Стеклообразование в системе Mg(CH3COO)2–(CH3)2SO–H2О и получение малотоксичного криопротектора Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Стеклообразование в системе Mg(CH3C00)2-(CH3)2S0-H20 и получение малотоксичного криопротектора

Е.Г. Тараканова, И.А. Кириленко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, 119991, Москва,

Ленинский просп. 31

egtar@igic. ras. ru

Одной из важнейших проблем, связанных с хранением и трансплантацией клеток и органов, является сохранение жизнеспособности биоматериала вне организма. Основные повреждения живых клеток происходят на этапах консервации и расконсервации биоматериала за счет его обезвоживания и образования внеклеточных и внутриклеточных кристаллов льда. Положение осложняется тем, что лучшие из существующих в настоящее время криопротекторов (водных растворов органических соединений, стеклообразование в которых происходит без стадии кристаллизации воды) являются весьма токсичными.

Цель настоящей работы состояла в исследовании стеклообразующей способности и свойств системы Mg(CH3COO)2-(CH3)2SO-H2O с использованием методов калориметрии, квантовой химии и ИК спектроскопии. Предполагалось оценить возможность получения стеклообразующего водного раствора для консервации биоматериала с минимальным содержанием токсичного диметилсуль-фоксида (классического криопротектора [1]). Для этого важно было установить факторы, влияющие на стабильность стеклообразующих растворов к кристаллизации, изучить конкуренцию между молекулами (CH3)2SO, H2O и анионами CH3COO- за вхождение в первую координационную сферу иона Mg2+ и определить структурно-энергетические параметры полимерных цепочек в стеклах ряда составов.

В итоге проведенного исследования обнаружено и изучено методами калориметрии, ИК спектроскопии и теории функционала плотности явление стеклообразования в системе Mg(CH3COO)2-(CH3)2SO-H2O. Проведен совместный анализ данных эксперимента и квантово-химического расчета, основанный на знании закономерностей образования структуры водных и неводных растворов [2]. Впервые получен малотоксичный криопротектор. Определены структурно-энергетические параметры полимерных цепочек в трех стеклообразующих составах системы Mg(CH3COO)2-(CH3)2SO-H2O. Установлено, что строение таких цепочек, состоящих из гексасольватов магния, объединенных посредством анионов CH3COO- и молекул воды, соответствует закономерностям структурообразования в растворах. Изучена конкуренция между молекулами (CH3)2SO, H2O и анионами CH3COO- за вхождение в первую координационную сферу иона Mg2+. Показано, что многообразие стеклообразующих растворов в системе Mg(CH3COO)2-(CH3)2SO-H2O обусловлено, главным образом, наличием крупных, обладающих большим зарядом гексасольватов магния и высокой способностью молекул H2O к межчастичным взаимодействиям посредством H-связей. Установлено, что стабильные к кристаллизации составы стекол с водородными связями отличаются от нестабильных к кристаллизации составов большей удельной (приходящейся на единицу массы) прочностью сцепления «звеньев» полимерных цепочек. Для системы Mg(CH3COO)2-(CH3)2SO-H2O определен интервал, содержащий пороговое значение удельной энергии сцепления «звеньев» цепочки, начиная с которого стекло становится стабильным к кристаллизации.

Полученные результаты подтверждают установленное ранее правило: стеклуются те растворы, все молекулы которых могут объединиться во взаимодействующие между собой прочные полимерные цепочки неограниченной длины [3].

[1] D.H. Rasmussen, A.P. Mackenzie, Phase diagram for the system water-dimethyl sulphoxide, Nature, v. 220, pp. 1315-1317(1968).

[2] E.G. Tarakanova, G.V. Yukhnevich, I.S. Kislina, V.D. Maiorov, Structure and regularities of formation of H-bonded complexes in aqueous and nonaqueous binary solutions, Phys. Wave Phen., v. 28, pp. 168-175 (2020).

[3] E.G. Tarakanova, I.A. Kirilenko, Glass formation mechanism in aqueous formic acid solutions J. Non-Crystal. Solids, v. 573, 121130 (2021) .