CC BY
10
УДК 544.777
Савина Ю.В., Рыжова А.С., Колосова О.Ю., Лозинский В.И.
Ф изико-химические свойства криогелей поливинилового спирта, сформированных с добавками гидроксипролина
Савина Юлия Витальевна - лаборант;
Институт элементоорганических соединений Российской Академии Наук им. А. Н. Несмеянова; Рыжова Александра Сергеевна - студент 1 курса магистратуры; alex.r@internet.ru. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9. Колосова Ольга Юрьевна - старший научный сотрудник, к.х.н.;
Лозинский Владимир Иосифович - д.х.н., профессор, заведующий лабораторией криохимии биополимеров; Институт элементоорганических соединений Российской Академии Наук им. А. Н. Несмеянова, Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, дом 28.
В работе изучены криогели поливинилового спирта, сформированные методом «замораживания-оттаивания» растворов поливинилового спирта с добавками различной концентрации гидроксипролина. Оценено влияние гидроксипролина на физико-химические и термические характеристики полученных материалов. Также исследована кинетика высвобождения гидроксипролина из гелевой матрицы. Ключевые слова: криогели ПВС, криотропное гелеобразование, депо-форма, гидроксипролин
PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF POLY(VINYL ALCOHOL) CRYOGELS FORMED WITH ADDITIVES OF HYDROXYPROLINE
Savina Yu.V2., Ryzhova A.S.1, Kolosova O.Yu.2, Lozinsky V.I.2 1 Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Mos^w, Russia
2A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia In this work, cryogels of poly(vinyl alcohol), formed by the method of "freezing-thawing" of solutions of polyvinyl alcohol with additives of various concentrations of hydroxyproline, were studied. The influence of hydroxyproline on the physicochemical and thermal characteristics of the obtained materials has been estimated. The kinetics of the release of hydroxyproline from the gel matrix was researched. Keywords: cryogels PVA, cryotropic gelation, depo-form, hydroxyproline
Криогели поливинилового спирта (КГПВС) вызывают большой интерес в различных областях науки и техники. Благодаря сочетанию таких свойств криогелей, как высокая прочность в совокупности с эластичностью, наличие системы взаимосвязанных макропор, биосовместимость и нетоксичность, эти материалы на основе поливинилового спирта применяются для биомедицинских и биотехнологических целей, например, в качестве покрытий на раны, систем доставки лекарств, искусственных хрящей и т. д.
КГПВС получают методом «замораживания-оттаивания» - водные растворы полимера замораживают, выдерживают в замороженном состоянии, и оттаивают нагревая, в результате чего образуются гетерофазные макропористые полимерные гели [1].
При этом на физико-химические свойства и макропористую морфологию КГПВС влияют различные факторы. Это и характеристики используемого полимера, концентрация полимера в исходном растворе, природа растворителя и условия криогенной обработки - температура замораживания, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии, скорость оттаивания, число циклов замораживания-оттаивания. Также влияние оказывают и различные низкомолекулярные добавки, вводимые в исходный раствор поливинилового спирта до криогенной обработки [2].
В этой работе были получены криогели поливинилового спирта (рис.1), содержащие добавки гидроксипролина в разных концентрациях, оценены физико-механические и теплофизические свойства полученных материалов, а также исследована кинетика высвобождения гидроксипролина из матрицы криогеля ПВС.
Рис. 1. Фотография образца криогеля ПВС
Рис. 2. Формула гидроксипролина
Гидроксипролин - аминокислота, полученная в результате гидролиза протеинов пшеницы (рис.2). Гидроксипролин составляет 25% всех аминокислот, входящих в состав коллагена. Он способствует закручиванию аминокислотных цепочек и удерживает их между собой (склеивает цепочки). Добавление гидроксипролина в косметические средства, позволяет усилить лифтинговый, тонизирующий, увлажняющий и антивозрастной эффекты. Также гидроксипролин способствует блокаде ферментов, разрушающих волокна коллагена и эластина, блокирует образование свободных радикалов - обладает антиоксидантной активностью. Благодаря маленькому размеру молекулы этой аминокислоты способны проникать в кожу глубже, чем белки и пептиды [3]
Криогели поливинилового спирта были сформированы из растворов с концентрацией полимера 100 г/л, непосредственно в раствор вносили добавки гидроксипролина, концентрацию
гидроксипролина варьировали от 0.1 до 1.0 моль/л. Контейнеры с растворами полимера с добавками гидроксипролина переносили в камеру прецизионного программируемого криостата Proline RP 1840 (Lauda, Германия), где образцы замораживали и инкубировали при -20°С в течение 12 ч, а затем оттаивали, нагревая со скоростью 0.03°С/мин, которая задавалась микропроцессором криостата. При выборе режима криогенной
обработки мы отталкивались от результатов исследований, полученных ранее в нашей лаборатории, и выбрали наиболее оптимальный режим для формирования криогелей ПВС.
Ранее было показано [1, 2], что для получения прочного и теплостойкого КГПВС необходимо продолжительное пребывание размораживаемого образца в зоне субнулевых температур, оптимальных для такого гелеобразования (от -4 до -2°С) в случае системы ПВС-вода. Поэтому при выполнении данного исследования мы с помощью программируемого криостата строго выдерживали режимы охлаждения раствора ПВС при его замораживании, дальнейшего термостатирования замороженных образцов и их нагревания в ходе оттаивания.
Влияние добавок гидроксипролина на физико-механические и теплофизические свойства криогелей ПВС: на рисунке 3 приведены графики зависимости модулей упругости и температуры плавления образцов криогелей от концентрации в них гидроксипролина. Так, видно, что с повышением концентрации гидроксипролина в исходном растворе полимера, жесткость полученных образцов возрастает. В частности, значения модуля Юнга Е вырастает с 9.2±0.2 кПа (для образца сформированного без добавок) до 20.3±0.5 кПа - при концентрации гидроксипролина в исходной системе 1 моль/л, значения условно-мгновенного модуля О0 изменяются от 9.13±0.1 кПа до 16.2±0.4 кПа.
Рис.3. Зависимости модулей упругости Е и Оо, криогелей ПВС от концентрации гидроксипролина в
исходном растворе полимера
Температура плавления криогелей ПВС (рис.4) также возрастает с повышением концентрации гидроксипролина в исходном растворе. Так, для образца, сформированного без добавок, значение температуры плавления составляет 71.5±0.1°С, а для образца, сформированного при концентрации гидроксипролина 1 моль/л, значение температуры плавления было 79.55±0.3°С.
78-
О 76 о
i
I- 74J
72-
7.J
0.2 0.4 0.6 0.8
[гидроксипролин], моль/л
Рис.4. Зависимость температуры плавления криогелей ПВС от концентрации гидроксипролина в исходном растворе полимера
80-
1.0
Таким образом, присутствие добавок гидроксипролина повышает жесткость и теплостойкость криогелей ПВС. Очевидно, гидроксипролин проявляет космотропные свойства подобно NaF и Na2SÜ4 [4]. Таким образом, при увеличении содержания космотропных добавок в исходной системе формирование зон микрокристалличности (образование узлов физической сетки криогеля ПВС) происходит эффективнее, чем в системе без добавок.
Изучение кинетики высвобождения гидроксипролина из матрицы криогелей ПВС: Поскольку гидроксипролин используется в косметической продукции, то на следующей стадии работы мы исследовали кинетику высвобождения этой аминокислоты из гелевой матрицы. Для этого образец криогеля ПВС, объемом 1.6-1.8 см3сформированный при концентрации
гидроксипролина 0.1 моль/л помещали в бюкс с 10 мл деионизованной воды. Через определенные промежутки времени из системы отбирали пробы по 100 мкл. К ним добавляли 2.9 мл раствора катионов меди ([10-3 M]), записывали спектр поглощения на спектрофотометре. Содержание гидроксипролина находили по предварительно построенной калибровочной кривой (рис. 5).
Damped exponential decay
Рис. 5. Кривая высвобождения гидроксипролина из матрицы криогеля ПВС
Полученные экспериментальные данные были обработаны по формуле Вейбулла [5]. Рассчитанный
коэффициент b=0.624 показывает, что высвобождение из матрицы протекает без пространственных затруднений. Высвобождение гидроксипролина из матрицы криогеля ПВС в использованных условиях эксперимента достигает равновесия примерно за 2 часа.
Таким образом, в работе были получены криогели поливинилового спирта, содержащие добавки гидроксипролина, оценены их физико-механические и теплофизические свойства, а также изучена кинетика высвобождения аминокислоты из матрицы криогеля. Основываясь на полученных данных, можно говорить о возможном применении криогелей поливинилового спирта в качестве «депо-форм» для доставки данного лекарственного вещества.
Данная работа связана с достижением одной из целей устойчивого развития: Цель 3 Обеспечение здорового образа жизни и содействие благополучию для всех в любом возрасте.
Работа выполнена в рамках Государственного задания №075-03-2023-642Министерства науки и
высшего образования Российской Федерации.
Список литературы
1. Лозинский В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта// Успехи химии. -1998. - Т. 67. №7. - С. 641-655.
2. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and applications of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/ thawing methods // Adv. Polym. Sci. - 2000. - V. 153 - P.37-52.
3. https://natacosmetik.ru/articles/2032/
4. Lozinsky V.I., Domotenko L.V., Zubov A.L., Simenel I.A. Study of cryostructuration of polymer systems. XII. Poly(vinyl alcohol) cryogels: influence of low-molecular electrolytes// JAPS -1996. - V.61. -P.1991-1998.
5. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability // J. Appl. Mech. - 1951. - P.293-297.
