A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects
Immobilization of levomicetin onto silica surface has been carried out by the method of impregnation from alcohol solutions. Molecular interactions in the system of levomicetin/water/silica were studied by a complex of experimental methods (1H NMR, IR, UV spectroscopy). The interface water layer str...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2008
|
| Онлайн доступ: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/311 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Surface| _version_ | 1869291427890987008 |
|---|---|
| author | Krupska, T. V. Barvinchenko, V. N. Turov, V. V. |
| author_facet | Krupska, T. V. Barvinchenko, V. N. Turov, V. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "T. V. Krupska",
"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. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Krupska, T. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:34Z |
| description | Immobilization of levomicetin onto silica surface has been carried out by the method of impregnation from alcohol solutions. Molecular interactions in the system of levomicetin/water/silica were studied by a complex of experimental methods (1H NMR, IR, UV spectroscopy). The interface water layer structures and their thermodynamic parameters were found to depend on the levomicetin concentration. An effect was found of cell/silica interface on the formation of bound water layers in low hydration systems. The effect has been examined of the nanocomposites obtained and parent substances on cellular test systems. The optimum concentration of antibiotic in nanocomposite was shown to be within 0.4 to 0.6 mmol/g where pathogenic microorganisms are depressed to the maximum. The microporous co-polymer of styrenedyvinylbenzene was used as a model of intracellular space of partly dehydratd cells for measuring the statee of interface water and testing the influence of some organic molecules (DMSO, CHCl3, CH4) by the method of 1H NMR  spectroscopy. The effect was recognized of structural and energetic heterogeneity of water in the pores of polymer. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:32:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2008. Вып. 14. С. 511 – 523
511
УДК 544.723:582.282.23:577.3; 542.924
ИЗУЧЕНИЕ ПРИРОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НАНОКРЕМНЕЗЕМА НА КЛЕТОЧНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Т.В. Крупская, В.Н. Барвинченко, В.В. Туров
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, 03164 Киев-164
Проведено закрепление левомицетина на поверхности кремнезема методом
импрегнации из спиртовых растворов. Методами 1Н ЯМР, ИК-, УФ-спектроскопии
изучено молекулярные взаимодействия в системе левомицетин/вода/кремнезем.
Показана зависимость строения слоев межфазной воды и их термодинамических
характеристик от поверхностной концентрации левомицетина. Определено влияние
межфазной границы клетка/кремнезем на формирование слоев связанной воды при
низкой гидратированности системы. Исследовано влияние полученного нанокомпозита
и исходных веществ на клеточные тест-системы. Показано, что оптимальной явля-
ется концентрация антибиотика в нанокомпозите 0,4 – 0,6 ммоль/г, при которой
происходит максимальное угнетение развития патогенных микроорганизмов. В качест-
ве модели внутриклеточного пространства дегидратированных клеток использовали
микропористый со-полимер стиролдивинилбензола, на котором методом 1Н ЯМР
спектроскопии проведено измерение состояния межфазной воды и изучено влияние на
нее ряда органических растворителей (ДМСО, CHCl3, CH4). Обнаружен эффект
структурной и энергетической неоднородности воды в порах полимера.
Введение
Известно, что частицы нанокремнезема при взаимодействии с микроорганизмами
имеют высокую биологическую активность, которая проявляется в ингибирующем или
стимулирующем влиянии на процессы клеточного метаболизма [1 – 4]. Установлено
также, что взаимодействие кремнезема с мембранами эритроцитов приводит к их лизису,
в то время как при взаимодействии с фагоцитарными клетками кремнезем оказывает на
них активирующее влияние [1]. Изучение влияния кремнезема на репродуктивные
клетки [5, 6], гепатоциты [7] и некоторые другие типы клеток показало, что в широком
диапазоне концентраций кремнезема (0,02 – 0,1 % масс) он способен оказывать на
клетки стимулирующее воздействие. Предполагается, что ингибирующее воздействие
наночастиц может быть обусловлено двумя основными причинами – локальным
изменением вязкости среды, а значит параметров диффузионных процессов, обеспе-
чивающих клеточный метаболизм, и необратимыми адсорбционными взаимодействиями
наночастиц с мембранными белками, которые входят в состав клеточных рецепторов [6].
Механизм стимулирующего влияния наночастиц на клетки микроорганизмов более
сложен и недостаточно изучен. В частности, наночастицы могут адсорбировать широкий
спектр токсических веществ со средней и высокой молекулярной массой. Кроме того, в
работах последних лет [8 – 12] показано, что на границе нанокремнеземов с гидрофоб-
ной средой могут формироваться слабоассоциированные формы воды, которая по
сравнению с объемной водой одинаково проницаема как для полярных, так и неполяр-
ных органических молекул. Тем самым на межфазной границе клетка – частица создают-
ся условия для ускорения процессов массопереноса. Имеются также сведения, что
нанокремнеземы способны при определенных условиях повышать биологическую
512
активность ряда лекарственных препаратов [1, 6, 13, 14], что также может быть связано с
уникальными свойствами межфазной воды [8, 9, 15 – 17].
Целью настоящей работы было изучение свойств и механизма биологической
активности нанокомпозита, созданного на основе нанокремнезема и модельного анти-
бактериального препарата – левомицетина, а также проведение исследований структуры
воды в зоне контакта клетка – частица и в ограниченном пространстве мезопористого
полимерного материала, имитирующего внутриклеточное пространство.
Экспериментальная часть
Левомицетин был выбран в качестве антибактериального агента, так как он
обладает широким спектром действия – эффективен в отношении многих грамположи-
тельных и грамотрицательных бактерий. Механизм высокой антимикробной активности
левомицетина связан с нарушением синтеза белков в микроорганизмах [18, 19]. В при-
сутствии левомицетина в клетках бактерий накапливается аминоацил-sРНК (антибиотик
взаимодействует только с бактериальными рибосомами – 70S-субединицами). Эти
данные указывают на то, что антибиотик блокирует одну из последующих реакций
биосинтеза белка и замедляет включение в белки аминокислот. Необходимо отметить,
что дезинтоксикационный эффект левомицетина связан только с его антибактериальным
действием, а не с прямым действием на токсины [18]. Исследовалась субстанция левоми-
цетина (D-(-)-трео-1-(р-нитрофенил)-2-дихлорацетиламинопропан-1,3-диола) макопей-
ной чистоты производства фирмы “Vaishali Pharmacentials” (Китай). Энтеросорбент
силикс – синтетический аморфный высокодисперсный кремнезем (аэросил марки А-300
с удельной поверхностью 300 м2/г производства Калушского экспериментального завода
Института химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины). В качестве органических
добавок, влияющих на структуру водных ассоциатов использовались органические
растворители диметилсульфоксид (ДМСО), СНСl3, химической квалификации «для ЯМР
спектроскопии» и коммерчески доступный СН4 с чистотой 99 %.
Адсорбционное закрепление левомицетина на поверхности высокодисперсного
кремнезема проводили методом импрегнирования из спиртовых растворов. Для этого
навеску левомицетина растворяли в 100 мл 96 %-го этилового спирта. Затем к 5 г ВДК
прибавляли спиртовые растворы левомицетина и тщательно перемешивали, после чего
выдерживали при комнатной температуре на протяжении 24 ч, потом удаляли спирт
медленным нагреванием (333 К, 3 ч). В результате было получено 6 образцов наноком-
позита левомицетин – кремнезем с содержанием органического вещества в диапазоне
0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1 ммоль/г (образцы 1–6 соответственно). Для изучения высвобож-
дения левомицетина в разные среды брали навеску образца 0,1 г с концентрацией
антибиотика 1 ммоль/г, которую заливали 50 мл десорбирующего раствора (вода, физио-
логический раствор, раствор соляной кислоты с рН = 1,5; 96 %-ный этиловый спирт).
Биоактивность нанокомпозита определяли путем биологического тестирования
его влияния на развитие популяций микроорганизмов. При этом учитывалось, что взаи-
модействие между микроорганизмами и ВДК влияет на их развитие, изменяя скорость
размножения, интенсивность прироста биомассы, размеры и морфологию клетки [2 – 4].
В качестве тестовых культур использовали хлебопекарские дрожжи Saccharomyces cere-
visiae, суспензии микроорганизмов кишечной палочки Escherichia coli (грамотрицатель-
ные, условно патогенные) и клетки золотистого стафилококка Staphylococcus aureus
(грамположительные, патогенные). Для исследования гемолитических свойств полу-
ченного нанокомпозита использовали суспензию эритроцитов, полученных из крови
здоровых людей.
Для исследований структуры водных полиассоциатов в ограниченном прост-
ранстве был выбран коммерческий микропористый со-полимер стирол-дивинилбензола
513
(СДБ) LiChrolut (Merck), с удельной поверхностью 1512 м2/г и порами в диапазоне
R = 0,3¼10 нм с максимумом вблизи 1 нм [10]. Суммарный объем пор адсорбента
составлял 0,818 cм3/г. Благодаря тому, что в состав молекулы полимера входит большое
количество ароматических групп, его поверхность становится гидрофобной и содержит
мало центров первичной адсорбции воды, с которой она взаимодействует преимущест-
венно по дисперсионному механизму, аналогично тому, как это происходит в нанораз-
мерных полостях, образованных внутренними структурными элементами клеток. В
отличие от углеродных материалов форма пор в выбранном полимере ближе к
цилиндрической [10].
Молекулярные взаимодействия в системе левомицетин/вода/кремнезем проводи-
лись путем комплексного спектроскопического исследования с применением методов
1Н ЯМР, ИК- и УФ -спектроскопии. Спектры электронного поглощения растворов и
отражения твердых образцов кремнезема, импрегнированного левомицетином, измеряли
на спектрофотометре Specord M-40 (Karl Zeiss, Германия). ИК-спектры высушенных при
333 К образцов кремнезема с адсорбционно закрепленным левомицетином регистриро-
вали на однолучевом ИК Фурье спектрометре Thermo Nicolet Nexus FT-IR (Германия).
Для этого приготовленные образцы смешивали со свежепрокаленным KBr при весовом
соотношении компонент 1 : 5. Спектры 1Н ЯМР снимали на ЯМР спектрометре высокого
разрешения Bruker WP-100 SY (Германия) с рабочей частотой 100 МГц и максимальной
полосой пропускания 50 кГц. Температура в датчике регулировалась термоприставкой
Bruker VT-1000 с точностью ± 1 К. Интенсивность сигналов определяли с помощью
электронного интегратора, точность которого составляла ± 10 % при соотношении
интенсивностей измеряемых сигналов 1 : 10. Для предотвращения переохлаждения
суспензий измерения концентрации незамерзающей воды (Сuw) проводили при нагре-
вании суспензий, предварительно охлажденных до температуры 210 К.
Одним из основных методов, которые позволяют определять структуру воды
внутри пористых материалов, является метод 1Н ЯМР спектроскопии [8, 20]. В этом
случае главным характеристическим параметром является величина химического сдвига
протонов в молекулах адсорбированной воды. Химический сдвиг воды определяется
прочностью и средним числом водородных связей, в которых участвует каждая молеку-
ла воды [21]. Для пористых твердых тел с гидрофобной поверхностью можно считать,
что число водородных связей между молекулами воды значительно превосходит их
число с активными центрами поверхности и все изменения химического сдвига воды в
порах обусловлены изменением структуры самой воды. Именно к таким веществам
относится СДБ.
Характеристики межфазных слоев воды измеряли при помощи метода послой-
ного вымораживания объемной и адсорбированной воды [22 – 24]. Сигнал молекул воды
во льду (как и сигналы протонов в твердых составляющих образца) не вносил сущест-
венного вклада в 1Н ЯМР спектры из-за особенности методики исследования и корот-
кого (~10-6с) времени поперечной релаксации протонов в твердом состоянии. Для
измерения химического сдвига использовался внешний стандарт – дейтерохлороформ,
который помещали в зазор между внешней (5 мм) и внутренней (4 мм) ампулами.
Условием замерзания воды на межфазной границе твердых тел является равенст-
во свободной энергии Гиббса межфазной воды и льда. Поскольку свободная энергия
межфазной воды понижена адсорбционными взаимодействиями (ΔG = G –G0 < 0, где
G0 – свободная энергия льда при 273 К), она замерзает при Т < 273 К. Изменение
свободной энергии Гиббса и понижение температуры замерзания (273 – Т) связаны
линейным соотношением [25]. Тогда площадь под кривой зависимости ΔG(Сuw) опре-
деляет межфазную энергию (gS) – суммарную величину понижения свободной энергии
Гиббса межфазной воды, обусловленную наличием границы раздела фаз [16]. В отличие
514
от межфазных энергий на границе раздела фаз твердое тело/пар или твердое тело/пар/
жидкость [23] величина gS определяет межфазную энергию на границе раздела фаз
твердое тело/жидкость. По зависимостям ΔG(Сuw) могут быть рассчитаны параметры
слоев сильно- и слабосвязанной воды – толщина слоя каждого типа воды (Сuw
s и Сuw
w
для сильно- и слабосвязанной воды соответственно) и максимальные величины пони-
жения свободной энергии этих слоях (ΔGs и ΔGw) [8, 24 – 26]. При этом под слабосвязан-
ной водой понимают ту часть незамерзающей воды, для которой ΔG < 0,5 кДж/моль.
Результаты и их обсуждение
Взаимодействие адсорбированного на поверхности SiO2 левомицетина с подлож-
кой изучали по изменениям ИК-спектральных характеристик поверхностных ОН-групп
ВДК при варьировании поверхностной концентрации антибиотика (СLV) в пределах 0,1 –
1 ммоль/г (рис. 1, а).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
ст
еп
ен
ь
во
зм
ущ
ен
ия
по
ве
рх
но
ст
ны
х
О
Н
-г
ру
пп
С, ммоль/г 250 300 350 400
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
7
5
D
, о
тн
. е
д.
l , нм
8
9
2
3 4
6
а б
0 400 800 1200 1600
-2,0
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
1
2
3
4
5
6
7
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
C
uw
, г/г
0 5 10 15 20 25
80
100
120
140
160
180
200
220
g S
, м
Д
ж
/м
2
CLV, % мас.
в г
Рис. 1. Изменение степени возмущения поверхностных ОН-групп ВДК (ν = 3748 см-1) в
зависимости от количества левомицетина на поверхности SiO2 (а); электронные
спектры поглощения образцов левомицетина, адсорбированного на поверхности
ВДК и чистого левомицетина: 2−7 – образцы 1-6, 8 – левомицетин, 9 – раствор
левомицетина СLV = 1,25*10-5 моль/л, (б); зависимости изменения свободной
энергии Гиббса от концентрации незамерзающей воды: 1 – кремнезем (А-300); 2-
7 – образцы 1-6 (в) и межфазной энергии от поверхностной концентрации
левомицетина (г).
При увеличении концентрации антибиотика интенсивность полосы свободных
гидроксильных групп (ν = 3748 см-1) уменьшается, что обусловлено образованием водо-
515
родных связей между электронодонорными группами антибиотика и протонами гидрок-
сильных групп кремнезема. Анализ УФ спектров поглощения водных и спиртовых
(рис. 1, б) растворов антибиотика, а также спектров отражения порошков адсорбционно
закрепленного и чистого левомицетина показывает, что максимум полосы совпадает с
максимумом соответствующей полосы спектра молекулярной формы исходного левоми-
цетина и его водного раствора. Это свидетельствует о сорбции левомицетина на поверх-
ности ВДК в молекулярной форме [27, 28].
Состояние гидратной оболочки нанокомпозита изучали по изменению интен-
сивности сигналов незамерзающей воды методом 1Н ЯМР спектроскопии. Спектры
представляют собой одиночный сигнал, максимум которого имеет химический сдвиг
4,8 м.д., что совпадает с химическим сдвигом жидкой воды. С понижением температуры
интенсивность сигнала уменьшается благодаря частичному замерзанию межфазной
воды, а его ширина увеличивается, что обусловлено уменьшением молекулярной
подвижности воды. Зависимости DG(Cuw) и gS(CLV) приведены на рис. 1, в, г. В соответс-
твии с данными рис. 1, г межфазная энергия нанокомпозита с ростом поверхностной
концентрации модификатора уменьшается почти вдвое – от 200 до 110 мДж/м2, что
свидетельствует о существенном уменьшении гидрофильных свойств его поверхности.
Для определения гемолитической активности нанокомпозитов по сравнению с
исходным кремнеземом согласно методике [29] был проведен гемолиз эритроцитов как
тест. По данным, представленным на рис. 2, для нанокомпозитов наблюдается некоторое
снижении гемолитической активности, пропорциональное поверхностной концентрации
модификатора, что, возможно, связано с экранированием поверхности молекулами
модификатора [27, 28] и уменьшением вероятности адсорбции мембранных белков на
кремнеземной поверхности.
Рис. 2. Зависимость степени гемолиза эритроцитов от концентрации левомицетина,
импрегнированного на поверхности кремнезема и исходных веществ.
На рис. 3 приведены результаты исследования влияния левомицетина на прирост
биомассы в тест-культурах (E.coli и Ѕt.aureus), которых следует, что при внесении в
питательную среду чистого антибиотика в концентрации, отвечающей количеству
импрегнированного левомицетина, происходит уменьшение биомассы клеток E.coli в
4 раза, а импрегнированного на кремнеземе антибиотика – больше чем в 15 раз. Это
свидетельствует о значительном увеличении антимикробной активности нанокомпозита
516
по сравнению с чистым антибиотиком. Аналогичные измерения проводились для
Ѕt.aureus. Полученные результаты показывают, что оптимальной является концентрация
левомицетина в нанокомпозите в диапазоне 0,4 – 0,6 ммоль/г, при которой происходит
максимальное угнетение развития микроорганизмов (рис. 3). Концентрация клеток,
которые выжили, для этих образцов (5, 6) составляет 1 − 3 % от контроля (100 %). Даль-
нейшее увеличение концентрации левомицетина в нанокомпозите нецелесообразно,
поскольку оно не приводит к уменьшению биомассы клеток [30].
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
пр
ир
ос
т
би
ом
ас
сы
,
%
1 2 3 4 5 6 7 8
образцы
E.coli
St.aureus
Рис. 3. Влияние импрегнированного левомицетина на прирост биомассы E.coli и
St.aureus: 1 – контроль, 2 – кремнезем, 3 − 0,1, 4 − 0,2, 5 − 0,4, 6 – 0,6, 7 – 0,8,
8 − 1 ммоль/г импрегнированного левомицетина.
На рис. 4 показана динамика газовыделения (СО2, образующийся в результате
брожения) для суспензии дрожжевых клеток в присутствии разных концентраций крем-
незема, антибиотика и нанокомпозита. Из рис. 4, б, в следует, что в присутствии ВДК
процесс брожения дрожжей за единицу времени происходит более интенсивно (кривые
2 – 4), что свидетельствует о его стимулирующем влиянии на процессы жизнедеятель-
ности клеточных суспензий, тогда как импрегнированный на поверхности кремнезема
левомицетин значительно замедляет газовыделение (кривая 5), а чистый антибиотик его
почти полностью блокирует (кривая 1). На начальной стадии брожения регистрировался
активный процесс деления клеток (число клеток значительно увеличивалось), который
происходил в условиях большого количества питательных веществ (глюкоза). Со време-
нем растет количество продуктов метаболизма (этанол, углекислый газ) при одновре-
менном уменьшении количества питательных вешеств. Это приводит к замедлению
процесса деления клеток и уменьшению газовыделения. Присутствие антибиотика
значительно угнетает жизнедеятельность дрожжевых клеток и, соответственно, замед-
ляет скорость образования углекислого газа. Введение в суспензию кремнезема на
начальных стадиях брожения уменьшало количество выделенного СО2, однако со
временем процесс брожения вновь активизировался и конечная масса образовавшегося
газа в присутствии кремнезема была близка к той, которая наблюдалась в контрольном
образце (рис. 4, а). Существенный рост газовыделения свидетельствует об активирую-
щем влиянии кремнезема на процессы жизнедеятельности клеточных суспензий. Таким
образом, было показано, что кремнезем в выбранном диапазоне концентраций твердой
фазы (0,03 – 0,1 %) оказывает на суспензию Sac.cerevisiae скорее стимулирующее
нежели угнетающее воздействие.
517
0 25 50 75 100 125
0
10
20
30
40
ма
сс
а
С
О
2, г
/л
время, ч
5
4
6
1 2
0 25 50 75 100 125
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
ма
сс
а
С
О
2
, г
/л
/ч
ас
время, ч
2
3
4
6
а б
0 25 50 75 100 125
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
ма
сс
а
С
О
2
, г
/л
/ч
ас
время, ч
1
5
6
в
Рис. 4. Динамика выделения углекислого
газа в процессе брожения дрож-
жей Saccharomyces cerevisiae (а) и
за промежуток времени (б, в):
1 − левомицетин; разное коли-
чество кремнезема (%): 2 − 0,06;
3 − 0,03; 4 − 0,1 ; 5 – кремнезем,
импрегнированный левомице-
тином (СLV = 1 ммоль/г); 6 –конт-
роль (10 %-ный раствор глюкозы)
Приведенный результат хорошо согласуется с данными, полученными другими
исследователями, в соответствии с которыми существует широкий диапазон концент-
раций ВДК, в котором наночастицы кремнезема положительно влияют на процессы
клеточного метаболизма [2 – 5]. Одним из факторов стимулирующего влияния крем-
незема на клетки может быть локальное (на границе клетка – частица) ускорение
диффузионных процессов, которые обеспечивают массоперенос между клеткой и
внешней средой. Это ускорение может происходить благодаря формированию на
границе межфазных слоев воды, проницаемость которых для веществ разной химичес-
кой природы повышается в результате изменения структуры самой воды. Для проверки
этого предположения нами исследовалась модельная система, представляющая собой
частично дегидратированные суспензии дрожжевых клеток, высушенные без и в при-
сутствии кремнезема, а также высушенная в аналогичных условиях суспензия чистого
кремнезема. В этих экспериментах дегидратация необходима для увеличения в измеряя-
емые ЯМР-спектральные характеристики воды, вклада от воды, непосредственно
локализованной вблизи межфазных границ внутри клеток и в зоне контакта клетка –
частица. Результаты измерений приведены на рис. 5. Измерения проводились в среде
слабополярного органического растворителя дейтерохлороформа.
В соответствии с концепциями, изложенными в [31], по характеру взаимодейст-
вия между молекулами воды внутриклеточная или межфазная вода могут подразде-
ляться на сильноассоциированную (каждая молекула берет участие более чем в одной
водородной связи) и слабоассоциированную, а по изменению свободной энергии Гиббса
(ΔG) – на сильносвязанную и слабосвязанную (величина ΔG < 0,5 кДж/моль). Среднее
координационное число воды определяется величиной химического сдвига ее протонов.
Полагая в соответствии с [31], что протоны в неассоциированной воде имеют
химический сдвиг в диапазоне 1 − 1,3 м.д., а тетракоординированной – 7 м.д. по экспери-
518
ментальному значению химического сдвига может быть оценено среднее число соседей,
с которыми молекула воды образует водородносвязанные комплексы.
10 8 6 4 2 0 -2 -4
260
255
250
240
230
220
210
d, м.д.
8 6 4 2 0 -2 -4
275
270
265
260
250
240
230
220
210
d, м.д.
а б
12 10 8 6 4 2 0 -2
265
260
250
240
230
220
210
d, м.д.
в
Рис. 5. Спектры межфазной воды в частич-
но дегидратированных дрожжевых
клетках (а), дегидратированной при
тех же условиях суспензии кремне-
зема (б) и нанокомпозите кремнезе-
ма с дрожжевыми клетками (в).
На рис. 5, а показаны температурные изменения 1Н ЯМР спектров воды в дрож-
жевых клетках, содержащих 17 % масс. остаточной воды. Вода проявляется в спектрах в
виде сигнала с химическим сдвигом d = 1,3 м.д., что отвечает химическому сдвигу
слабоассоциированной воды, практически не участвующей в образовании водородных
связей [31]. Близкий химический сдвиг имеют и молекулы воды в дегидратированном до
20 % масс. остаточной воды композите клетка – кремнезем (рис. 5, в). В противополож-
ность этому в порошке кремнезема, полученного в тех же условиях, что и композит,
практически вся вода находится в сильноассоциированном состоянии (рис. 5, б). Следо-
вательно, при включении кремнезема в клеточную суспензию значительная часть воды в
зоне контакта частица – клетка из сильноассоциированного состояния, способна перехо-
дить в слабоассоциированное состояние, что может и определять его стимулирующую
биологическую активность.
Поскольку внутриклеточное пространство в клетках (особенно частично дегидра-
тированных) представляет собой совокупность заполненных водой наноразмерных
пустот, ограниченных биополимерными стенками, методом 1Н ЯМР спектроскопии в
условиях послойного вымораживания жидкой фазы, было исследовано влияние поли-
мерных стенок на свойства водно-органических смесей в модельном нанопористом
материале – со-полимере СДБ [10].
Спектр образца, смоченного водой (без формирования объемной фазы воды)
представлен на рис. 6, а. В спектре регистрируются два сигнала с химическими сдвигами
4,5 и 5 м.д., следовательно, в порах СДБ вода находится в сильноассоциированном
состоянии, аналогичном жидкой воде. Регистрация одновременно двух сигналов
519
сильноассоциированной связана с довольно широким распределением по радиусам пор
(0,1 – 3 нм, см. [10]), в которых в зависимости от их размера возможно формирование
полиассоциатов с разным средним числом молекул воды. Вероятно, сигнал в сильных
магнитных полях обусловлен водой в порах относительно меньшего радиуса. Состояние
воды несколько изменяется в случае частичного заполнения объема пор (на рис. 6, б
заполнено примерно 25 % суммарного объема пор). При этом для адсорбированной воды
наблюдается значительное увеличение химического сдвига с повышением температуры.
При Т = 210 К величина d достигает своего предельного значения (7 м.д.), характерного
для льдоподобных структур [32], что свидетельствует о возможности существования
высокой упорядоченности воды в порах СДБ. Следует отметить, что вода в порах СДБ
является сильносвязанной, поскольку не замерзает во всем температурном интервале
вплоть до 210 К [8], что отвечает понижению свободной энергии Гиббса (DG) воды в
порах СДБ на 2 кДж/моль.
Введение в поры, кроме воды, полярных (ДМСО, рис. 6, в) или слабополярных
(CHCl3, рис. 6, г) органических веществ в количестве, не превышающем свободный
объем пор, слабо влияет на величину химического сдвига адсорбированной воды. Это
дает основание считать, что водная и органическая фазы в порах существуют раздельно.
Если для хлороформа, который слабо растворим в воде, это вполне естественно, то для
неограниченно растворимого в воде ДМСО, можно было ожидать образование в порах
СДБ гомогенного раствора, в котором химический сдвиг воды имеет промежуточное
значение между химическим сдвигом воды растворенной в ДМСО (d =3 м.д.) и жидкой
водой (d =5 м.д.). Ранее подобный эффект наблюдался нами для углеродных [11] и
некоторых типов оксидных адсорбентов [12].
В случае, когда количество хлороформа, существенно превышает объем пор
адсорбента, вода (оставаясь сильноассоциированной) переходит из сильносвязанного в
слабосвязанное состояние (рис. 6, д) и замерзает вблизи 273 К. Это свидетельствует о
том, что слабополярные молекулы хлороформа легко вытесняют воду из пор СДБ,
заполняя весь объем пор. При этом в спектрах 1Н ЯМР, кроме сигнала сильноассо-
циированной воды (d =5 м.д.), интенсивность которого быстро уменьшается с пониже-
неием температуры, наблюдается сигнал слабоассоциированной воды (d =1,3 м.д.),
интенсивность которого слабо зависит от температуры. Сложный вид спектра слабоассо-
циированной воды связан с разной величиной магнитной восприимчивости среды в
порах разного диаметра [33].
При совместной адсорбции воды и метана спектр воды коренным образом
меняется (рис. 6, е). Интенсивность сигнала сильноассоциированной воды уменьшается.
Слабоассоциированная вода и метан имеют близкие химические сдвиги, что не позво-
ляет точно рассчитать их количества, однако на основании приведенных спектров
можно полагать, что количество сильноассоциированной воды составляет не более 25 %
от первоначального. Адсорбция метана оказалась высокой – более 10 % масс.
Таким образом, в присутствии слабополярных молекул (хлороформа и метана)
часть адсорбированной воды переходит в слабоассоциированное состояние, которое
характеризируется химическим сдвигом 0 – 1,5 м.д., а при избытке хлороформа большая
часть сильноассоциированной воды вытесняется из пор на внешнюю поверхность адсор-
бента. Сильный электронодонор ДМСО не только не разрушает структуру полиассоци-
атов межфазной воды, но и образует в порах такие ассоциаты, в которых химический
сдвиг воды больше, чем химический сдвиг жидкой воды и приближается к химическому
сдвигу тетракоординированной воды.
520
8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
d, м.д.
10 8 6 4 2 0 -2
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
а б
12 10 8 6 4 2 0 -2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
d, м.д.
275
270
265
260
250
240
230
220
DMSO
12 10 8 6 4 2 0 -2
10
15
20
25
30
35
40
45
d, м.д.
278
270
265
260
250
240
230
220
CHCl3
в г
8 6 4 2 0 -2
d, м.д.
275
270
265
260
210
8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3
d, м.д.
275
270
265
260
250
240
230
220
210 CH4
д е
Рис. 6. Вода в порах со-полимера СДБ и влияние на нее органических растворителей:
а – в образце, смоченном водой; б – в порошке, содержащем 20 % масс. воды; в –
20 % масс. воды и 20 % масс. ДМСО-D6, из которых половина D6, а вторая
половина Н6; г – 20 % масс. воды и 30 % масс. CHCl3; д. – в жидком СDCl3; е –
15 % масс. воды и 10 % масс. СН4.
521
Выводы
Иммобилизация на поверхности нанокремнезема антибиотика – левомицетина
может увеличивать его эффективность почти в четыре раза. Вероятно, основной причи-
ной воздействия нанокремнезема на клеточные суспензии является формирование на
границе клетка – частица слоя слабоассоциированной воды, которая активно участвует в
процессах клеточного метаболизма. Модельные эксперименты показали, что большое
количество слабоассоциированной воды присутствует в частично обезвоженных дрож-
жевых клетках и дрожжевых клетках, контактирующих с частицами нанокремнезема.
Для полимерной системы, моделирующей внутриклеточное пространство или границы
раздела фаз клетка – частица обнаружен эффект кластерообразования водно-органи-
ческих систем в наноразмерном пространстве, образованном слабо гидрофильными
стенками. При этом слабополярные вещества (хлороформ, метан) уменьшают взаимо-
действие воды с поверхностью и способствуют формированию кластерных структур, в
которых вода находится в слабоассоциированном состоянии. Полярные вещества с во-
дой могут образовывать кластеры разной стехиометрии, находящиеся в состоянии
быстрого молекулярного обмена.
Литература
1. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния / Под ред.
А.А. Чуйко. – К.: Наук. думка, 2003. − 415 с.
2. Цимберг Е.А., Титова Л.В., Курдиш И.К. Влияние высокодисперсных материалов на
рост дрожжей Candida // Микробиол. журн. – 1991. – Т. 53, № 4. – С. 55 − 58.
3. Курдиш И.К., Титова Л.В., Цимберг Е.А. Влияние аэросилов на рост Azotobacter
chroococcum // Микробиол. журн. – 1993. – Т. 55, № 1. – С. 38 − 42.
4. Курдиш И.К., Цимберг Е.А., Бихтунов В.Л. Влияние дисперсных кремнеземов на
рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Микробиол. журн. − 1991. – Т. 53, № 2. −
С. 41 − 44.
5. Взаимодействие дисперсного кремнезема с поверхностью репродуктивной клетки и
плазмой семенной жидкости быка / Н.П. Галаган, А.В. Исаров, В.И. Богомаз,
А.А. Чуйко // Укр. биохим. журн. – 1988. – Т. 60, № 5. – С. 67 – 71.
6. Кремнеземы в медицине и биологии / Под ред. А.А. Чуйко. – Киев; Ставрополь,
1993. – 259 с.
7. Muraca M., Vilei M.T., Zanusso E. Encapsulation of hepatocytes by SiO2 // Transplant.
Proc. – 2000. – V. 32, № 8. – P. 2713 – 2714.
8. 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.
9. Weakly and strongly associated nonfreezable water bound in bones / V.V. Turov,
V.M. Gun`ko, V.I. Zarko, R. Leboda, M. Jablonski, M. Gorzelak, E. Jagiello-Wojtowicz //
Colloids and Surfaces. – 2006. – V. 48. – P. 167 − 175.
10. Structural features of polymer adsorbent LiChrolut EN and interfacial behavior ofwater and
water/organic mixtures / V.M. Gun’ko, V.V. Turov, V.I. Zarko, Y.M. Nychiporuk,
E.V. Goncharuk, E.M. Pakhlov, G.R. Yurchenko, T.V. Kulik, B.B. Palyanytsya,
T.V. Borodavka, T.V. Krupskaya, R. Leboda, J. Skubiszewska-Zieba, V.D. Osovskii,
Y.G. Ptushinskii, A.V. Turov // J. Colloid Interface. Sci. − 2008. − V. 323. − P. 6 − 17.
11. Structural characteristics of a carbon adsorbent and influence of organic solvents on
interfacial water / V.M. Gun’ko, V.V. Turov, J. Skubiszewska-Zięba, R. Leboda,
M.D. Tsapko, D. Palijczuk // Appl. Surf. Sci. − 2003 − V. 214. − P. 178 – 189.
12. Influence of organic solvents on interfacial water at surfaces of silica gel and partially
silylated fumed silica / V.V. Turov, V.M. Gun'ko, M.D. Tsapko, V.M. Bogatyrev,
522
J. Skubiszewska-Zięba, R. Leboda, J. Riczkowski // Appl. Surf. Sci. − 2004 – V. 229 −
P. 197 − 213.
13. Мішина Л.Г., Геращенко І.І., Осолодченко Т.П. Вивчення адсорбційних і антимікроб-
них властивостей очної суспензії на основі високодисперсного кремнезему //
Фармацевт. журн. – 2005. − № 2. − С. 74 − 78.
14. Слишик Н.Ф., Носач Л.В., Вороніна О.Є., Адсорбція антибіотиків тетрациклінового
ряду на поверхні високодисперсного кремнезему // Хімія, фізика та технологія по-
верхні. − 2004. – Вип. 10. − С. 170 − 174.
15. Слабоассоциированная 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.
16. Structural and adsorptive characteristics of fumed silicas in different media / V.M. Gun'ko,
V.I. Zarko, V.V. Turov, E.F. Voronin, I.F. Mironyuk, A.A. Chuiko // Colloidal Silica:
Fundamentals and Applications, H.E. Bergna (Ed.), Taylor & Francis LLC, Salisbury. –
2005. − Р. 499 − 530.
17. Structured water in partially dehydrated yeast cells and at partially hydrophobized fumed
silica surface / V.V. Turov, V.M. Gun'ko, V.M. Bogatyrev, V.I. Zarko, S.P. Gorbik,
E.M. Pakhlov, R. Leboda, O.V. Shulga, A.A. Chuiko // J. Colloid Interface Sci. – 2005. –
V. 283, № 2, − P. 329 − 343.
18. Химия антибиотиков / Под ред. М.М. Шемякина. –М.: Изд-во АН СССР, 1961. –
Т. 1. – 616 с.
19. Механизм действия антибиотиков / Под ред. чл.-корр. АМН СССР Г.Ф. Гаузе – М.:
Мир, 1969. − 720 с.
20. 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 Interface Sci. − 1999. − V. 79. − P. 173 − 211.
21. Пиментал Дж., Мак-Клеллан О. Водородная связь. – М.: Мир, 1964. − 670 с.
22. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушкова. –
Т. 2. – М.: Наука, 1978. – 495 с.
23. Тарасевич Ю.И. Поверхностная энергия гидрофобных адсорбентов// Теорет. и
эксперим. химия. − 2006. – Т. 42, № 2. – С. 87 − 91.
24. Туров В.В. Связанная вода и поверхностные силы в водных суспензиях высокодис-
персных оксидов // В кн. Химия поверхности кремнезема /Под ред. А.А. Чуйко. –
Киев: Изд. УкрИНТЭИ, 2001. − Т. 1. − С. 510 − 607.
25. Turov V.V., Leboda R. 1H NMR spectroscopy of adsorbed molecules and free surface
energy of carbon adsorbets // Phys. and Chem. of Carbons.– 2000. – V. 27. – P. 67 − 124.
26. Turov V.V., BarvinchenkoV.N. Structurally ordered surface layers of water at the SiO2/ ice
interface of adsorbed molecules of protein hydrolisate on them // Colloids and Surfaces B:
Biointerfaces. – 1997. – V. 8. – P. 125 − 132.
27. Молекулярные взаимодействия в ситеме левомицетин – вода – кремнезем / Т.В. Кру-
пская, В.Н. Барвинченко, В.А. Касперский, В.В. Туров // Укр. хим. журн. – 2007 –
Т. 73. − № 7 – С. 20 − 26.
28. Адсорбційне закріплення левоміцетину на поверхні високодисперсного кремнезему /
Т.В. Крупська, В.М. Барвінченко, В.О. Касперський, В.В. Туров, О.О. Чуйко //
Фармацевт. журн. – 2006. − № 2. − С. 59 − 64.
29. Гацький О.О., Геращенко І.І., Луцюк М.Б. Вивчення гемолітичних властивостей
високодисперсного кремнезему та його форм in vitro // Вісн. морфології. – 2004. −
№ 10. – С. 257 − 260.
523
30. Дослідження процесів життєдіяльності та росту біомаси одноклітинних
мікроорганізмів за наявності високодисперсного кремнезему і модифікованих
кремнеземів / Т.В. Крупська, В.М. Барвинченко, М.А. Григор´єва, Т.С. Тодосійчук,
В.В. Туров // Фармацевт. журн. – 2008. − № 1. − С. 95 − 101.
31. Взаимодействие кремнезема с клеточной поверхностью дрожжей и состояние
межфазной воды в зоне их контакта / Т.В. Крупская, В.М. Гунько, В.Н. Барвинченко,
В.В. Туров, О.В. Шульга // Укр. хим. журн. – 2008 – Т. 74, № 2 – С. 84 − 91.
32. Chang I-S. Kinney D.R., Maciel G.E. Interior hydroxyl of the silica gel system as studied
by 29si cp-mas nmr spectroscopy // J. Am Chem. Soc. – 1993. – V. 115. – P. 8695 − 8705.
33. Emsley J.W., Feenej J., Sutcliffe L.H. High resolution nuclear magnetic resonance
spectroscopy // Oxford: Pergamon рress, 1965. − P. 60 − 111.
A STUDY ON THE NATURE OF NANOSILICA EFFECT ON
CELLUAR OBJECTS
T.V. Krupska, V.N. Barvinchenko, V.V. Turov
Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
General Naumov Str. 17, 03164 Kyiv-164
Immobilization of levomicetin onto silica surface has been carried out by the method of
impregnation from alcohol solutions. Molecular interactions in the system of
levomicetin/water/silica were studied by a complex of experimental methods (1H NMR, IR, UV
spectroscopy). The interface water layer structures and their thermodynamic parameters were
found to depend on the levomicetin concentration. An effect was found of cell/silica interface
on the formation of bound water layers in low hydration systems. The effect has been examined
of the nanocomposites obtained and parent substances on cellular test systems. The optimum
concentration of antibiotic in nanocomposite was shown to be within 0.4 to 0.6 mmol/g where
pathogenic microorganisms are depressed to the maximum. The microporous co-polymer of
styrenedyvinylbenzene was used as a model of intracellular space of partly dehydratd cells for
measuring the statee of interface water and testing the influence of some organic molecules
(DMSO, CHCl3, CH4) by the method of 1H NMR spectroscopy. The effect was recognized of
structural and energetic heterogeneity of water in the pores of polymer.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-311 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:32:01Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/19/9007bc06da8cc3e1c0b74b6a3f3f2219.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-3112018-11-27T09:40:34Z A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects Изучение природы воздействия нанокремнезема на клеточные объекты A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects Krupska, T. V. Barvinchenko, V. N. Turov, V. V. Immobilization of levomicetin onto silica surface has been carried out by the method of impregnation from alcohol solutions. Molecular interactions in the system of levomicetin/water/silica were studied by a complex of experimental methods (1H NMR, IR, UV spectroscopy). The interface water layer structures and their thermodynamic parameters were found to depend on the levomicetin concentration. An effect was found of cell/silica interface on the formation of bound water layers in low hydration systems. The effect has been examined of the nanocomposites obtained and parent substances on cellular test systems. The optimum concentration of antibiotic in nanocomposite was shown to be within 0.4 to 0.6 mmol/g where pathogenic microorganisms are depressed to the maximum. The microporous co-polymer of styrenedyvinylbenzene was used as a model of intracellular space of partly dehydratd cells for measuring the statee of interface water and testing the influence of some organic molecules (DMSO, CHCl3, CH4) by the method of 1H NMR&nbsp; spectroscopy. The effect was recognized of structural and energetic heterogeneity of water in the pores of polymer. проведено закрепление левомицетина на поверхности кремнезема методом импрегнации из спиртовых растворов. Методами 1Н ЯМР, ИК-, УФ-спектроскопии изучено молекулярные взаимодействия в системе левомицетин/вода/кремнезем. Показана зависимость строения слоев межфазной воды и их термодинамических характеристик от поверхностной концентрации левомицетина. Определено влияние межфазной границы клетка/кремнезем на формирование слоев связанной воды при низкой гидратированности системы. Исследовано влияние полученного нанокомпозита и исходных веществ на клеточные тест-системы. Показано, что оптимальной является концентрация антибиотика в нанокомпозите 0,4&nbsp;–&nbsp;0,6 ммоль/г, при которой происходит максимальное угнетение развития патогенных микроорганизмов. В качестве модели внутриклеточного пространства дегидратированных клеток использовали микропористый со-полимер стиролдивинилбензола, на котором методом 1Н ЯМР спектроскопии проведено измерение состояния межфазной воды и изучено влияние на нее ряда органических растворителей (ДМСО, CHCl3, CH4). Обнаружен эффект структурной и энергетической неоднородности воды в порах полимера. Immobilization of levomicetin onto silica surface has been carried out by the method of impregnation from alcohol solutions. Molecular interactions in the system of levomicetin/water/silica were studied by a complex of experimental methods (1H NMR, IR, UV spectroscopy). The interface water layer structures and their thermodynamic parameters were found to depend on the levomicetin concentration. An effect was found of cell/silica interface on the formation of bound water layers in low hydration systems. The effect has been examined of the nanocomposites obtained and parent substances on cellular test systems. The optimum concentration of antibiotic in nanocomposite was shown to be within 0.4 to 0.6 mmol/g where pathogenic microorganisms are depressed to the maximum. The microporous co-polymer of styrenedyvinylbenzene was used as a model of intracellular space of partly dehydratd cells for measuring the statee of interface water and testing the influence of some organic molecules (DMSO, CHCl3, CH4) by the method of 1H NMR&nbsp; spectroscopy. The effect was recognized of structural and energetic heterogeneity of water in the pores of polymer. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2008-07-30 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/311 Surface; No. 14 (2008): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 511-523 Поверхность; № 14 (2008): Химия, физика и технология поверхности; 511-523 Поверхня; № 14 (2008): Хімія, фізика та технологія поверхні; 511-523 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/311/310 Авторське право (c) 2008 T.V. Krupska, V.N. Barvinchenko, V.V. Turov |
| spellingShingle | Krupska, T. V. Barvinchenko, V. N. Turov, V. V. A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title_alt | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects Изучение природы воздействия нанокремнезема на клеточные объекты |
| title_full | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title_fullStr | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title_full_unstemmed | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title_short | A study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| title_sort | study on the nature of nanosilica effect on celluar objects |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/311 |
| work_keys_str_mv | AT krupskatv astudyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects AT barvinchenkovn astudyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects AT turovvv astudyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects AT krupskatv izučenieprirodyvozdejstviânanokremnezemanakletočnyeobʺekty AT barvinchenkovn izučenieprirodyvozdejstviânanokremnezemanakletočnyeobʺekty AT turovvv izučenieprirodyvozdejstviânanokremnezemanakletočnyeobʺekty AT krupskatv studyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects AT barvinchenkovn studyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects AT turovvv studyonthenatureofnanosilicaeffectoncelluarobjects |