CC BY
59
ERDA Air Cleaning Conf., 1978. P. 428-436.
3. Torgerson, D.F., Smith, I.M. AECL Iodine Scrubbing Project // Proc. of 15th ERDA Air Cleaning Conf., 1978. P. 437-445.
4. Kovach J.L., Rankovic L. Evaluation and Control of Poisoning of Impregnated Carbons Used for Organic Iodide Removal // Proc. of 15th ERDA Air Cleaning Conf., 1978. P. 368-378.
5. Беспамятное Г. П. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. Л.: Химия, 1975. 456 с.
6. Обручиков А.В., Широков В.В., Растунов Л.Н. Создание контрольно-исследовательского йодного стенда // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. Т. XXII. №8 (88). С. 9-12.
7. Индекс сорбционной способности - критерий контроля импрегнирован-ных углей для АЭС / Л.Н. Растунов, Э.П. Магомедбеков, А.В. Обручиков, Л.А. Ломазова // Атомная энергия, 2010. Т. 109. Вып. 1. С. 3 - 7.
8. Оценка толщины слоя сорбента в йодных фильтрах / Л.Н. Растунов, Э.П. Магомедбеков, А.В. Обручиков, Л.А. Ломазова // Атомная энергия, 2011. Т. 110. Вып. 1. С. 55 - 57.
УДК 541.182.02
Н.Р. Антипкин, М.А. Богородская Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия О ВЛИЯНИИ ГАММА-ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ЖЕЛАТИНА
Biocompatibility, surface activity and liability to biodégradation of gelatin enable this polypeptide to be used as colloid pharmaceutical. As a temporary supporter, the biodegradable gelatin hydrogel could facilitate cell sheet transfer and avoid long-term residence of foreign carriers in the body. The decontamination effects of gamma irradiation on gelatin reduce the risk of inflammation in surgery and increase the speed of bioabsorption. The impact of gamma irradiation on gelatin was studied. The results indicated that molecular mass of gelatin decreased, its water solution's rheological behavior changed and the isoelectric point decreased.
Биосовместимость, поверхностная активность и подверженность биоразложению желатина позволяют использовать этот полипептид в медицине в составе коллоидных препаратов, для вживления имплантатов и других устройств в организме. Радиационная стерилизация желатина приводит к уменьшению риска воспалений при хирургическом использовании, а также увеличению скорости биоабсорбции. В работе показано влияние гамма-облучения на уменьшение молекулярной массы желатина, изменение реологических свойств его водных растворов и смещению изоэлектрической точки в кислую область.
Молекулы белков представляют собой природные наночастицы и, кроме того, способны стабилизировать другие наногетерогенные системы. Желатин - жёсткоцепное высокомолекулярное вещество, полипептид и ам-
фотерный полиэлектролит, обладающий буферными свойствами. Его получают гидролизом коллагена (щелочным - тип А или кислотным - тип В), поэтому свойства желатина в значительной мере определяются методом его получения. Амфифильная природа молекул желатина позволяет использовать этот биополимер в качестве стабилизатора коллоидных систем: пен, эмульсий, гидрозолей, что открывает широкие возможности для его практического применения в нанотехнологиях.
Благодаря своему сродству к живым тканям желатин используют в хирургии как уплотнитель сосудистых протезов, адгезив для клеточных трансплантатов, подложку для хрупких тканевых имплантатов. При этом ткани организма довольно быстро приводят желатин к биодеградации и биоабсорбции in vivo [1,2]. Имплантированные желатиновые матрицы поглощаются тканями от 7 до 14 дней и ускоряют их регенерацию. В опытах по регенерации тканей было показано, что физико-химические свойства желатина играют в этом определяющую роль [3]. При использовании желатина с меньшей способностью к гелеобразованию реже возникают воспалительные процессы, чем при применении желатина с высоким индексом гелеобра-зования [4,5]. Имеются сведения о том, что радиационная стерилизация желатина помимо собственно стерилизации приводит к появлению новых ценных свойств материала - уменьшению риска воспалений при хирургическом использовании, а также увеличению скорости биоабсорбции. Показано, что желатиновые мембраны с имплантатом (типа сэндвича) после радиационной стерилизации (поглощенная доза 16,6 кГр) остаются после имплантирования в сетчатку кролика всего несколько дней [6,7].
Помимо хирургии желатин нашел применение в медицине в виде капсул, микросфер и наночастиц [8-10]. Его используют как стабилизатор гидрофобных наночастиц металлов, их сульфидов и оксидов. Важную роль в фиксации молекул белка на поверхности наночастиц играют сульфогид-рильные группы цистеина и аминогруппы лизина. Наиболее стабильные поверхностные пленки образуются, когда рН подложки совпадает с изоэлек-трической точкой (ИЭТ, pl) желатина [11]. Стабилизированные желатином наночастицы нашли применение в ядерной медицине - на их основе приготавливают коллоидные радиофармпрепараты, необходимые в технике ин-траоперационной хирургии.
Возможности применения желатина в любой области определяются его физико-химическими характеристиками: молекулярной массой, вязкостью растворов, гелеобразующей способностью, ИЭТ. При удалении от ИЭТ в кислую область, аминогруппы заряжаются положительно, в щелочной области отрицательно заряжаются карбоксильные группы. Одноименно заряженные участки макромолекул отталкиваются друг от друга, а растворимость увеличивается. В ИЭТ нет отталкивания между заряженными участками цепи, молекулы желатина принимают максимально компактную форму статистического клубка, поэтому наблюдаются наименьшая вязкость растворов желатина и наименьшая растворимость.
В настоящей работе определено влияние радиолиза на физико-химические характеристики желатина, а также сравнивается действие гам-
ма-облучения на желатин и его водные растворы. Основными определяемыми характеристиками являлись: ИЭТ, характеристическая вязкость водных растворов и гидродинамический диаметр макромолекул.
В работе были использованы три образца желатина: отечественный желатин ГОСТ 11293-89 (I), Gelita особой очистки (II), Gelita фармацевтического качества (III). Первый образец - типа А, последние - типа В. Желатин облучали на установке РХМ-гамма-20 дозой 140 кГр. Вязкость определяли с помощью вискозиметра Hoeppler viscosimeter ВЗ, рН измеряли на Sartorius Professional Meter РР-20, размер наночастиц - на Zeta Potential/ Particle Sizer Nicomp™ 380 ZLS, оптическую плотность (мутность) - на спектрофотометре СФ-46. Для деионизации использовали ионообменные смолы «ядерный класс»: сильнокислотный катионит NRW-100 и сильноосновный анионит NRW-600.
ИЭТ желатина определяли тремя методами: по мутности и вязкости водных растворов при варьировании рН, а также методом деионизации [12].
В ИЭТ макромолекулы принимают форму статистического клубка, и значение мутности - максимально. Для необлученных образцов определены следующие значения ИЭТ: pi = 4,5 для образца I, pi = 9,3 - для образца III, для образца II наблюдался широкий максимум в области рН 7-9 (рис. 1). В растворах облученных образцов экстремальной зависимости мутности от рН не наблюдалось, и ИЭТ определить этим методом не удалось.
Рис. 1. Зависимость оптической плотности водных растворов желатина от рН
1,8
1,6
т|, мДа с I
t
10
рН
О 2 4 6 8 10 12 рН
Рис. 2. Зависимость вязкости водных растворов желатина от рН
В ИЭТ вязкость растворов минимальна. Эта методика позволяет более или менее достоверно определять ИЭТ необлученных образцов. Вязкость растворов облученного желатина много меньше, кривые получаются настолько пологими, что определение минимума затруднено (рис. 2).
Лучшим способом определения ИЭТ желатина является деионизация их водных растворов. Метод заключается в пропускании раствора через колонку со смесью ионообменных смол и измерением рН элюата. После деиони-зации водородный показатель раствора соответствует р1 и не зависит от способности макромолекул образовывать статистические клубки достаточно большого размера, поэтому является наиболее точным и надежным. Результаты определения ИЭТ всеми способами представлены в таблице 1.
Табл. 1. Значения ИЭТ растворов желатина
Образцы Значения pl, определенные разными методами
По мутности По вязкости Деионизацией
I Необлученный 4,5 4,2-5,0 5,35
140кГр - - 5,10
II Необлученный 7-9 8,4 8,11
140кГр 6 - 6,75
III Необлученный 9,3 8,6 8,42
140кГр - 7,8 6,96
Из экспериментальных данных следует, что ИЭТ при облучении смещается в кислую область. Вероятно, что при радиолизе происходит деструкция полипептидных и боковых цепей желатина, окисление в местах разрыва и увеличение количества карбоксильных групп. Так как значение рН в организме человека (в крове, лимфе, тканях) находится в пределах 7,5 -8,5, то in vivo молекулы облучённого желатина будут заряжены отрицательно, что способствует ускорению биоабсорбции.
Реологические характеристики полимера зависят от строения его макромолекул и молекулярно-массового распределения. Чувствительность реологических методов изучения молекулярной и надмолекулярной структур достаточно высока. Экспериментально определяемыми величинами при этом являются удельная и приведенная вязкость.
= Ч-Чо = %
Лприв n f (
Чо ' ^ ^
где г|, т|0 - соответственно вязкость раствора полимера и растворителя, г|уД и г|прив - соответственно удельная и приведённая вязкость бессолевого водного раствора полиэлектролита, С - концентрация (рис. 3).
Показателем, характеризующим объём, занимаемый макромолекулой,
является характеристическая вязкость:
Ц-Ц С
Ы=Нт г
с-> о По 1
которая позволяет вычислить среднегидродинамическую молекулярную массу по уравнению Марка-Куна - Хувинка:
[ц]=КцМа,
где Кц, а - эмпирические константы. После облучения сухого желатина характеристическая вязкость всех растворов уменьшилась в 2-3 раза, что свидетельствует о значительном уменьшении молекулярной массы желатина. Оценить изменение размеров макромолекул можно также с помощью метода фотонно-корреляционной спектроскопии. Общие данные приведены в таблице 2.
Рис. 3. Зависимость приведенной вязкости от концентрации
При облучении 5 %-ных водных растворов желатина образовывался прочный, необратимый гель, который не разрушался при нагревании. Очевидно, в процессы деструкции свой вклад вносили продукты радиолиза воды. Происходило не только разрушение, но и сшивание макромолекул с образованием трехмерной сетчатой структуры.
Табл. 2. Характеристическая вязкость и эффективные гидродинамические диаметры макромолекул желатин
Образец М, л/г ¿среднеоб? ИМ ¿среднечисл? ИМ
I Нео б лученный 0,058 72 29,9
140кГр 0,031 23,6 14,5
II Нео б лученный 0,076 20,5 13,4
140кГр 0,021 16,4 10,3
III Нео б лученный 0,069 21,3 12,2
140кГр 0,024 16,8 9,5
Настоящая работа позволяет сделать несколько выводов. Радиационное воз-
действие на желатин приводит к значительным физико-химическим изменениям. При облучении дозой 140 кГр молекулярная масса желатина уменьшается в 2-3 раза, а его способность к гелеобразованию и вязкость уменьшаются, что положительно сказывается на биоабсорбции. Происходит разрыв макромолекул и боковых цепей. В местах разрывов окислительные процессы генерируют дополнительные карбоксильные группы, появление которых повышает кислотность макромолекулы в целом и приводит к смещению изоэлектрической точки в кислую область для всех исследованных сортов желатина. В организме человека желатиновые имплантаты и стабилизируемые облученным желатином наночастицы будут заряжены отрицательно, что способствует ускорению биоабсорбции.
Библиографические ссылки
1. Bigi A.Mechanical and thermal properties of gelatin films at different degrees of glutaraldehyde crosslinking. // Biomaterials, 2001. № 22. P.763-768.
2. Hsiue J.Y. Functional biomedical polymers for corneal regenerative medicine. // React.Funct. Polym., 2007. № 67. 1284-1291.
3. Lai, J.Y., Lu, P.L. Effect of charge and molecular weight on the functionality of gelatin carriers for corneal endothelial cell therapy. // Biomacromolecules,
2006. № 7. P. 1836-1844.
4. Hsiue, G.H., Lai, J.Y. A novel strategy for corneal endothelial reconstruction with a bioengineered cell sheet. // Transplantation, 2006. № 81. P. 473-476.
5. Lai, J.Y., Chen, K.H. Tissue-engineered human corneal endothelial cell sheet transplantation in a rabbit model using functional biomaterials. // Transplantation,
2007. № 84. P. 1222-1232.
6. Hsiue, G.H., Lai, J.Y., Lin, P.K. Absorbable sandwich-like membrane for retinal-sheet transplantation. // J. Biomed. Mater. Res., 2002. № 61. P. 19-25.
7. Lai, J.Y., Lin, P.K. Low Bloom strength gelatin as a carrier for potential use in retinal sheet encapsulation and transplantation. // Biomacromolecules, 2009. № 10. P. 310-319
8. Bussemer, T. A pulsatile drug delivery system based on rupturable coated hard gelatin capsules. // J. Control. Release, 2003. № 93. P. 331-339
9. Fan, H., Zhang, C. Gelatin microspheres containing TGF-рз enhance the chondrogenesis of mesenchymal stem cells in modified pellet culture. // Biomacromolecules, 2008. № 9. P. 927-934.
10. Ethirajan A. Synthesis and optimization of gelatin nanoparticles using the miniemulsion process.//Biomacromolecules, 2008. № 9. P. 2383-2389.
11. Peng, H.T., Martineau, L. Hydrogel-elastomer composite biomaterials: 3. Effects of gelatin molecular weight and type on the preparation and physical properties of interpenetrating polymer networks. // J. Mater. Sci.-Mater. Med., 2008. № 19. P. 997-1007.
12. The British Pharmacopoeia 2009. / [Электронный ресурс]. // URL: http://www.pharmacopoeia.co.uk/2009 (дата обращения 20.05.2011).
