CC BY
22
УДК 544.65
И.В. Горончаровская*, А.Т. Дзгоева, Т.Г. Царькова.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: goririna22@gmail.com
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭРИТРОЦИТОВ С ПЛАТИНОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПОТЕНЦИАЛАХ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Аннотация
Исследовано взаимодействие эритроцитов с поверхностью платинового микроэлектрода, поляризованного до различных потенциалов, с целью прояснения характера их взаимодействия с электродом. Установлена разница в количестве электричества, проходящего в растворе фона и в растворе клеток при одном и том же потенциале поляризации. Показана зависимость количества электричества от потенциала поляризации электрода. Предположено, что обнаруженный эффект может быть связан с обменом зарядами между клетками и поверхностью электрода.
Ключевые слова: эритроциты, платиновый электрод, электрохимическое взаимодействие
В настоящее время существует проблема травмирования клеток при подборе материалов для изготовления стентов, эндопротезов и гемосорбентов. Известно, что суспензированные в плазме или физиологическом растворе клетки крови (эритроциты, тромбоциты и лейкоциты) при физиологическом значении рН несут на своей поверхности избыточный отрицательный заряд, который обеспечивает их нормальное функционирование. Отрицательно заряженная поверхность клетки притягивает из окружающей среды противоионы, которые под воздействием электростатических сил стремятся приблизиться к ионизированным группам клеточной мембраны. В результате клетка оказывается окруженной двойным электрическим слоем, что и обуславливает электрохимический характер взаимодействия этой клетки с электропроводными материалами. Впервые электрохимическая модель взаимодействия клеток с чужеродными материалами была предложена М.М. Гольдиным на примере процесса гемосорбции, где от значения заряда поверхности активированных углей зависела степень травмирования форменных элементов крови [1] и P.N. Sawyer, который занимался исследованием связи между внутрисосудистым тромбозом и зарядом поверхности стенок сосуда [2]. Изучалось влияние материала имплантанта на тромбогенность. Она повышалась в случае положительного заряда электрода из-за протекания фарадеевских процессов. Также проводились исследования по изучению интенсивности взаимодействия клеток крови с электропроводными материалами в зависимости от внешней поляризации [3]. Результаты всех этих исследований показали, что форменные элементы крови претерпевают изменения при контакте с поверхностью, заряженной положительнее некоторого критического значения. Предположительно, это могло быть связано с уменьшением плотности отрицательного заряда на клетках с последующим снижением стабильности взаимного их отталкивания. Однако до настоящего
времени нет работ, которые экспериментально доказывали бы именно электрохимический механизм взаимодействия клеток крови с электропроводными материалами, включающий в себя перенос электронов. Настоящая работа является попыткой прояснить этот вопрос.
В данной работе в качестве рабочего электрода использовался платиновый электрод с площадью 3,3-10"2 см2. В качестве вспомогательного электрода использовалась сетка Т1/Р^ площадью в 5 раз превышающей площадь рабочего электрода. Хлорсеребряный электрод служил электродом сравнения.
Поляризация платинового электрода проводилась в потенциостатическом режиме в диапазоне потенциалов от -600 мВ до +500 мВ (относительно Х.С.Э.нас) с помощью потенциостата 1РС-Рго Ь (НПО «Вольта», СПб) в непроточной трехэлектродной ячейке без разделения катодного и анодного пространства в изотоничном физиологическом растворе (0.15 М №С1) при перемешивании. Предварительно и во время эксперимента физиологический раствор и суспензия эритроцитов продувалась аргоном с целью удаления растворенного кислорода и исключения побочного фарадеевского процесса. Перед каждым экспериментом измерялся потенциал при разомкнутой цепи для платинового электрода.
В качестве объекта исследования взаимодействия эритроцитов с Р1 микроэлектродом использовалась эритроцитарная масса (ЭРМ), которая является фракцией антикоагулированной крови, содержащей в основном эритроциты. Перед каждым экспериментом исходная эритроцитарная масса подвергалась трехкратному отмыванию путем центрифугирования с физиологическим раствором при частоте вращения 1500§ и температуре 4°С в течение 10 минут и удаления надосадочной жидкости.
С целью определения области потенциалов поляризации, пригодных для исследования взаимодействия эритроцитов с поверхностью
платинового электрода снимались
потенциодинамические кривые в диапазоне
потенциалов от -1200 мВ до +1500 мВ со скоростью развертки потенциала 1 мВ/с (рис.1).
Рис.1. Поляризационные кривые Pt электрода в условиях развертки потенциала от -1200 мВ до +1500 мВ со скоростью
развертки 1 мВ/с: 1-в растворе 0,15М №С1, 2- в растворе ЭРМ.
Таким образом, исходя из потенциодинамических кривых, была выбрана область потенциалов, пригодных для исследования область от -600 мВ до +500 мВ, в которой не будет протекать побочных электрохимических процессов. При проведении эксперимента вначале ячейку заполняли физиологическим раствором и поляризовали платиновый электрод в течение 30 мин до заданного потенциала с помощью потенциостата, одновременно фиксировали величину тока (I) и количество пропущенного электричества Затем, не прерывая поляризации, в физиологический раствор добавлялась отмытая ЭРМ в соотношении 1:1,
указанные измерения продолжались в течение еще 30 минут.
В результате было установлено, что при добавлении суспензии клеток в физиологический раствор при поляризации платинового микроэлектрода до одного и того же потенциала требуется различное количество электричества. При этом была выведена зависимость разницы величин Q, необходимых для поляризации электрода в физиологическом растворе и в том же растворе, содержащем эритроциты, от потенциала платинового микроэлектрода, погруженного в тестируемые растворы (рис.2).
Рис. 2. Зависимость разницы количества электричества в растворе фона и в суспензии клеток от потенциала
поляризации платинового электрода
Так, при катодной поляризации в диапазоне потенциалов от -600 мВ до -100 мВ, количество пройденного электричества увеличивается вместе с
добавлением в физиологический раствор суспензии эритроцитов, а при анодной поляризации в диапазоне потенциалов от +100 мВ до +800 мВ оно
уменьшается. В области потенциалов -100 мВ +100 мВ количество электричества остается практически неизменным. Учитывая то, что мембрана эритроцитов несет на себе значительный отрицательный заряд и то, что в исследуемом диапазоне потенциалов не протекало побочных электрохимических процессов, а изменение тока (количества электричества) происходило, то такое изменение можно отнести к следствию обмена зарядами форменных элементов крови с поверхностью электрода. При этом, если знак заряда поверхности электрода является отрицательным, то заряд переходит с электрода на мембрану эритроцита, а если знак заряда поверхности электрода имеет положительное значение, то процесс протекает в обратном направлении. Отсутствие обмена зарядами между клеткой и электродом соответствует примерному равенству плотности зарядов поверхностей электрода и мембраны клетки. Процесс обмена зарядами между клетками и поверхностью электрода можно представить схематически:
Катодный процесс: клетки + е- ^клетки 8-
Анодный процесс: клетки - е- ^клетки8+
Таким образом, было обнаружено, что существует различие в количестве электричества, необходимого для поляризации платинового электрода в растворе фона и в том же растворе, содержащем эритроциты. Установлена зависимость разницы количества электричества в фоне и в суспензии клеток от потенциала внешней поляризации электрода. Сделано предположение о том, что взаимодействие форменных элементов крови с чужеродным электропроводным материалом носит
электрохимический характер. Также данные исследования показали возможность использования метода кулонометрии для определения гемосовместимости электропроводных материалов.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект N° 14-29-00194); Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева.
Горончаровская Ирина Викторовна, аспирант кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Дзгоева Асиат Таймуразовна, студент кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Царькова Татьяна Григорьевна, к.х.н., профессор кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Goldin M.M., Volkov A.G., Goldfarb Y.S., Goldin M.M. Electrochemical Aspects of Hemosorption // J. Electrachem. Soc. 2006. Vol. 153. P. J91-J99;
2. P.N. Sawyer, The effect of various metal interfaces on blood and other living cells. // Annals of the New York Academy of Sciences, 1968, Vol. 146, pp. 49-65;
3. D. Gingell and J.A. Fornes, Interaction of red blood cells with a polarized electrode. // Biophysical journal, Vol. 16, 1976, pp. 1131-1153.
Goroncharovskaya Irina Viktorovna*, Dzgoeva Asiat Taimurazovna, Tsarkova Tatiana Grigorievna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: goririna22@gmail.com
ELECTROCHEMICAL INTERACTION OF RED BLOOD CELLS WITH POLARIZED PLATINUM ELECTRODE
Abstract
We have investigated the electrochemical interaction of human red blood cells (RBC) with a polarized platinum electrode in a wide range of polarization potentials. Passing charge quantity difference in a background solution and RBC solution at the same potentials polarization was detected. It was considered that this effect might be attributed to charge exchange between cells and electrode surface.
Key words: red blood cells, electrochemical interaction, platinum electrode
