ю.В., Безкровная, О.Н., Притула, И.М., Матейченко, П.В., Софронов, Д.С., Клочков, В.К.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2016
Schriftenreihe:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/129945
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата / Ю.В. Таранец, О.Н. Безкровная, И.М. Притула, П.В. Матейченко, Д.С. Софронов, В.К. Клочков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 3. — С. 445-459. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-129945
record_format dspace
spelling irk-123456789-1299452018-02-03T03:03:51Z Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата Таранец, Ю.В. Безкровная, О.Н. Притула, И.М. Матейченко, П.В. Софронов, Д.С. Клочков, В.К. Рассмотрено влияние молярного соотношения концентраций ионов кальция и оксалата на морфологию кристаллов моногидрата оксалата кальция (СОМ) — одного из главных компонентов патогенных минералов, из которых состоят почечные камни людей. Изучено влияние добавки L-аспарагиновой кислоты (L-asp) различной концентрации на морфологию и размер получаемых кристаллов СОМ. Установлено, что добавление L-asp ингибирует рост кристаллов СОМ и приводит к уменьшению их размеров. В растворах с концентрациями [Ca²⁺] = 4 ммоль/л и [C₂O₄²⁻] = 0,2 ммоль/л при добавлении L-asp снижается вероятность образования дендритов, и при концентрации L-asp 8–20 ммоль/л происходит образование одиночных кристаллов. В случае концентраций [Ca²⁺] = 4 ммоль/л и [C₂O₄²⁻] = 4 ммоль/л даже при высокой концентрации L-asp (20 ммоль/л) образуются агломераты из одиночных кристаллов, что указывает на меньшую степень ингибирования. Розглянуто вплив молярного співвідношення концентрацій йонів Кальцію й оксалату на морфологію кристалів моногідрату оксалату кальцію (СОМ) — одного з головних компонентів патогенних мінералів, з яких складаються ниркові камені людей. Вивчено вплив добавки L-аспарагінової кислоти (L-asp) різної концентрації на морфологію і розмір одержуваних кристалів СОМ. Встановлено, що додавання L-asp пригнічує ріст кристалів СОМ і приводить до зменшення їхніх розмірів. У розчинах з концентраціями [Ca²⁺] = 4 ммоль/л і [C₂O₄²⁻] = 0,2 ммоль/л при додаванні L-asp знижується ймовірність утворення дендритів, і при концентрації L-asp у 8–20 ммоль/л відбувається утворення поодиноких кристалів. У разі концентрацій [Ca²⁺] = 4 ммоль/л і [C₂O₄²⁻] = 4 ммоль/л навіть при високій концентрації L-asp (20 ммоль/л) утворюються аґломерати з поодиноких кристалів, що вказує на менший ступінь інгібування. The influence of the molar ratio of the concentrations of calcium and oxalate ions on the morphology of calcium oxalate monohydrate (COM) crystals, the main components of pathogenic minerals constituting human kidney stones, is considered. The effect of the L-aspartic acid (L-asp) admixture of varying concentrations on the morphology and size of the obtained COM crystals is studied. As established, the addition of L-asp inhibits the growth of the COM crystals and reduces their size. The probability of dendrite formation is reduced in the solutions with the concentrations [Ca²⁺] = 4 mM and [C₂O₄²⁻] = 0.2 mM by adding L-asp; and isolated crystals are formed at the L-asp concentration of 8–20 mM. At the concentrations [Ca²⁺] = 4 mM and [C₂O₄²⁻] = 4 mM, aggregates of isolated crystals are formed even at high concentration of L-asp (20 mM) that testifies to a lower extent of inhibition. 2016 Article Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата / Ю.В. Таранец, О.Н. Безкровная, И.М. Притула, П.В. Матейченко, Д.С. Софронов, В.К. Клочков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 3. — С. 445-459. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1816-5230 PACS: 61.05.cp, 68.37.Hk, 81.07.Вс, 81.10.Dn, 87.64.Ee, 87.85.J-, 87.85.Rs http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/129945 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Рассмотрено влияние молярного соотношения концентраций ионов кальция и оксалата на морфологию кристаллов моногидрата оксалата кальция (СОМ) — одного из главных компонентов патогенных минералов, из которых состоят почечные камни людей. Изучено влияние добавки L-аспарагиновой кислоты (L-asp) различной концентрации на морфологию и размер получаемых кристаллов СОМ. Установлено, что добавление L-asp ингибирует рост кристаллов СОМ и приводит к уменьшению их размеров. В растворах с концентрациями [Ca²⁺] = 4 ммоль/л и [C₂O₄²⁻] = 0,2 ммоль/л при добавлении L-asp снижается вероятность образования дендритов, и при концентрации L-asp 8–20 ммоль/л происходит образование одиночных кристаллов. В случае концентраций [Ca²⁺] = 4 ммоль/л и [C₂O₄²⁻] = 4 ммоль/л даже при высокой концентрации L-asp (20 ммоль/л) образуются агломераты из одиночных кристаллов, что указывает на меньшую степень ингибирования.
format Article
author Таранец, Ю.В.
Безкровная, О.Н.
Притула, И.М.
Матейченко, П.В.
Софронов, Д.С.
Клочков, В.К.
spellingShingle Таранец, Ю.В.
Безкровная, О.Н.
Притула, И.М.
Матейченко, П.В.
Софронов, Д.С.
Клочков, В.К.
Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Таранец, Ю.В.
Безкровная, О.Н.
Притула, И.М.
Матейченко, П.В.
Софронов, Д.С.
Клочков, В.К.
author_sort Таранец, Ю.В.
title Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
title_short Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
title_full Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
title_fullStr Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
title_full_unstemmed Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
title_sort влияние l-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2016
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/129945
citation_txt Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата / Ю.В. Таранец, О.Н. Безкровная, И.М. Притула, П.В. Матейченко, Д.С. Софронов, В.К. Клочков // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 3. — С. 445-459. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT taranecûv vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
AT bezkrovnaâon vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
AT pritulaim vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
AT matejčenkopv vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
AT sofronovds vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
AT kločkovvk vliânielasparaginovojkislotynakristallizaciûoksalatakalʹciâmonogidrata
first_indexed 2025-07-09T12:32:28Z
last_indexed 2025-07-09T12:32:28Z
_version_ 1837172633476530176
fulltext 445 PACS numbers: 61.05.cp, 68.37.Hk, 81.07.Вс, 81.10.Dn, 87.64.Ee, 87.85.J-, 87.85.Rs Влияние L-аспарагиновой кислоты на кристаллизацию оксалата кальция моногидрата Ю. В. Таранец1, О. Н. Безкровная1, И. М. Притула1, П. В. Матейченко1, Д. С. Софронов2, В. К. Клочков3 1Институт монокристаллов НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, просп. Науки, 60, 61001 Харьков, Украина 2ГНУ НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, просп. Науки, 60, 61001 Харьков, Украина 3Институт сцинтилляционных материалов НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, просп. Науки, 60, 61001 Харьков, Украина Рассмотрено влияние молярного соотношения концентраций ионов каль- ция и оксалата на морфологию кристаллов моногидрата оксалата каль- ция (СОМ) — одного из главных компонентов патогенных минералов, из которых состоят почечные камни людей. Изучено влияние добавки L- аспарагиновой кислоты (L-asp) различной концентрации на морфологию и размер получаемых кристаллов СОМ. Установлено, что добавление L- asp ингибирует рост кристаллов СОМ и приводит к уменьшению их раз- меров. В растворах с концентрациями [Ca2]4 ммоль/л и [C2O4 2–]0,2 ммоль/л при добавлении L-asp снижается вероятность образования денд- ритов, и при концентрации L-asp 8–20 ммоль/л происходит образование одиночных кристаллов. В случае концентраций [Ca2]4 ммоль/л и [C2O4 2–]4 ммоль/л даже при высокой концентрации L-asp (20 ммоль/л) образуются агломераты из одиночных кристаллов, что указывает на меньшую степень ингибирования. Розглянуто вплив молярного співвідношення концентрацій йонів Каль- цію й оксалату на морфологію кристалів моногідрату оксалату кальцію (СОМ) — одного з головних компонентів патогенних мінералів, з яких складаються ниркові камені людей. Вивчено вплив добавки L- аспарагінової кислоти (L-asp) різної концентрації на морфологію і роз- мір одержуваних кристалів СОМ. Встановлено, що додавання L-asp пригнічує ріст кристалів СОМ і приводить до зменшення їхніх розмі- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 2016, т. 14, № 3, сс. 445–459  2016 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Ã. В. Курдюмова НÀН України) Надруковано в Україні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 446 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. рів. У розчинах з концентраціями [Ca2]4 ммоль/л і [C2O4 2–]0,2 ммоль/л при додаванні L-asp знижується ймовірність утворення денд- ритів, і при концентрації L-asp у 8–20 ммоль/л відбувається утворення поодиноких кристалів. У разі концентрацій [Ca2]4 ммоль/л і [C2O4 2–] 4 ммоль/л навіть при високій концентрації L-asp (20 ммоль/л) утво- рюються аґломерати з поодиноких кристалів, що вказує на менший ступінь інгібування. The influence of the molar ratio of the concentrations of calcium and oxa- late ions on the morphology of calcium oxalate monohydrate (COM) crys- tals, the main components of pathogenic minerals constituting human kidney stones, is considered. The effect of the L-aspartic acid (L-asp) ad- mixture of varying concentrations on the morphology and size of the ob- tained COM crystals is studied. As established, the addition of L-asp in- hibits the growth of the COM crystals and reduces their size. The proba- bility of dendrite formation is reduced in the solutions with the concen- trations [Ca2]4 mM and [C2O4 2–]0.2 mM by adding L-asp; and isolated crystals are formed at the L-asp concentration of 8–20 mM. At the con- centrations [Ca2]4 mM and [C2O4 2–]4 mM, aggregates of isolated crys- tals are formed even at high concentration of L-asp (20 mM) that testifies to a lower extent of inhibition. Ключевые слова: биоминерализация, кальций оксалат моногидрат, рост кристаллов, сканирующая электронная микроскопия, пересыще- ние, L-аспарагиновая кислота. Ключові слова: біомінералізація, кальцій оксалат моногідрат, ріст кри- сталів, сканувальна електронна мікроскопія, пересичення, L- аспарагінова кислота. Key words: biomineralization, calcium oxalate monohydrate, crystal growth, scanning electron microscopy, supersaturation, L-aspartic acid. (Получено 13 сентября 2016 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Поскольку в мире постоянно возрастает число заболеваний, свя- занных с патогенным минералообразованием в организме челове- ка, то одним из самых актуальных направлений в области кри- сталлизации из растворов является изучение кристаллизации в биологических средах из прототипов физиологических жидко- стей. Оксалат кальция, в частности, кальций оксалат моногидрат (CаC2O4Н2O, СОМ), является основным компонентом почечных камней. Установлено, что патогенные органоминеральные агрега- ты имеют сложный и неоднородный состав. Так, доля смешан- ных оксалат-фосфатных камней, по данным разных исследовате- лей, колеблется от 6,9 до 59,4%, уратных — от 5 до 50% и т.д. ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 447 [1]. Однако в целом наиболее распространёнными среди них яв- ляются оксалаты кальция — вевеллит CaC2O4H2O и ведделлит CaC2O42H2O. Эти вещества — наиболее частые компоненты кам- ней мочеполовой системы и могут входить в состав зубных, желчных камней, камней слюнных желёз. На процесс зарождения кристаллов СОМ и их дальнейший рост большое значение оказывают даже малые концентрации амино- кислот, белков, и других органических молекул, которые содер- жатся в физиологическом растворе и обнаружены в составе окса- латных почечных камней [2]. Способность большинства амино- кислот хорошо растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования, влияющего на всасывание аминокислот, их транспорт в организме и т.п. Ис- следования [3, 4] показали, что такие маленькие молекулы, как лимонная кислота, и макромолекулы (остеопонтин, белок Там- ма–Хорсфалла), содержащие кислые функциональные группы, ингибируют процессы образования сом. Ранее в работах [5–7] бы- ло установлено, что присутствие аминокислот оказывает различ- ное влияние на рост кристаллов оксалата кальция. Если глута- миновая кислота, лизин, аргинин и глицин обладают сильным ингибирующим действием, то значительным промотирующим действием обладают пролин, валин, серин и метионин. L-аспарагиновая (L-asp) кислота относится к молекулам, спо- собным ингибировать образование почечных камней; однако, по мнению разных авторов, эти данные противоречивы. Согласно данным [6, 8], аминокислота L-asp ингибирует процессы нуклеа- ции и рост кристаллов за счёт адсорбции её молекул на поверх- ности кристаллов СОМ. В тоже время, в работе [9] описано суще- ственное промотирование процессов зарождения СОМ, связанное с образованием в растворе оксалата кальция моногидрата ком- плексов кальция с карбоксильными группами аминокислоты, ко- торые и являются центрами нуклеации кристаллов СОМ (т.е. об- разования их зародышей). L-аспарагиновая кислота (СООН–СН2–СН(NH2)–COOH) отно- сится к кислым аминокислотам, так как содержит две кар- боксильные группы и одну аминогруппу, которые при опреде- лённых условиях могут находиться в ионном состоянии. В вод- ном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной сме- си диполярного иона, катионной и анионной форм. Положение равновесия зависит от рН среды. У всех аминокислот преоблада- ют катионные формы в сильнокислых (рН 1–2) средах и анион- ные — в сильнощелочных (рН11). Изоэлектрическая точка (значение рН, при котором концен- трация диполярных ионов аминокислоты максимальна, а мини- мальные концентрации катионных и анионных форм равны) для 448 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. L-asp равна 3; значения констант диссоциации pK — 2,1, 3,9 и 9,8 [8, 10]. Молекула L-asp при рН 5,8 находятся в основном в анионной форме (СОО–)–СН2–СН(NH2 )–COO–, так как ионизиро- ваны обе карбоксильные группы. Поэтому кислота L-asp способна адсорбироваться на положительно заряженных гранях растущего кристалла. Àминокислоты в водных растворах имеют заряд, и грани одноводного оксалата кальция тоже заряжены [11], то вполне вероятно, что имеет место электростатическое взаимодей- ствие аминокислот с поверхностью синтезируемых кристаллов, приводящее к адсорбции молекул аминокислоты на растущую грань. Кроме того, дополнительная стабилизация образующихся поверхностных соединений может быть обусловлена способностью аминокислот образовывать полидентатные хелатные комплексы с ионами кальция, выходящими на грань {100} [11]. Целью нашей работы было изучить влияние молярного соот- ношения ионов кальция и оксалата, а также их концентрации в растворе и добавление в раствор аминокислоты L-asp, имеющей дополнительную карбоксильную группу, на морфологию и размер получаемых кристаллов СОМ. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Для синтеза кристаллов СОМ использовали соли — хлорид каль- ция CaCl2 и оксалат калия K2C2O4·Н2O (реактивы марки х.ч.). В качестве добавки, ингибирующей рост кристаллов СОМ, исполь- зовали L-аспарагиновую кислоту (L-asp (х.ч.)). Модельные рас- творы готовили с использованием дистиллированной воды. Для синтеза кристаллов СОМ нами был выбран наиболее близ- кий к физиологическим условиям метод получения [12, 13]. Со- отношение молярных концентраций компонентов реакции [Ca2]/[C2O4 2–] в модельных растворах было равно 1:1 и 20:1; при этом соотношение 20:1 близко к физиологическим условиям [13, 14]. Процесс кристаллизации СОМ изучали в водных растворах, как без добавок аминокислоты, так и в присутствии L-asp. Ис- следование кристаллизации СОМ проводили в ацетатном буфер- ном растворе (рН5,8) при температуре 37С и ионной силе рас- твора 0,15 М. При приготовлении растворов необходимо было учитывать, чтобы ионная сила модельных растворов была равна ионной силе биологической системы. Даже незначительное уве- личение ионной силы вызывает изменение степени ионизованно- сти аминокислот, вследствие чего меняется их конформация, а, следовательно, и биологические функции [8,10]. Поскольку ион- ная сила биологической жидкости человека равна 0,15 моль/л, то модельный раствор должен был иметь соответствующую концен- трацию хлорида калия (0,15 моль/л). ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 449 Пересыщение модельных растворов (S) вычисляли по формуле:              1/2 2 2 2 4Ca C H / 1 sp S K , (1) где в числителе квадратными скобками обозначена молярная кон- центрация ионов Ca и оксалата, а в знаменателе — произведение растворимости оксалата кальция (при 37C — 2,810–9 моль2/л2) [15]. Коэффициент активности  определяли из выражения:            1/2 1/2 1 2log / 1 0,3Az z I I I . (2) Здесь A 0,5115 — константа Дебая–Хюккеля, Z1 Z2 2 — заря- ды ионов; I0,5(Z2C) — ионная сила раствора. Суммирование проводится по всем типам ионов, присутствующим в растворе, однако в нашем случае концентрация COM была очень малой, поэтому величина ионной силы (I0,15) определялась добавкой индифферентного электролита (хлорид калия) и наличием буфер- ного раствора. Пересыщение растворов оксалата кальция, ис- пользуемых в работе, варьировалось от 2 до 17. Ôазовый состав и структуру синтезированных образцов окса- лата кальция устанавливали с помощью рентгеноструктурного анализа, который был выполнен на дифрактометре ‘Siemens D 500’. С целью получения дополнительной информации о составе полученных осадков был использован метод ИК-спектроскопии. ИК-спектры измерялись на спектрофотометре ‘Spectrum One PerkinElmer’. Образцы готовились методом прессования таблеток с KBr. Запись спектра исследуемых образцов проводили в обла- сти от 4000 до 400 см1. Спектры поглощения измеряли на спек- трофотометре ‘3220UV’. Морфология кристаллов изучалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием электронного микроскопа ‘6390LV’. Для исследования методом СЭМ образцы подвергали 3-хкратной промывке дистиллированной водой с по- мощью центрифугирования. Оценку среднего гидродинамическо- го диаметра частиц методом динамического светорассеяния (ДСР) проводили на анализаторе Zeta PALS (Brookhaven Instruments Corporation, USA) при угле рассеивания 90. В качестве источни- ка света использовали гелий-неоновый лазер (длина волны излу- чения 659 нм). Измерения проводили в специальных полисти- рольных кюветах (BI-SCP). 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Результаты рентгеноструктурного анализа синтезированных осадков свидетельствуют об образовании кристаллов СОМ (рис. 450 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. 1). Приведённая дифрактограмма была типична для кристаллов СОМ, синтезированных при пересыщении раствора 2–17. Àнализ фазового состава проводился путём сопоставления ин- тенсивностей дифракционных максимумов и экспериментальных значений межплоскостных расстояний с набором соответствую- щих табличных значений. Основные дифракционные пики моно- гидрата оксалата кальция наблюдаются при значениях 2 равных 14,93 для отражения (101), 15,29 для отражений (110) и 24,37 для отражения (202) [4]. В ИК-спектрах образцов, синтезированных при соотношениях [Ca2]/[C2O4 2–]1:1 и [Ca2]/[C2O4 2–]20:1 наблюдаются все основ- ные полосы, характерные для кристаллов СОМ (рис. 2, а, б). В ИК-спектрах присутствует типичная группа полос в интервале от 3477 до 3047 см1, соответствующая колебаниям OH-группы, вхо- дящей в состав кристаллизационной воды. Две полосы малой ин- тенсивности на 947 и 882 см1, а также полоса поглощения на 650 см1 (колебания OH-группы) также характерны для СОМ. Две интенсивные полосы, расположенные на 1316 и 1615 см1 (коле- бания СО-группы), используются для идентификации СОМ в их смеси с другими патогенными биоминералами [9]. Две отдельные синглетные полосы на 780 и 517 см1 (колебания СО-группы), присутствующие на спектрах, позволяют отличить моногидрат оксалата кальция от дигидрата, для которого данные полосы не характерны. В ИК-спектрах образцов СОМ с добавкой L-asp наблюдается присутствие полос в интервале от 3130 до 3030 см1, соответству- ющих валентным колебаниям аминогруппы, входящей в состав L-asp [10]. Как известно, в структуре молекулы L-asp кроме ами- ногруппы имеется ещё и две карбоксильные группы. Полосы ва- лентных колебаний СООН-групп находятся в диапазоне от 1710 Рис. 1. Дифрактограмма кристаллов СОМ, выращенных при s11,5.1 ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 451 до 1730 см1 [10]. Однако для исследованных образцов данные полосы поглощения отсутствуют. Это указывает на то, что обе карбоксильные группы L-asp находятся в ионизированном состо- янии. Полосы валентных колебаний СОО– групп сдвигаются от 1645 и 1540 до 1656 см1 и 1403 см1. Подобное наблюдалось в работе [16] при изучении в водных растворах адсорбции глута- миновой кислоты на поверхности нанокристаллического диокси- да церия. Сдвиг обеих полос поглощения ионизированных кар- боксильных групп по сравнению со спектром L-asp позволяет предположить, что обе группы СОО– взаимодействуют с поверх- ностью кристаллов СОМ. Таким образом, варьирование соотно- шения [Ca2+]/[C2O4 2–] и добавка L-asp не оказывают влияния на фазовый состав оксалата кальция (во всех случаях образовыва- лись кристаллы СОМ). Морфология кристаллов в процессе формирования и роста ча- сто отличается от их равновесной формы. Наблюдаемые отличия в морфологии кристаллов возникают из-за влияния условий, при которых происходит рост кристаллов. Известно, что путём варь- ирования условий роста (температуры, рН раствора, пересыще- ния, концентрации исходных компонентов) могут быть получены кристаллы различной формы [17]. Нами было рассмотрено влия- ние концентрации оксалат-иона на кристаллизацию оксалата кальция при соотношении, близком к физиологическим условиям ([Ca2]/[C2O4 2–]20:1) и при стехиометрическом соотношении ис- ходных компонентов ([Ca2]/[C2O4 2–]1:1). а б Рис. 2. ИК-спектры кристаллов СОМ, выращенных при соотношении [Ca2+]/[C2O4 2–]1:1 и концентрации ионов Ca2+: 3 ммоль/л (1), 2 ммоль/л (2), 1 ммоль/л (3) и 0.5 ммоль/л (4) (а); и выращенных при соотноше- нии [Ca2]/[C2O4 2–]20:1 ([Ca2]4 ммоль/л, [C2O4 2–]0,2 ммоль/л) без добавки L-asp (1), c 10 ммоль/л L-asp (2) (б).2 452 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. При концентрациях оксалат-иона 0,3–0,5 (2s3) ммоль/л и соотношении концентраций [Ca2+]/[C2O4 2–]1:1, образовывались одиночные кристаллы СОМ, имеющие форму гексагональной пластинки. Такая форма для кристаллов СОМ является типичной [18]. При увеличении концентрации до 2 ммоль/л (4s11) об- разующиеся кристаллы представляли собой двойникованные структуры. Известно, что двойники могут возникать различными способами, например, во время роста (ростовые двойники) и при механическом воздействии (деформационные двойники). В случае кристаллов СОМ образуются контактные двойники роста и про- никающие двойники. Если при обычном росте кристалла (при малом пересыщении раствора) строительные единицы присоеди- няются только к торцам ростовых слоёв, имеющих элементарную высоту, распространяющихся по уже сформированной поверхно- сти [15], то при очень большом пересыщении раствора может иметь место также слоистый рост кристаллов. При этом на рас- тущей грани при случайном столкновении строительных единиц а б в г Рис. 3. Ôотографии СЭМ кристаллов СОМ, выращенных с добавлением L-asp с концентрациями: 0 (а), 2 (б), 4 (в), 8 (г) ммоль/л через одни сут- ки после синтеза ([Ca2]/[C2O4 2–]1:1; [Ca2+]4 ммоль/л; [C2O4 2–]4 ммоль/л; s17).3 ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 453 адсорбируются двумерные зародыши, от которых начинают расти слои. При концентрациях свыше 3 ммоль/л имело место образование дендритных кристаллов СОМ (рис. 3, а). Причиной образования дендритов являлось сильное пересыщение раствора ([Ca2+]4 ммоль/л, [C2O4 2–]4 ммоль/л), достигающее 17. При таком высо- ком пересыщении вершины растущего кристалла больше сопри- касаются с пересыщенным раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются вглубь пересыщенно- го раствора, поэтому рост у вершин идёт быстрее, чем в центре граней. Это объясняется тем, что при росте затрудняется диффу- зия вещества к кристаллу. Поэтому кристалл быстрее растёт те- ми своими частями, у которых больше удельная поверхность, т.е. это выступающие части кристалла — его вершины и ребра. Сле- довательно, дендритные кристаллы СОМ являются формой вер- шинного роста кристаллов. Подобная тенденция образования морфологии кристаллов наблюдалась и в случае соотношения [Ca2+]/[C2O4 2–]20:1. При невысоком пересыщении раствора (2s3) образовывались пре- имущественно одиночные кристаллы СОМ, однако в данном диа- пазоне пересыщений имеет место и образование контактных и проникающих двойников. При увеличении пересыщения до 5 об- разующиеся кристаллы представляют собой сростки и дендриты (рис. 4, а). Дендритные кристаллы СОМ, выращенные при соот- ношении концентраций [Ca2+]/[C2O4 2–]20:1 (при [Ca2+]4 ммоль/л, [C2O4 2–]0,2 ммоль/л) не имели вытянутых острых гра- ней (в отличие от случая [Ca2+]/[C2O4 2–]1:1). Причиной этого яв- ления, с одной стороны, является меньшее пересыщение раствора (s4,6), благодаря чему рост у вершин и в центре граней проис- ходил практически одинаково. С другой стороны, на рост кри- сталлов СОМ также влияет нестехиометрия раствора: ионов кальция в растворе в 20 раз больше чем оксалат-ионов; поэтому вероятно, что не все ионы кальция связываются с ионами оксала- та; соответственно, на гранях кристалла оседают примеси Са2+, не вошедшие в кристалл. При введении некоторых аминокислот имеет место как промо- тирование образования СОМ, так и ингибирование его роста и кристаллизации [19]. Известно, что ингибирование процессов нук- леации происходит на поверхности зародыша, а промотирование — в растворе за счёт связывания аминокислоты с ионами кальция [1]. Поскольку присутствующие в кристаллизационной смеси мо- лекулы L-asp при рН6 находятся в ионизированном состоянии, то возможна как адсорбция L-asp на поверхности растущих кри- сталлов СОМ, так и образование в растворе комплексов кальция, служащих центрами нуклеации растущих кристаллов СОМ. В ра- 454 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. боте [2] приведены данные об ингибировании роста кристаллов СОМ (выращенных при соотношении [Ca2+]/[C2O4 2–]6) при помо- щи различных аминокислот, в частности, L-asp. При увеличении концентрации аминокислоты увеличивалась степень ингибирова- ния роста кристаллов СОМ. В нашей работе при добавлении аминокислоты L-asp с концен- трациями 2–20 ммоль/л в раствор [Ca2]/[C2O4 2–]20:1 ([Ca2+]4 а б в г д е Рис. 4. Ôотографии СЭМ кристаллов СОМ, выращенных с добавлением L-asp с концентрациями: 0 (а), 2 (б), 4 (в), 8 (г) и 20 (д; е) ммоль/л через одни сутки после синтеза ([Ca2]/[C2O4 2–]20:1; [Ca2]4 ммоль/л; [C2O4 2– ]0,2 ммоль/л; s4,6).4 ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 455 ммоль/л, [C2O4 2–]0,2 ммоль/л) наблюдалось уменьшение разме- ров кристаллов СОМ; однако этот эффект проявлялся лишь при концентрациях L-asp выше 4 ммоль/л (рис. 4, б–е). При концентрациях добавки 2 ммоль/л изменение размера кри- сталлов не происходило, а наблюдалось лишь появление дефектов на медленнорастущей грани кристалла {100}. При увеличении концен- трации L-asp до 8 ммоль/л и выше (до 20 ммоль/л) наблюдалось уменьшение размера кристаллов СОМ, что объясняется адсорбцией аминокислоты на грани кристалла. Àминокислота, адсорбируясь на грани кристалла, может препятствовать её росту; при увеличении концентрации аминокислоты происходит блокировка большего ко- личества активных центров, что способствует дальнейшему замедле- нию роста кристалла. Этот факт подтверждает то, что при увеличе- нии концентрации L-asp снижается вероятность образования дендри- тов, и увеличивается возможность образования одиночных кристал- лов СОМ (рис. 4, е). При [Ca2]/[C2O4 2–]1:1 и увеличении концентрации оксалат- ионов до 4 ммоль/л (концентрация Ca2 при этом не изменяется) добавление L-asp также приводит к уменьшению кристаллов СОМ (рис. 3). Однако ингибирование происходит намного слабее, что, вероятно, обусловлено высоким пересыщением раствора. При введении L-asp в концентрации 8 ммоль/л наблюдается снижение размера кристаллов до 4–5 мкм, однако они представ- ляют собой сростки из одиночных кристаллов. Из литературы известно [15], что у оксалата кальция быстро растущая грань {010} растёт по дислокационному механизму. Наиболее развитая по сравнению с другими грань {100} растёт значительно медленнее. На эту грань дислокации выходят очень редко, и обычно на ней нет источников роста. Но при увеличении пересыщения раствора на стыке зон роста с другими гранями (на пересечении рёбер грани), может образовываться двумерный кри- сталлический зародыш, от которого распространяется новый слой роста. В тоже время, на поверхность грани {100} кристаллов СОМ выходят ионы Ca2, которые могут способствовать адсорбции мо- лекул аминокислоты L-asp за счёт электростатического взаимо- действия с её отрицательно заряженными карбоксильными груп- пами. Доминирующим механизмом адсорбции L-asp на грань {121} может быть также образование водородных связей между ионами кислорода органической молекулы и протонами, выхо- дящими на эту грань [11]. Такие особенности растущих граней кристаллов СОМ приводят к тому, что добавление аминокислоты L-asp в раствор приводит в основном к блокированию роста граней {100} и {121}; быстрый рост грани {010} при торможении роста двух других ведёт к её исчезновению при концентрации L-asp в интервале 8–20 ммоль/л 456 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. ([Ca2]/[C2O4 2–]20:1; [Ca2]4 ммоль/л; [C2O4 2]0,2 ммоль/л; s4,6) (рис. 4, д–ж). Для подтверждения ингибирующего эффекта L-asp на кристал- лизацию СОМ получены кривые распределения частиц оксалата кальция, позволяющие определить гидродинамический диаметр частиц СОМ ([Ca2+]/[C2O4 2–]1:1) в присутствии 8–20 ммоль/л L- asp (рис. 5). При проведении измерений в образцах было обнару- жено наличие частиц размером менее 0,5 мкм, а также более крупная фракция (6,5–10 мкм). Данный метод не позволяет ха- рактеризовать наличие в растворе частиц размером более 10 мкм. Поскольку для исследования методом ДСР образцы не подверга- ли промывке (в отличие от метода СЭМ), то мы исключили из дальнейшего рассмотрения наличие фракции размером до 0,5 мкм (которые могут быть как кристаллами СОМ, так и остатками аминокислоты, ассоциированной с ионами кальция в растворе). Из рисунка 5 видно, что если при концентрации L-asp 8 ммоль/л основной вклад в распределение частиц по размерам (в пределах размеров 0,5–10 мкм) вносят частицы с гидродинамиче- ским диаметром около 9 мкм, то при увеличении концентрации аминокислоты до 20 ммоль/л размер частиц уменьшается до 7 мкм. Тенденция снижения размера кристаллических частиц СОМ при увеличении концентрации L-asp от 8 до 20 ммоль/л коррели- рует с данными, полученными методом СЭМ. В тоже время неко- торое отличие в размерах частиц, полученное этими двумя мето- дами, может быть обусловлено тем, что методом ДСР измерялся их гидродинамический диаметр, т.е. с учётом сольватной оболоч- ки. Кроме того, известно, что при исследовании полидисперсных а б Рис. 5. Распределение частиц СОМ по размерам (по результатам дина- мического светорассеяния), синтезированных с добавлением L-asp: 8 ммоль/л (а) и 20 ммоль/л (б) при соотношении [Ca2]/[C2O4 2–]1:1; s11,5.5 ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 457 образцов с помощью метода ДРС (а синтезированные нами кри- сталлы СОМ относятся именно к полидисперсным, поскольку имеют различный размер), получаемые размеры частиц могут не соответствовать их реальным размерам в жидкости [20]. Это свя- зано с тем, что интенсивность светорассеяния зависит не только от размеров и концентраций частиц, но также от волнового вектора рассеяния, и от форм частиц, учитывающего внутреннюю интер- ференцию света в крупных частицах. 4. ВЫВОДЫ Рассмотрено влияние молярного соотношения ионов кальция и оксалата, а также их концентрации в растворе и концентрации вводимой добавки (L-аспарагиновой кислоты) на морфологию и размер кристаллов СОМ. Обнаружено, что увеличение концен- трации L-asp приводит к увеличению нуклеации кристаллов СОМ и ингибированию их роста. Варьирование концентрации ионов кальция и оксалата, а также добавки L-asp не влияют на фазо- вый состав кристаллов СОМ. Изучено влияние концентрации ионов кальция и оксалата на габитус кристаллов СОМ. Обнаружено, что при соотношении [Ca2]/[C2O4 2–]1:1 при концентрациях 0,3–0,5 ммоль/л образу- ются одиночные кристаллы СОМ, имеющие форму гексагональ- ных пластин, при 1–2 ммоль/л, кроме одиночных кристаллов, образуются контактные и проникающие двойники, а при концен- трациях свыше 3 ммоль/л имеет место образование дендритных кристаллов СОМ. Выявлено ингибирующее действие аминокислоты L-asp на про- цессы роста кристаллов СОМ. Обнаружено, что добавление L-asp (2–20 ммоль/л) в раствор [Ca2]/[C2O4 2–]20:1 (s4,6) приводит к снижению размеров кристаллов СОМ, что особенно характерно для концентраций L-asp выше 4 ммоль/л. Установлено, что при кон- центрациях L-asp 8–20 ммоль/л (при [Ca2]/[C2O4 2–]20:1) воз- можно образование одиночных кристаллов СОМ размером 5 мкм. Снижение размера кристаллов СОМ при повышении концентрации L-asp в растворе обусловлено адсорбцией молекул аминокислоты на гранях кристалла, препятствующей её росту. При увеличении концентрации L-asp в растворе (при [Ca2]/[C2O4 2–]20:1, s4,6) происходит блокировка большего количества активных центров, что и способствует дальнейшему замедлению роста кристалла и приводит к образованию одиночных кристаллов СОМ. При соот- ношении [Ca2]/[C2O4 2–]1:1 (s17) добавление L-asp также приво- дит к уменьшению кристаллов СОМ, однако ингибирование про- исходит намного хуже, что обусловлено высоким пересыщением раствора. 458 Ю. В. ТÀРÀНЕЦ, О. Н. БЕЗКРОВНÀЯ, И. М. ПРИТУЛÀ и др. Àвторы выражают благодарность к.х.н. В. Н. Баумеру и À. Н. Пузан (ÃНУ НТК «Институт монокристаллов» НÀН Украины) за помощь в проведении рентгеноструктурного анализа образцов ок- салата кальция и интерпретации результатов. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА–REFERENCES 1. J. He, R. Lin, H. Long, Y. Liang, and Y. Chen, J. Colloid Interface Sci., 454: 144 (2015). 2. C. Henneguin, V. Lalanne, M. Daudon, B. Lacour, and T. Drueke, Urol. Res., 21: 101 (1993). 3. K. Ganter, D. Bongartz, and A. Hesse, Urology, 53: 492 (1999). 4. Sh. Guo, M. D. Ward, and J. A. Wesson, Langmuir, 18: 4284 (2002). 5. O. A. Golovanova, V. V. Korolkov, Yu. O. Punin, and A. S. Vyisotskiy, Vestnik Omskogo Universiteta, 2: 117 (2013) (in Russian); О. À. Ãолованова, В. В. Корольков, Ю. О. Пунин, À. С. Высоцкий, Вестн. Омск. ун-та, 2: 117 (2013). 6. F. Grases, J. G. March, F. Bibiloni, and E. Amat, J. Cryst. Growth, 87: 299 (1988). 7. J.-M. Ouyang, L. Duan, and B. Tieke, Langmuir, 19: 8990 (2003). 8. D. E. Fleming, W. Bronswijk, and R. L. Ryall, Clin. Sci., 101: 159 (2001). 9. O. A. Golovanova, Yu. O. Punin, A. S. Vyisotskiy, and V. R. Khannanov, Khimiya v Interesakh Ustoichivogo Razvitiya, 19: 501 (2011) (in Russian); О. À. Ãолованова, Ю. О. Пунин, À. С. Высоцкий, В. Р. Ханнанов, Химия в интересах устойчивого развития, 19: 501 (2011). 10. H.-D. Jakubke and H. Jeschkeit, Aminokisloty, Peptidy, Belki [Aminosäuren, Peptide, Proteine] (Moscow: Mir: 1985) (Russian translation); Х.-Д. Якубке, Х. Ешкайт, Аминокислоты, пептиды, белки (Москва: Мир: 1985) (пер. с нем.). 11. B. Grohe, J. O. Young, D. A. Ionescu, and G. Lajoie, J. Am. Chem. Soc., 129: 14946 (2007). 12. J. P. Kavanagh, L. Jones, and P. N. Rao, Urol. Res., 27: 231 (1999). 13. I. Gutsow, S. Atanasova, and G. Budevsky, Z. Chem., 30: 299 (1990). 14. Y. Ogawa, T. Miyazato, and T. Hatano, J. Surg., 24: 1154 (2000). 15. E. V. Petrova, N. V. Gvozdev, and L. N. Rashkovich, J. Optoelectron. Adv. M., 6, No. 1: 261 (2004). 16. N. N. Vlasova and L. P. Golovkova, Poverkhnost, 7: 77 (2015) (in Russian); Н. Н. Власова, Л. П. Ãоловкова, Поверхность, 7: 77 (2015). 17. A. Millan, Cryst. Growth Design, 3: 245 (2001). 18. A. Millan, J. Mat. Sci.: Materials in Medicine, 8: 247 (1997). 19. E. Akyol and M. Öner, J. Cryst. Growth, 401: 912 (2014). 20. E. Van der Pol, A. G. Hoekstra, A. Sturk, C. Otto, T. G. van Leeuwen, and R. Nieuwland, J. Thromb. Haemost, 8, No. 12: 2596 (2010). 1Institute for Single Crystals, STC ‘Institute for Single Crystals’, N.A.S. of Ukraine, Nauky Ave., 60, 61001 Kharkiv, Ukraine 2State Scientific Institution STC ‘Institute for Single Crystals’, N.A.S. of Ukraine, Nauky Ave., 60, 61001 Kharkiv, Ukraine ВЛИЯНИЕ L-ÀСПÀРÀÃИНОВОЙ КИСЛОТЫ НÀ КРИСТÀЛЛИЗÀЦИЮ CаC2O4Н2O 459 3Institute for Scintillation Materials, STC ‘Institute for Single Crystals’, N.A.S. of Ukraine, Nauky Ave., 60, 61001 Kharkiv, Ukraine 1 Fig. 1. XRD pattern of COM crystals grown at s11.5. 2 Fig. 2. IR-spectra of СОМ crystals grown at the ratio [Ca2]/[C2O4 2–]1:1 and the concentra- tions of Ca2 ions: 3 mM (1), 2 mM (2), 1 mM (3) and 0.5 mM (4) (а); and grown at the ratio [Ca2]/[C2O4 2–]20:1 ([Ca2]4 mM, [C2O4 2–]0.2 mM) without addition of L-asp (1), with 10 mM L-asp (2) (б). 3 Fig. 3. SEM images of COM crystals grown with addition of L-asp with concentrations: 0 (а), 2 (б), 4 (в) and 8 (г) mM since one day after synthesis ([Ca2]/[C2O4 2–]1:1; [Ca2]4 mM; [C2O4 2–]4 mM; s17). 4 Fig. 4. SEM images of the COM crystals grown with addition of L-asp with concentrations: 0 (а), 2 (б), 4 (в), 8 (г) and 20 (д; е) mM since one day after synthesis ([Ca2]/[C2O4 2–]20:1; [Ca2]4 mM; [C2O4 2–]0.2 mM; s4.6). 5 Fig. 5. Size distribution of COM particles synthesized with addition of L-asp: 8 mM (а) and 20 mM (б) at the ratio [Ca2]/[C2O4 2–]1:1; s11.5 from dynamic light scattering.

Ähnliche Einträge