Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite
The interaction between protein hydrolyzate “Geossen”, which was obtained from bone protein ossein, with surface of high dispersed silica was investigated by adsorption methods. Parameters of interplay between protein hydrolyzate with particles of nanodispersed hydroxyapatite, self-association of “G...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/233 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291341898317824 |
|---|---|
| author | Golovan’, A. P. Turov, V. V. Barvinchenko, V. N. Mischenko, V. M. Gorbyk, P. P. Shevchenko, Yu. B. |
| author_facet | Golovan’, A. P. Turov, V. V. Barvinchenko, V. N. Mischenko, V. M. Gorbyk, P. P. Shevchenko, Yu. B. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. P. Golovan’",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. N. Barvinchenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. M. Mischenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "Yu. B. Shevchenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Golovan’, A. P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | The interaction between protein hydrolyzate “Geossen”, which was obtained from bone protein ossein, with surface of high dispersed silica was investigated by adsorption methods. Parameters of interplay between protein hydrolyzate with particles of nanodispersed hydroxyapatite, self-association of “Geossen” molecules and change the value of hydratation, in cause the cooperation between protein molecules with hydroxiapatite were determined by 1H NMR spectroscopy method with layer-by-layer freezing-out of liquid faze. It was shown that molecules of protein hydrolizate practically irreversible adsorbed on the high dispersed silica surface and weakly reaction with hydroxiapatite nanopaticles. This is may be caused the one of the important reasons of biological inertly hydroxiapatite. The interaction between ossein with silica particles take place with formation hydrogen bounded complexes with silanols groups. The most part of silanols groups are obtained in bounded states when covering the silica surface by protein molecules lower the thickness of monolayer even. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.244-252
244
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЕРХНОСТИ
УДК 615 + 544.7:546.284.31
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ
НА ОСНОВЕ БЕЛКОВ КОСТНОЙ ТКАНИ,
ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО КРЕМНЕЗЕМА И
ГИДРОКСИАПАТИТА
А.П. Головань, В.В. Туров, В.Н. Барвинченко, В.М. Мищенко,
П.П. Горбик, Ю.Б. Шевченко
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, 03164 Киев-164
Адсорбционными методами изучено взаимодействие препарата белкового гидро-
лизата «Геоссен», полученного из оссеина костей крупного рогатого скота, с повер-
хностью высокодисперсного кремнезема. Методом ЯМР-спектроскопии в условиях
вымораживания жидкой фазы определялись параметры взаимодействия белкового гид-
ролизата с частицами нанодисперсного гидроксиапатита, самоассоциация молекул
«Геоссена» и изменение величины гидратации, обусловленное взаимодействием белко-
вых молекул с гидроксиапатитом. Молекулы белкового гидролизата «Геоссен» практи-
чески необратимо адсорбируются на поверхности высокодисперсного кремнезема и
слабо взаимодействуют с наноразмерными частицами гидроксиапатита, что может
быть одной из главных причин биологической инертности гидроксиапатитов. Взаимо-
действие оссеина с частицами кремнезема происходит путем формирования водород-
носвязанных комплексов с силанольными группами. Большинство силанольных групп
оказываются в связанном состоянии даже при условии заполнения поверхности крем-
незема молекулами белка существенно ниже толщины монослойного покрытия.
The interaction between protein hydrolyzate “Geossen”, which was obtained from bone
protein ossein, with surface of high dispersed silica was investigated by adsorption methods.
Parameters of interplay between protein hydrolyzate with particles of nanodispersed
hydroxyapatite, self-association of “Geossen” molecules and change the value of hydratation,
in cause the cooperation between protein molecules with hydroxiapatite were determined by 1H
NMR spectroscopy method with layer-by-layer freezing-out of liquid faze. It was shown that
molecules of protein hydrolizate practically irreversible adsorbed on the high dispersed silica
surface and weakly reaction with hydroxiapatite nanopaticles. This is may be caused the one of
the important reasons of biological inertly hydroxiapatite. The interaction between ossein with
silica particles take place with formation hydrogen bounded complexes with silanols groups.
The most part of silanols groups are obtained in bounded states when covering the silica
surface by protein molecules lower the thickness of monolayer even.
Введение
Одной из важных задач травматологии является создание искусственных органов
и биологически инертных имплантов, пригодных для вживления в организм. При реше-
нии этой проблемы большое внимание уделяется использованию синтетического гид-
роксиапатита, являющегося аналогом минеральной составляющей костной ткани [1, 2].
Строение минеральной и белковой составляющей костной ткани изучалось многими
245
экспериментальными методами [3 – 5]. Гидроксиапатит в матрице коллагена образует
нанокристаллы размером 2 – 5 нм. Основой нанокристалла составляют ионы ОН¯, рас-
положенные в вершинах параллелепипеда, каждый из которых окружен шестью ионами
кальция и шестью группами РО4
3 – [6]. Коллагеновые волокна образуют сложную сис-
тему пор и капилляров [7], которые вместе с нанокристаллами гидроксиапатита служат
биоактивной матрицей для синтеза эритроцитов, стволовых и некоторых других типов
клеток. Искусственное создание подобных матриц позволит существенно улучшить
используемые в настоящее время костные импланты, а также создать новые схемы
репродукции клеток в биотехнологических циклах.
В качестве минеральных наполнителей биоактивных матриц, кроме гидрокси-
апатита, могут использоваться и другие наноразмерные частицы, в частности некоторые
типы высокодисперсных кремнеземов. В последние годы высокодисперсные кремнезе-
мы стали применяться в качестве энтеросорбентов широкого спектра адсорбционного
действия для выведения из организма токсических, балластных и других патогенных
веществ и микроорганизмов [8]. Одним из основных свойств, которое определяет воз-
можность эффективного использования этого типа адсорбентов, является их высокое
сродство к белковым молекулам. Кроме этого, биометрическое тестирование высокодис-
персных кремнеземов выявило их способность стимулировать жизненные процессы
клеток и ускорять процесс деления [9 – 11], что определяет возможность их использо-
вания в биотехнологии. Для создания биоактивных матриц на основе гидроксиапатита,
кремнезема и белков костной ткани должны быть определены параметры взаимодейст-
вия наночастиц с водой и белковыми молекулами коллагенового ряда. Для изучения
подобных взаимодействий удобным и очень информативным методом оказался метод
1Н ЯМР-спектроскопии в сочетании с методикой послойного вымораживания жидкой
фазы [12 – 14]. Метод основан на понижении температуры замерзания межфазной воды
под влиянием адсорбционных сил. С его помощью можно измерять толщину гидратной
оболочки белковых молекул или дисперсных частиц. Поскольку при контакте белковых
молекул с поверхностью или между собой из их гидратных оболочек должна удаляться
значительная часть связанной воды, то по понижению гидратированности композитных
частиц можно судить об эффективности взаимодействий белок/поверхность, а по изме-
нению свободной энергии слоя связанной воды – об энергии такого взаимодействия.
Целью данной работы являлось изучение гидратных свойств частиц нанораз-
мерного гидроксиапатита, белковых молекул, полученных в результате гидролиза
коллагена (препарат «Геоссен») и нанокомпозитов на их основе, адсорбции оссеина на
поверхности кремнезема, а также молекулярных взаимодействий, которые проходят с
участием частиц высокодисперсного кремнезема и оссеина.
Материалы и методы исследований
Материалы. Нанодисперсный гидроксиапатит (GAP) (химическая формула крис-
таллов Са10(РО4)6(ОН)2) с удельной поверхностью 120 м2/г синтезирован осаждением из
cмеси водных растворов солей Ca(NO3)2·4H2O и (NH4)2HPO4 при высоких значениях рН
[15, 16]. Для получения тонкодисперсного материала были подобраны условия синтеза.
Для этого раствор (NH4)2HPO4 0,2 моль/л при энергичном перемешивании добавляли по
каплям к раствору Ca(NO3)2. В результате реакции образуется объемный осадок.
Реакционную смесь кипятили в течение 10 мин, отфильтровывали осадок, дважды
промывали его горячей дистиллированной водой и отделяли центрифугированием.
Затем после диспергирования в ацетоне, обрабатывали ультразвуком в течение 1 мин и
центрифугировали при 6000 об/мин в течение 20 мин. Осадок сушили сначала при ком-
натной температуре, а затем при 353 – 373 К, для удаления следов ацетона, после чего
прокаливали в течение 1 ч при 513 К для удаления следов нитрата аммония.
246
Высокодисперсный кремнезем (ВДК) марки А-300 с удельной поверхностью
300 м2/г производства Калушского экспериментального завода Института химии
поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины.
Адсорбция из растворов: Адсорбцию белкового гидролизата «Геоссен» на по-
верхности высокодисперсного кремнезема проводили из растворов фосфатного буфера
с рН 4,7 и 7,4 при 296 К. Для установления адсорбционного равновесия образцы выдер-
живали в течение 2 ч. Концентрация белковой компоненты варьировалась в диапазоне
0,4 – 5,6 мг/мл. Спектры электронного поглощения растворов измеряли на спектрофото-
метре Spekord М-40 (Karl Zeiss Iena, Германия). Адсорбцию определяли по изменению
интенсивности поглощения на длине волны λ = 540 нм.
ИК-спектроскопия: ИК – спектры образцов кремнезема с адсорбированным бел-
ковым гидрализатом, количество «Геоссена» на поверхности ВДК от 77 до 180 мг/г сор-
бента, регистрировали на однолучевом ИК Фурье-спектрометре Thermo Nicolet Nexus
FT-IR (Германия) в таблетках с KBr при соотношении компонентов 1 : 5.
ЯМР-спектроскопия: Спектры ЯМР снимали на ЯМР спектрометре высокого
разрешения Varian Mercury 400 с рабочей частотой 400 МГц. Температуру регулировали
с точностью ± 1 K, используя термоприставку Bruker VT-1000. Интенсивности сигналов
определяли с точностью ± 10 %. Для предотвращения переохлаждения суспензий
спектры 1Н ЯМР незамерзающей воды записывали при нагревании суспензий, предва-
рительно 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 замерзания адсорбированной воды ( )T-273 определяется
уменьшением свободной энергии воды, вызванным адсорбционными взаимодействиями
( GGG -=D 0 , где 0G – свободная энергия льда при Т = 273 К) [13, 14]. Поскольку сво-
бодная энергия льда с понижением температуры изменяется по линейному закону [17],
то
).273(036,0 TG -×-=D (1)
Площадь под кривой DG(Сuw) определяет величину межфазной энергии ( sg ),
которая равна суммарному понижению свободной энергии воды, обусловленному
присутствием границы раздела фаз:
òD=
max
0
uwC
uws GdCKg , (2)
где max
uwC – толщина слоя незамерзающей воды при Т → 273 К.
По зависимостям )( uwCGD могут быть рассчитаны также параметры слоев
сильно- и слабосвязанной воды. При этом под слабосвязанной водой понимают ту часть
незамерзающей воды, свободная энергия которой лишь немного понижена адсорбцион-
ными взаимодействиями с поверхностью адсорбентов или биополимеров. Она замерзает
при температуре вблизи 273 К. Напротив, сильносвязанная вода может не замерзать да-
же при сильном охлаждении суспензии [14]. Количественные значения толщины слоев
каждого типа воды ( s
uwC и w
uwC для сильно- и слабосвязанной воды соответственно) и
максимальные величины понижения свободной энергии воды, вызванного адсорбцией
( sGD и wGD ) могут быть получены экстраполяцией соответствующих участков зависи-
мостей к осям абсцисс и ординат. Таким образом, по способности молекул межфазной
247
воды образовывать водородные связи со своими соседями она подразделяется на сильно-
и слабо ассоциированную, а по энергии взаимодействия с внутриклеточными границами
раздела фаз (по понижению температуры замерзания) на сильно- и слабосвязанную. Сле-
дует отметить, что слабо ассоциированная вода далеко не всегда является сильно-
связанной, а сильносвязанная во многих случаях является в то же время и сильно
асоциированной [14].
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены изотермы адсорбции препарата «Геоссен» на кремнеземе
А-300. Они относятся к изотермам ленгмюровского типа, что позволяет определить
величину предельной адсорбции, которая составляет 180 мг/г при рН 4,7 и 120 мг/г при
рН 7,4.
Зависимость величины адсорбции от рН раствора (рис. 2) имеет колоколообраз-
ную форму, типичную для адсорбции белковых молекул, у которых взаимодействие с
поверхностью частиц высокодисперсного кремнезема контролируется электростати-
ческими взаимодействиями. Максимальная адсорбция отвечает изоэлектрической точке
белковых молекул и регистрируется при рН 5 (концентрация исходного раствора белко-
вого гидролизата (СБГ) составляла 4,8 мг/мл). Адсорбированные кремнеземом белковые
молекулы прочно удерживаются поверхностью и при помещении нагруженного бел-
ковым гидролизатом кремнезема в водную среду остаются в связанном состоянии, что
позволяет сделать вывод о необратимом характере адсорбции.
1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
а,
м
г/
г
Срaвн, мг/мл
pH 4,7
pH 7,4
2 3 4 5 6 7 8
80
100
120
140
160
180
а,
м
г/
г
pH
Рис. 1. Изотермы адсорбции белкового
гидролизата «Геоссен» при раз-
ных значениях рН.
Рис. 2. Зависимость величины адсорбции
белкового гидролизата (СБГ =
4,8 мг/мл) от рН раствора.
Механизм взаимодействия молекул белкового гидролизата с поверхностью ВДК
изучали по изменениям его ИК-спектральных характеристик. В ИК спектрах могут быть
идентифицированы полосы валентных и деформационных колебаний молекул белкового
гидролизата, а также валентных колебаний свободных силанольных групп (полоса при
3748 см-1).
Результаты исследований приведены на рис. 3, из которого видно, что уже при
небольших поверхностных концентрациях оссеина интенсивность сигнала Si–OH групп
резко уменьшается, а в дальнейшем с ростом количества адсорбированного белка слабо
зависит от величины адсорбции. Следовательно, молекулы белка располагаются на
поверхности частиц кремнезема таким образом, что даже при отсутствии мономолеку-
лярного покрытия большая часть силанольных групп, вследствие образования водород-
носвязанных комплексов оказывается связанной с электронодонорными активными
центрами молекул биополимера. Дальнейшее заполнение поверхности кремнезема моле-
248
кулами белка, вплоть до монослойного, проходит без изменения степени возмущения
силанольных групп (рис. 4) и, вероятно, сопровождается поверхностной диффузией,
обеспечивающей формирование компактной белковой пленки.
1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
20
40
60
80
3750
20
40
60
80 1
2
3
4
56
78
9
П
ог
ло
щ
ен
ие
, %
Волновое число, см-1
9
1
2
58 643
7
Рис. 3. ИК-спектры аэросила после адсорбции из водного раствора белкового гидролизаа
«Геоссен». Количество адсорбированного белка: 1 – 77,4 мг/г; 2 – 142,7 мг/г; 3 –
144,6 мг/г; 4 – 145,8 мг/г; 5 – 155,2 мг/г; 6 – 161,2 мг/г; 7 – 174,1 мг/г; 8 – 177,3
мг/г; 9 – А-300.
0 40 80 120 160
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
С
те
пе
нь
в
оз
му
щ
ен
ия
S
iO
H
г
ру
пп
, о
т.
е
д.
а, мг/г
Рис. 4. Зависимость степени возму-
щения поверхностных сила-
нольных групп ВДК от вели-
чины адсорбции препарата
„Геоссен”.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными работ по адсорбции дру-
гих белков (альбуминов, желатина, γ-глобулина) на поверхности кремнеземов [17 –20].
Относительно низкая (180 мг/г) по сравнению с желатином (350 мг/г [21]) величина
предельной адсорбции оссеина может быть обусловлена меньшим размером белковых
молекул, что позволяет им сформировать на поверхности частиц кремнезема более тон-
кую биополимерную пленку.
На рис. 5 приведены температурные зависимости спектров 1Н ЯМР водного раст-
вора оссеина (а), порошка гидроксиапатита, содержащего массовую долю воды 25 % на
воздухе (б) и массовую долю воды 40 % в среде CDCl3 (в). Наиболее интенсивным сиг-
налом в спектрах является сигнал воды с химическим сдвигом δ = 5 м.д., который совпа-
дает с химическим сдвигом жидкой воды. Следовательно, подавляющая часть воды в
249
гидратных оболочках твердых частиц гидроксиапатита и молекул оссеина находится в
сильно ассоциированом состоянии, в котором каждая молекула воды участвует в образо-
вании примерно 2,5 водородных связей [12]. Для раствора оссеина регистрируется также
слабоинтенсивные сигналы с химическими сдвигами 1 – 2 и 7 м.д. Наиболее вероятно,
что эти сигналы обусловлены протонами аминокислотных остатков белковых молекул,
однако определенный вклад в сигнал при высоких полях может вносить и слабо ассо-
циированная форма воды, связанная с белковыми молекулами по механизму гидрофоб-
ной гидратации [22]. Кроме того, на левом крыле сигнала воды наблюдается сигнал с
химическим сдвигом 5,5 м.д. По-видимому, это также сигнал воды, но ассоциированной
несколько в большей степени, чем остальная вода. В отличие от гидратированных по-
рошков кремнезема в среде слабополярных органических растворителей в спектрах не
наблюдается заметного уменьшения химического сдвига воды с понижением темпера-
туры, обусловленного смещением равновесия в сторону слабо ассоциированных форм
воды [23]. Аналогичные приведенные на (рис. 5, б и в) температурные зависимости
спектров 1Н ЯМР воды наблюдаются и для композитных материалов, приготовленных
на основе высокодисперсного гидроксиапатита и растворов белка. Это позволяет заклю-
чить, что в выбранной серии материалов их поверхность стабилизирует только сильно
ассоциированные формы воды.
8 6 4 2 0 -2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
d, м.д.
265
250
240
230
220
а
14 12 10 8 6 4 2 0 -2
d, м.д.
275
270
260
250
240
б
10 8 6 4 2 0 -2
d, м.д.
275
270
265
260
250
240
230
в
Рис. 5. Температурные зависимости спект-
ров 1Н ЯМР 4 % – го раствора оссе-
ина (а), гидратированного порошка
гидроксиапатита на воздухе (б) и в
среде дейтерохлороформа (в).
Температура приведена в К.
На рис. 6 приведены температурные зависимости изменения концентрации неза-
мерзающей воды (а) и рассчитанные на их основе в соответствии с формулой (1) зависи-
мости изменения свободной энергии Гиббса от концентрации незамерзающей воды (б)
для растворов оссеина с массовой долей 1 и 4 %; водной суспензии гидроксиапатита,
250
содержащей массовую долю твердой фазы 45,6 %; суспензии 1:3 гидроксиапатита в
4 %–ном растворе оссеина; гидратированных порошков гидроксиапатита, содержащих
массовые доли 22 и 42 % воды в среде дейтерохлороформа; композита, приготовленного
путем высушивания суспензии гидроксиапатита в 4 % - ном растворе оссеина и содер-
жащего массовую долю белковой компоненты 15 % и массовую долю воды 10 % в среде
дейтерохлороформа. Для водных суспензий на зависимостях )( uwCGD легко идентифи-
цируются участки, отвечающие слабосвязанной и сильно-связанной воде [13]. Характе-
ристики слоев связанной воды и величины межфазной энергии системы частица/вода,
рассчитанные по формуле (2), суммированы в таблице.
200 220 240 260
0
300
600
900
1200
1500
1800
C
uw
, м
г/
г
T, K
1
4
2
3
6
5
7
0 300 600 900 1200
-2
-1
0
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/г
1
2
43
5 67
а б
Рис. 6. Температурные зависимости изменения концентрации незамерзающей воды (а)
и зависимости изменения свободной энергии Гиббса от концентрации незамер-
зающей воды (б): 1 – GOS 1 %, 2 – GOS 4 %, 3 – GAP; 4 – GAP + GOS 4 %,
5 – GAP, содержащий 22 % Н2О в CDCl3, 6 – GAP, содержащий 42 % Н2О в
CDCl3, 7 – GAP + GOS 15 % в CDCl3.
Таблица. Характеристики слоев связанной воды в растворах оссеина и суспензиях
гидроксиапатита в воде и в 4 % - ном растворе оссеина
Система Среда
s
uwC ,
г/г
w
uwC ,
г/г
ΔGs,
кДж/моль
ΔGw,
кДж/моль
γS,
Дж/г
1 % GOS Вода 1,7 16,3 – 2,5 – 0,5 392
4 % GOS Вода 0,1 1,1 – 2,5 – 0,6 28
GAP Вода 0,2 0,55 – 2,4 – 0,6 19,7
GAP+4 %GOS Вода 0,22 1,08 – 2,5 – 0,7 34,4
GAP+22 % H2O CDCl3 0,085 0,135 – 2,5 – –
GAP+42 % H2O CDCl3 0,085 0,335 – 2,5 – –
GAP/GOS CDCl3 0,03 0,03 – 2,5 – –
Как следует из приведенных в таблице данных, величины максимального пони-
жения свободной энергии в слоях сильно- и слабосвязанной воды оказались близкими
для всех изученных водных суспензий (растворов) (- 2,5 и - 0,6 кДж/моль для сильно- и
слабосвязанной воды соответственно). Поскольку величина sGminD отвечает изменению
свободной энергии монослоя воды, граничащего с поверхностью [13, 14], можно заклю-
чить, что независимо от типа нанодисперсных частиц (белковые молекулы, частицы
гидроксиапатита или нанокомпозита) строение воды в гидратной оболочке оказалось
близким. При увеличении массовых долей оссеина от 1 до 4 %, регистрируется резкое
251
уменьшение величины межфазной энергии (от 392 до 28 кДж/моль), что характерно для
многих белковых молекул [24]. Оно обусловлено формированием полиассоциатов бел-
ковых молекул, в результате которого значительная часть связанной воды удаляется из
межмолекулярного зазора. Разность величин межфазной энергии растворов разной
концентрации позволяет оценить энергию межмолекулярных взаимодействий в системе
белок/белок. Для оссеина она составляет 264 кДж/г.
Из сопоставления кривых зависимостей )( uwCGD для 4 % -ной водной суспензии
оссеина и гидроксиапатита в 4 % - ном растворе оссеина видно, что они различаются
слабо. Величина межфазной энергии для композитной системы имеет промежуточное
значение между величинами межфазной энергии раствора белка и суспензии гидрокси-
апатита. Следовательно, гидроксиапатит слабо взаимодействует с белковой составляю-
щей композита. Вероятно, слабое взаимодействие гидроксиапатита с белковыми молеку-
лами в значительной степени определяет его биологическую инертность.
Кривые, относящиеся к гидратированным порошкам гидроксиапатита или компо-
зита на его основе, в среде слабополярного органического растворителя – дейтерохлоро-
форма (рис. 6, б) – расположены существенно ниже кривых для водных суспензий. Сле-
довательно, в среде хлороформа происходит значительное (в несколько раз) уменьшение
концентрации сильносвязанной воды. По-видимому, в изученных образцах, как и в дру-
гих наноструктурированных системах [24], под влиянием слабополярных молекул хло-
роформа происходит замещение части воды у поверхности частиц гидроксиапатита или
находящихся во внутренних полостях белковых молекул молекулами хлороформа. Для
белковых молекул под влиянием слабополярной среды возможно также такое изменение
конформации молекул, при котором с органической фазой контактируют преимущест-
венно гидрофобные фрагменты биополимерных цепей.
Заключение
В результате комплексных физико-химических исследований установлено, что
белковый гидролизат «Геоссен» практически необратимо адсорбируется на поверхности
ВДК и слабо взаимодействует с наноразмерными частицами гидроксиапатита. Это мо-
жет быть одной из основных причин биологической инертности гидроксиапатитов. Вза-
имодействие оссеина с частицами кремнезема происходит путем формирования водо-
родносвязанных комплексов с силанольными группами. Большинство силанольных
групп оказываются в связанном состоянии даже при условии заполнения поверхности
кремнезема молекулами белка существенно ниже толщины монослойного покрытия. Это
может быть связано с относительно высокой подвижностью молекул белкового гидроли-
зата, находящихся на поверхности частиц кремнезема в условиях слабого заполнения.
Работа выполнена при поддержке фонда CRDF (NUKP2 - 2854 - KV - 07).
Литература
1. Saito T., Kin Y., Koshino T. Osteogenic response of hydroxyapatite cement implanted into
the femur of rats with experimentally induced osteoporosis // Biomaterials – 2002. –
V. 23. – Р. 2711 – 2716.
2. Shigeru M., Oku T., Takai S. Hydraulic property of hydroxyapatite thermal decomposition
product and its application as biomaterial // J. Ceram. Soc. Jpn. Int. Ed. – 1989. – V. 97. –
P. 96 – 101.
3. Faulkner K.G., Pocock N. Future methods in the assessment of bone mass and structure //
Best Practice & Research Clinical Rheumatology – 2001. – V. 15, №.3. – P. 359 – 383.
4. Nuclear magnetic resonance spin-spin relaxation of the crystals of bone, dental enamel,
and synthetic hydroxyapatite / Y. Wo, J.L. Ackerman, H-M. Kim, C. Rey, A. Barroug,
M.J. Climcher // J. Bone and Mineral Reas. – 2002. – V. 17, № 3. – P. 472 – 480.
252
5. Shape and size of isolated bone minerals measured using atomic force microscopy /
S.J. Eppell, W. Tong, J.L. Katz, L. Kuhn, M.J. Glimcher // J. Orthopedic Reas. – 2001. –
V. 19. – P. 1027 – 1034.
6. Adaptive physico-chemistry of bio-related calcium phosphates / S. Cazalbou, C. Combes,
D. Eichert, C. Rey // J. Mater. Chem. – 2004. – V. 14. – P. 2148 – 2153.
7. Weiner S., Traub W., Wagner H.D. Lamelar bone: structure-functional relation // J. Struct.
Biology. – 1999. – V. 126. – P. 241 – 255.
8. Кремнезёмы в медицине и биологии / Ред. А.А. Чуйко. – Киев; Ставрополь. –1993. –
259 с.
9. Цимберг Е.А., Титова Л.В., Курдиш И.К. Влияние высокодисперсных материалов на
рост дрожжей Candida // Микробиол. журн. – 1991. – № 4. – С. 55 – 58.
10. Влияние дисперсных кремнеземов на рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae /
И.К. Курдиш, Е.А. Цимберг, В.Л. Бихтунов // Микробиол. журн. – 1991. – № 2. – С.
41 – 44.
11. Harley J.D., Margolis J. Hemolytic activity of colloidal silica // Nature – 1961. – V. 189. –
P. 1010 – 1011.
12. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces / V.M. Gun'ko,
V.V. Turov. V.M. Bogatyrev, V.I. Zarko, R. Leboda, E.V. Goncharuk, A.A. Novza,
A.V. Turov, A.A. Chuiko // Adv. Colloid Interface Sci. – 2005. – V. 118. – P. 125 – 172.
13. Turov V.V., Leboda R. Application of 1H NMR spectroscopy method for determination of
characteristics of thin layers of water adsorbed on the surface of dispersed and porous
adsorbents // Adv. Colloid Interf. Sci. – 1999. – V. 79. – P. 173 - 211.
14. Туров В.В. Слои связанной воды и поверхностные силы в водных суспензиях высо-
кодисперсных оксидов. В кн. Химия поверхности кремнезема. Ред. А.А. Чуйко. –
Киев: Изд. УкрИНТЭИ. – Т. 1. – 2001. – С. 510 – 607.
15. Petroff A., Posner A.S. Crystalline basic calcium orthophosphate (Hydroxyapatite) //
Inorg. Synth. – 1960. – V. 66. – P.16 – 18.
16. Hayek E. Newsely pentacalcium monohydroxyorthoposphate (Hydroxyapatite) // Inorg.
Synth. – 1963. – V. 7. – P. 63 – 65.
17. Effect of mineral content on the nanoindentation properties / S.J. Eppel, W. Tong,
J.L. Katz, L. Kuhn, M.J. Glimcher // J. Orthop. Res. – 2001. – V. 19. – P. 1027 – 1035.
18. Тарасевич Ю.И., Смирнова В.А., Монахова Л.И., Адсорбция альбумина на кремне-
земе // Коллоид. журн. – 1978. – T. 40, № 6. – C. 1214 – 1216.
19. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния / Ред. А.А. Чуй-
ко. – Киев: Наук. думка – 2003. – 415 c.
20. Braithwaite G.J.C., Luckham P.F., Howe A.M. Study of solvated adsorbed gelatine layer
using a modefied force microscope // J. Colloid Interf. Sci. – 1999. – V. 213.– P. 525 – 545.
21. Влияние дисперсного кремнезема на гидратацию коллагена / В.В. Туров, В.К. Пого-
релый, Л.А. Сыч, В.Н. Барвинченко, А.А. Чуйко / Докл. AН Украины. – 2000. –
№ 9. – C. 152 – 156.
22. Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе
кремнеземов / В.М. Гунько, С.П. Туранская, О.В. Нечипор, Е.В. Юхименко, В.В. Ту-
ров, А.А. Чуйко. // Химия, физика и технология поверхности. – 2006. – Вып. 11-12. –
С. 397 – 430.
23. Gun'ko V.M., Turov V.V. Structure of hydrogen bonds and 1H NMR spectra of water at the
interface of oxides // Langmuir – 1999. – V. 15, № 19. – P. 6405 – 6415.
24. Супрамолекулярные структуры с участием белков крови и частиц высокодисперс-
ного кремнезема. / В.В. Туров, А.А. Ругаль, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко, Н.П. Га-
лаган, П.П. Горбик // Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных струк-
тур. – Киев: Наук. думка, 2007. – Т. 2. – C. 357 – 391.
УДК 615 + 544.7:546.284.31
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-233 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:38Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/fb/46be0cfc9b3017b6b4328c051e7274fb.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2332018-11-27T09:40:57Z Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite Наноструктурированные композиты на основе белков костной ткани, высокодисперсного кремнезема и гидроксиапатита Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite Golovan’, A. P. Turov, V. V. Barvinchenko, V. N. Mischenko, V. M. Gorbyk, P. P. Shevchenko, Yu. B. The interaction between protein hydrolyzate “Geossen”, which was obtained from bone protein ossein, with surface of high dispersed silica was investigated by adsorption methods. Parameters of interplay between protein hydrolyzate with particles of nanodispersed hydroxyapatite, self-association of “Geossen” molecules and change the value of hydratation, in cause the cooperation between protein molecules with hydroxiapatite were determined by 1H NMR spectroscopy method with layer-by-layer freezing-out of liquid faze. It was shown that molecules of protein hydrolizate practically irreversible adsorbed on the high dispersed silica surface and weakly reaction with hydroxiapatite nanopaticles. This is may be caused the one of the important reasons of biological inertly hydroxiapatite. The interaction between ossein with silica particles take place with formation hydrogen bounded complexes with silanols groups. The most part of silanols groups are obtained in bounded states when covering the silica surface by protein molecules lower the thickness of monolayer even. Адсорбционными методами изучено взаимодействие препарата белкового гидролизата «Геоссен», полученного из оссеина костей крупного рогатого скота, с поверхностью высокодисперсного кремнезема. Методом ЯМР-спектроскопии в условиях вымораживания жидкой фазы определялись параметры взаимодействия белкового гидролизата с частицами нанодисперсного гидроксиапатита, самоассоциация молекул «Геоссена» и изменение величины гидратации, обусловленное взаимодействием белковых молекул с гидроксиапатитом. Молекулы белкового гидролизата «Геоссен» практически необратимо адсорбируются на поверхности высокодисперсного кремнезема и слабо взаимодействуют с наноразмерными частицами гидроксиапатита, что может быть одной из главных причин биологической инертности гидроксиапатитов. Взаимодействие оссеина с частицами кремнезема происходит путем формирования водородносвязанных комплексов с силанольными группами. Большинство силанольных групп оказываются в связанном состоянии даже при условии заполнения поверхности кремнезема молекулами белка существенно ниже толщины монослойного покрытия. The interaction between protein hydrolyzate “Geossen”, which was obtained from bone protein ossein, with surface of high dispersed silica was investigated by adsorption methods. Parameters of interplay between protein hydrolyzate with particles of nanodispersed hydroxyapatite, self-association of “Geossen” molecules and change the value of hydratation, in cause the cooperation between protein molecules with hydroxiapatite were determined by 1H NMR spectroscopy method with layer-by-layer freezing-out of liquid faze. It was shown that molecules of protein hydrolizate practically irreversible adsorbed on the high dispersed silica surface and weakly reaction with hydroxiapatite nanopaticles. This is may be caused the one of the important reasons of biological inertly hydroxiapatite. The interaction between ossein with silica particles take place with formation hydrogen bounded complexes with silanols groups. The most part of silanols groups are obtained in bounded states when covering the silica surface by protein molecules lower the thickness of monolayer even. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/233 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 244-252 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 244-252 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 244-252 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/233/231 Авторське право (c) 2007 А.P. Golovan’, V.V. Turov, V.N. Barvinchenko, V.М. Mischenko, P.P. Gorbyk, Yu.B. Shevchenko |
| spellingShingle | Golovan’, A. P. Turov, V. V. Barvinchenko, V. N. Mischenko, V. M. Gorbyk, P. P. Shevchenko, Yu. B. Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title_alt | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite Наноструктурированные композиты на основе белков костной ткани, высокодисперсного кремнезема и гидроксиапатита |
| title_full | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title_fullStr | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title_full_unstemmed | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title_short | Nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| title_sort | nanostructured composites based on proteins of bone tissue, high disperse silica, and hydroxyapatite |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/233 |
| work_keys_str_mv | AT golovanap nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT turovvv nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT barvinchenkovn nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT mischenkovm nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT gorbykpp nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT shevchenkoyub nanostructuredcompositesbasedonproteinsofbonetissuehighdispersesilicaandhydroxyapatite AT golovanap nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita AT turovvv nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita AT barvinchenkovn nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita AT mischenkovm nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita AT gorbykpp nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita AT shevchenkoyub nanostrukturirovannyekompozitynaosnovebelkovkostnojtkanivysokodispersnogokremnezemaigidroksiapatita |