Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул
The state of water in nanocomposites modeling the bone tissue and created on the basis of nanodimensional hydroxyapatite and polypeptides (gelatin, albumin) by the method of ¹H NMR spectroscopy is studied. The state and thermodynamic parameters of bound water was determined. It is shown that water i...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6250 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул / В.В. Туров, А.В. Головань, П.П. Горбик, В.М. Мищенко, Ю.Б. Шевченко, В.Ф. Чехун // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 169-175. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859800027225915392 |
|---|---|
| author | Туров, В.В. Головань, А.В. Горбик, П.П. Мищенко, В.М. Шевченко, Ю.Б. Чехун, В.Ф. |
| author_facet | Туров, В.В. Головань, А.В. Горбик, П.П. Мищенко, В.М. Шевченко, Ю.Б. Чехун, В.Ф. |
| citation_txt | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул / В.В. Туров, А.В. Головань, П.П. Горбик, В.М. Мищенко, Ю.Б. Шевченко, В.Ф. Чехун // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 169-175. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The state of water in nanocomposites modeling the bone tissue and created on the basis of nanodimensional hydroxyapatite and polypeptides (gelatin, albumin) by the method of ¹H NMR spectroscopy is studied. The state and thermodynamic parameters of bound water was determined. It is shown that water in composites can exist in strongly and weakly associated states. The maximal amount of weakly associated water is registered for composites containing albumin. It is shown that the weakly polar environment, such as chloroform, diminishes the value of bound water in nanocomposites due of the cluster state formation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:12:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 541.183
© 2008
В.В. Туров, А.В. Головань, П. П. Горбик, В. М. Мищенко,
Ю.Б. Шевченко, академик НАН Украины В. Ф. Чехун
Гидратационные свойства композитных материалов
на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых
молекул
The state of water in nanocomposites modeling the bone tissue and created on the basis of
nanodimensional hydroxyapatite and polypeptides (gelatin, albumin) by the method of 1H NMR
spectroscopy is studied. The state and thermodynamic parameters of bound water was determi-
ned. It is shown that water in composites can exist in strongly and weakly associated states. The
maximal amount of weakly associated water is registered for composites containing albumin. It
is shown that the weakly polar environment, such as chloroform, diminishes the value of bound
water in nanocomposites due of the cluster state formation.
Создание искусственных костных тканей и имплантов является одной из приоритетных
задач современной трансплантологии, поскольку в результате разного рода травм возникает
необходимость замены как целых костей, так и их фрагментов. Большой прогресс в этом
направлении достигнут при формовании костных протезов из искусственного гидрокси-
апатита [1]. Однако функция костной ткани не сводится только к обеспечению жесткости
и двигательной активности организма. Внутри костной ткани организмом осуществляется
синтез многих типов клеток, таких как красные кровяные тельца, лейкоциты, тромбоциты
и др. [2]. Следовательно, костная ткань служит биоактивной матрицей, внутри которой
происходят сложные биохимические превращения. Вероятно, строение самой костной ткани,
как и внутренней среды, способствует процессу созревания и трансформации клеток.
Выполненные ранее исследования с использованием низкотемпературной ЯМР спектро-
скопии показали, что пористая составляющая костной ткани содержит более 30% по массе
связанной воды. Эта вода наблюдается в 1Н ЯМР спектрах в виде двух сигналов, отве-
чающих сильноассоциированной и слабоассоциированной воде [3, 4]. Измерение среднего
координационного числа воды может быть проведено на основе измерения величины хи-
мического сдвига протонов. При этом принимается, что для неассоциированной воды ве-
личина химического сдвига протонов воды близка к 1 м. д., а для тетракоординированной
воды — к 7 м. д. [5–7]. Целью настоящей работы было исследование структуры и термо-
динамических характеристик воды в нанокомпозитах гидроксиапатит-желатин (ГАП-Gel)
и гидроксиапатит-альбумин (ГАП-Alb).
Экспериментальная часть. Материалы. Нанодисперсный гидроксиапатит (химичес-
кая формула кристаллов Ca10(PO4)6 ·OH2) с удельной поверхностью 120 м2/г синтезирован
путем осаждения из cмеси водных растворов солей Ca(NO3)2 · 4H2O и (NH4)2HPO4 при
высоких значениях pH [8, 9].
Для приготовления нанокомпозитов использовался пищевой желатин и сывороточный
альбумин человека. Суспензию тщательно перемешивали при 40 ◦С до полного растворения
Gel, после чего образец подвергали ультразвуковой обработке в течение 15 мин. Полученный
композитный материал высушивали в сушильном шкафу при 60 ◦С в течение нескольких
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 169
часов. Такие образцы содержали не более 5% связанной воды. Гидрофобная среда модели-
ровалась путем добавления к гидратированным порошкам или суспензиям нанокомпозитов
некоторого количества хлороформа или дейтерированного хлороформа.
1Н ЯМР спектроскопия. Спектры ЯМР снимали на ЯМР спектрометре высокого разре-
шения Varian Mercury 400 с рабочей частотой 400 МГц. Температуру регулировали с точно-
стью ±1 K. Интенсивности сигналов определяли с точностью ±10%. Для предотвращения
переохлаждения суспензий спектры 1Н ЯМР незамерзающей воды записывали при нагрева-
нии суспензий, предварительно охлажденных до температуры 210 К. Условием замерзания
воды на межфазной границе адсорбент (биополимер)/вода является равенство свободных
энергий молекул адсорбированной воды и льда. При этом понижение температуры замер-
зания адсорбированной воды (273 К) определяется уменьшением свободной энергии воды,
вызванным адсорбционными взаимодействиями (∆G = G0−G, где G0 — свободная энергия
льда при T = 273 К) [6, 7]. Поскольку свободная энергия льда с понижением температуры
изменяется по линейному закону [10], ∆G = −0,036 (273 К). Площадь под кривой ∆G(Cuw)
определяет величину межфазной энергии (γS), которая равна суммарному понижению сво-
бодной энергии воды, обусловленному присутствием границы раздела фаз. По зависимостям
∆G(Cuw) рассчитывались также параметры слоев сильно- и слабосвязанной воды [6, 7].
При этом под слабосвязанной водой понимают ту часть незамерзающей воды, для кото-
рой ∆G < 0,5 кДж/моль [7]. Количественные значения толщины слоев каждого типа воды
(Cs
uw и Cw
uw для сильно- и слабосвязанной воды соответственно) и максимальные величины
понижения свободной энергии воды, вызванное адсорбцией (∆Gs и ∆Gw), могут быть по-
лучены экстраполяцией соответствующих участков зависимостей к осям абсцисс и ординат.
Результаты и их обсуждение. На рис. 1, 2 приведены температурные зависимости
спектров 1Н ЯМР воды в нанокомпозитах, приготовленных на основе Gel и Alb соответст-
венно. Соотношение концентраций минеральной и белковой составляющих для каждого
образца, а также содержание в них воды приведено в табл. 1. Номера образцов на рис. 1
и 2 отвечают номерам образцов в табл. 1.
При высокой гидратированности нанокомпозитов ГАП-Gel (см. рис. 1, а, б ) в спектрах
регистрируются сигналы сильно- и слабоассоциированной воды (сигналы 1 и 2, химические
сдвиги δ = 5 и δ = 1 м. д. соответственно). Добавление к нанокомпозиту дейтерохлорофор-
ма (см. рис. 1, б ) слабо влияет на вид спектров и соотношение интенсивностей сигналов 1
и 2 (при T = 278 К это соотношение близко к 15). С понижением температуры интенсив-
Таблица 1. Характеристики слоев связанной воды в нанокомпозитах, содержащих гидроксиапатит и белко-
вые молекулы
Номер
образца
ГАП-
белок
Тип
белка
CH2O,
мг/г
C
S
uw,
мг/г
C
w
uw,
мг/г
∆G
S ,
кДж/моль
∆G
w ,
кДж/моль
γS,
Дж/г
1 8 Gel 595 300 295 −2,7 −1,5 27,2
2
∗ 8 Gel 500 150 350 −2,7 −1,7 18,6
3 8 Gel 45 45 — −2,7 — 3,8
4
∗ 8 Gel 45 45 — −2,7 — 1,9
5 0,92 Alb 2470 270 280 −2,7 −0,7 26,4
6
∗ 0,47 Alb 454 280 174 −2,7 −1 24,6
7
∗ 1,31 Alb 1960 120 380 −2,7 −0,5 15,1
8 ∞ — Избыток 200 550 −2,4 −0,6 19,7
9 0 Alb 3590 1800 1790 −2,5 −0,8 183
∗ В присутствии хлороформа.
170 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
Рис. 1
ность обоих сигналов уменьшается ввиду замерзания части межфазной воды, а ширина
сигналов растет из-за уменьшения молекулярной подвижности воды при низких темпера-
турах [11]. Уменьшение гидратированности образцов приводит к полному исчезновению
сигнала слабоассоциированной воды (см. рис. 1, в, г).
Для нанокомпозитов ГАП-Alb в присутствии хлороформа вид спектров усложняется.
Для образца 6 (см. рис. 2), в котором соотношение концентраций ГАП : Alb : H2O рав-
но 2 : 4,5 : 3, в спектрах одновременно наблюдаются три сигнала связанной воды. Это
сигналы 1 и 2 сильно- и слабоассоциированной воды, а также сигналы 3 с промежуточным
значением химического сдвига. Кроме того, в спектрах регистрируются сигналы CH3 и CH2
групп этанола, присутствующего в хлороформе в качестве стабилизирующего агента. Со-
отношение интенсивностей сигналов 1 и 2 составляет 10 : 1 при T > 260 K. С понижением
температуры интенсивность сигнала 1 и 3 снижается, следовательно, ответственная за эти
сигналы вода является слабосвязанной.
Температурные зависимости спектров 1Н ЯМР воды в гидратированных порошках ГАП
(см. рис. 2, а) и Alb (см. рис. 2, б ) в присутствии CDCl3 представлены на рис. 2. Как
видно из этих рисунков, сигнал слабоассоциированной воды наблюдается только для во-
ды, адсорбированной внутри белковых глобул альбумина. Структурная дифференциация
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 171
Рис. 2
внутриглобульной воды в Alb описана в статье [12], где высказано предположение, что под
влиянием слабополярной органической среды, глобула альбумина претерпевает конформа-
ционные изменения, в результате которых сетка водородных связей внутриглобульной воды
частично разрушается и значительная часть связанной воды взаимодействует с границей
раздела фаз по механизму гидрофобной гидратации [13].
172 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
Рис. 3
С ростом гидратированности композита (ГАП : Alb : H2O равно 3 : 2,4 : 10) (см.
рис. 2, д, е) форма спектров и распределение интенсивностей сигналов меняется. При 280 К
в спектрах регистрируются сигналы 1, 2 и 3. Сигнал 4 исчезает, а интенсивность сигнала 2
уменьшается в несколько раз и он регистрируется в спектрах только при большом усиле-
нии (см. рис. 2, е). Сигнал 3 наблюдается лишь при относительно высокой температуре,
следовательно, он отвечает уже не сильно-, а слабосвязанной воде.
Температурные зависимости концентрации незамерзающей воды в нанокомпозитах 1–7
иллюстрирует рис. 3, а, в и построенные на их основе зависимости изменения свободной
энергии Гиббса от концентрации незамерзающей воды — рис. 3, б, г. Характеристики слоев
связанной воды суммированы в табл. 1.
Для образцов 3 и 4 с малым содержанием воды всю межфазную воду можно квали-
фицировать как сильносвязанную, поскольку она замерзает при температуре < 250 K [6, 7].
Сильносвязанной остается также значительная часть воды в нанокомпозитах ГАП-Gel
с высокой гидратированностью. На зависимостях ∆G(Cuw) можно выделить два участка,
которые характеризуются разным наклоном к оси абсцисс и отвечают двум типам сильно-
связанной воды [6].
В среде хлороформа (см. рис. 3, б, образец 2 ) зависимость ∆G(Cuw) расположена выше,
чем в воздушной среде (образец 1 ), т. е. слабополярные вещества уменьшают энергию взаи-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 173
модействия воды с поверхностью [14]. Данный эффект обусловлен формированием в нано-
размерных пустотах кластеров воды и слабополярных молекул, в которых с твердой фазой
преимущественно граничит органический компонент [15]. В нанокомпозитах ГАП-Gel энер-
гия кластерообразования определяется разницей в величине межфазной энергии, обуслов-
ленной присутствием хлороформа. В соответствии с данными табл. 1, эта разница равна
9 кДж/моль. Учитывая, что в гелях желатина, содержащих 74% белка, величина γS =
= 30 Дж/г можно заключить, что энергия взаимодействия ГАП-Gel невелика и состав-
ляет 3 Дж/г.
Для нанокомпозитов на основе Alb, зависимости ∆G(Cuw) содержат участки, обуслов-
ленные сильно- и слабосвязанной водой. Сравнение величин межфазной энергии для образ-
цов 5 и 7 показывает, что в присутствии слабополярной среды величина γS уменьшается
почти вдвое и становится даже меньше, чем для водной суспензии ГАП (образец 8 ). Ввиду
того, что межфазная энергия воды в 22% растворе Alb достигает 183 Дж/г (образец 9 ), при
формировании нанокомпозита ГАП-Alb происходит коагуляция белковых молекул на нано-
размерных частицах ГАП или внутри пустот в агрегатах, сформированных первичными
частицами.
На основании проделанной нами работы можно утверждать, что в нанокомпозитах, при-
готовленных на основе наноразмерного ГАП и белков (альбумина и желатина), связанная
вода будет находиться в нескольких состояниях, между которыми молекулярный обмен про-
исходит медленно в шкале времени ЯМР, что дает возможность раздельно наблюдать сигна-
лы сильно- и слабоассоциированной воды. Появлению слабоассоциированной воды в ком-
позитах ГАП-Alb способствует присутствие слабополярной среды хлороформа. Для обоих
типов нанокомпозитов слабополярная среда уменьшает взаимодействие воды с границей
раздела фаз, что, вероятно, обусловлено формированием в наноразмерных пустотах, со-
держащихся внутри композитов, кластерных структур, состоящих из молекул хлороформа
и воды.
Работа выполнена при поддержке фонда CRDF (NUK2–2854-KV-07).
1. Saito T., Kin Y., Koshino T. Osteogenic response of hydroxyapatite cement implanted into the femur of
tats with experimentally indiced osteoporosis // Biomaterials. – 2002. – 23. – P. 2711–2716.
2. Гистология. Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Э. Г. Улумбекова, Ю. А. Челышева. –
Москва: ГЕОТАР-МЕД, 2002. – 672 с.
3. Turov V.V., Gun’ko V.M., Zarko V. I. et al. Weakly and strongly associated nonfreezable water bound in
bones // Colloids and Surfaces. – 2006. – 48. – P. 167–175.
4. Gun’ko V.M., Turov V.V., Shpilko A. P. et al. Relationships between characteristics of interfacial water
and human bone tissues // Ibid. – 2006. – 53. – P. 29–36.
5. Gun’ko V.M., Turov V.V. Structure of hydrogen bonds and 1 H NMR spectra of water at the interface of
oxides // Langmuir. – 1999. – 15. – P. 6405–6415.
6. Туров В.В. Cлои связанной воды и поверхностные силы в водных суспензиях высокодисперсных
оксидов // Химия поверхности кремнезема / Под ред. А.А. Чуйко. – Киев: Наук. думка, 2001. –
T. 1. – С. 510–607.
7. Gun’ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M. et al. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic
interfaces // Adv. Coll. Interface Sci. – 2005. – 118. – P. 125–172.
8. Petroff A., Posner A. S. Crystalline basic calcium orthophosphate (Hydroxyapatite) // Inorgan. Synth. –
1960. – 66. – P. 16–18.
9. Hayek E.H. Newsely pentacalcium monohydroxyorthoposphate (Hydroxyapatite) // Ibid. – 1963. – 7. –
P. 63–65.
10. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под. ред. В.П. Глушкова. – Москва: Наука,
1978. – 495 с.
174 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
11. Манк В.В., Лебовка Н.И. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса в гетерогенных системах. –
Киев: Наук. думка, 1988. – 202 с.
12. Гунько В.М., Туранская С.П., Нечипор O. В., Юхименко Е. В., Туров В.В., Чуйко А.А. Слабоассо-
циированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов // Химия, физика
и технология поверхности. – Киев: Наук. думка, 2006. – Вып. 11./12. – С. 397–430.
13. Schrade P., Klein H., Egry I. et al. Hydrophobic volume effect in albumin solutions // J. Colloid Interface
Sci. – 2001. – 234. – P. 445–4447.
14. Туров В. В., Гунько В.М., Горбик П.П., Цапко М.Д., Головань А.П. Процессы самоорганизации
водно-органических систем в наноразмерном пространстве твердых тел и биологических объектов //
Физикохимия наноматериалов и супрамолекулярных структур / Ред. А.П. Шпак, П.П. Горбик. –
Киев: Наук. думка, 2007. – С. 91–157.
15. Gun’ko V.M., Turov V.V., Turov A.V. et al. Behaviour of pure water and water mixture with benzene
or chloroform adsorbed onto ordered mesoporous silicas // Central Europ. J. Chem. (CEJC). – 2007. – 5,
No 2. – P. 420–454.
Поступило в редакцию 07.04.2008Институт химии поверхности
им. А.А. Чуйко НАН Украины, Киев
Институт ядерной физики НАН Украины, Киев
Институт экспериментальной патологии,
онкологии и радиобиологии им. Р.Е. Кавецкого
НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 175
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6250 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:12:14Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Туров, В.В. Головань, А.В. Горбик, П.П. Мищенко, В.М. Шевченко, Ю.Б. Чехун, В.Ф. 2010-02-22T12:30:14Z 2010-02-22T12:30:14Z 2008 Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул / В.В. Туров, А.В. Головань, П.П. Горбик, В.М. Мищенко, Ю.Б. Шевченко, В.Ф. Чехун // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 169-175. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6250 541.183 The state of water in nanocomposites modeling the bone tissue and created on the basis of nanodimensional hydroxyapatite and polypeptides (gelatin, albumin) by the method of ¹H NMR spectroscopy is studied. The state and thermodynamic parameters of bound water was determined. It is shown that water in composites can exist in strongly and weakly associated states. The maximal amount of weakly associated water is registered for composites containing albumin. It is shown that the weakly polar environment, such as chloroform, diminishes the value of bound water in nanocomposites due of the cluster state formation. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Біохімія Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул Article published earlier |
| spellingShingle | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул Туров, В.В. Головань, А.В. Горбик, П.П. Мищенко, В.М. Шевченко, Ю.Б. Чехун, В.Ф. Біохімія |
| title | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| title_full | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| title_fullStr | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| title_full_unstemmed | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| title_short | Гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| title_sort | гидратационные свойства композитных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и белковых молекул |
| topic | Біохімія |
| topic_facet | Біохімія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6250 |
| work_keys_str_mv | AT turovvv gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul AT golovanʹav gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul AT gorbikpp gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul AT miŝenkovm gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul AT ševčenkoûb gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul AT čehunvf gidratacionnyesvoistvakompozitnyhmaterialovnaosnovenanorazmernogogidroksiapatitaibelkovyhmolekul |