CC BY
5
УДК 544.77
Овчинникова Е.А., Шулаев С.В., Мурашова Н.М.
ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ ОКСИДА МЕДИ РАЗЛИЧНОГО РАЗМЕРА НА ВЯЗКОСТЬ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ЛЕЦИТИН - СМЕСЬ МАСЕЛ - ВОДА
Овчинникова Елизавета Алексеевна, студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: kotsh.work@yandex.ru
Шулаев Сергей Валерьевич, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: shulaev_sv@mail.ru; Мурашова Наталья Михайловна, к.х.н., доцент, преподаватель кафедры наноматериалов и нанотехнологии, email: namur_home@mail.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние частиц оксида меди (II) со средним размером 34,6, 0,9 и 0,4 мкм на вязкость жидких кристаллов в системе лецитин - масло авокадо - масло чайного дерева - вода. С помощью расчета по уравнению Стокса показано, что время оседания частиц CuO микронных размеров внутри изученной жидкокристаллической матрицы будет порядка 1000 лет, что подтверждает целесообразность использования жидких кристаллов как носителей для лекарственных веществ в виде твердых частиц микронного и субмикронного размера.
Ключевые слова: жидкие кристаллы, оксид меди (II), наночастицы оксидов металлов, нанокомпозит
WHAT IS THE EFFECT OF COPPER OXIDE PARTICLES OF VARIOUS SIZES ON THE VISCOSITY OF LIQUID CRYSTALS IN THE LECITHIN - OIL - WATER SYSTEM
Ovchinnikova E.A., Shulaev S.V., Murashova N.M. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
The influence of copper (II) oxide particles with an average size of 34.6, 0.9, and 0.4 microns on the viscosity of liquid crystals in the lecithin - avocado oil - tea tree oil - water system was studied. Using the Stokes equation calculation, it is shown that the settling time of CuO particles of micron sizes inside the studied liquid crystal matrix will be about 1000 years, which confirms the feasibility of using liquid crystals as carriers for medicinal substances in the form of solid particles of micron and submicron sizes.
Keywords: liquid crystals, copper (II) oxide, metal oxide nanoparticles, nanocomposite
Микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы представляют собой термодинамически стабильные наносистемы, которые не требуют разработки специальных или сложных технологий. Они характеризуются простотой получения, в том числе при крупномасштабном производстве, и обладают высокой стабильностью при хранении. Мицеллярные системы, микроэмульсии и жидкие кристаллы, образованные различными типами поверхностно-активных веществ, предлагаются для процессов разделения веществ, как среды для полимеризации и темплатного синтеза наночастиц, как носители для адресной доставки лекарственных веществ [1]. Самоорганизующиеся наноструктуры поверхностно-активных веществ, в том числе лиотропные жидкие кристаллы, обладают огромным потенциалом в качестве систем трансдермальной доставки лекарственных веществ, их исследование вызывают растущий интерес ученых [2].
Жидкие кристаллы являются
многофункциональными, универсальными и превосходными носителями активных веществ. Они менее токсичны, обладают повышенной проницаемостью и обеспечивают защиту лекарственного средства в течение более длительного времени по сравнению с другими лекарственными формами [3].
Ранее была разработана композиция на основе жидкого кристалла в системе лецитин - жирное
растительное масло - эфирное масло - вода для трансдермальной доставки лекарственных веществ [4]. Перспективным подходом является применение лиотропных жидких кристаллов в качестве носителя для нано- и субмикронных частиц оксидов металлов. Наночастицы оксидов металлов, по сравнению с их микронными аналогами, более стабильны в экстремальных условиях, проявляют антимикробную активность при низких концентрациях и имеют низкую токсичность или отсутствие токсичности для человека [5].
Целью данной работы являлось изучение влияния субмикронных частиц оксида меди (II) на вязкость жидких кристаллов в системе лецитин - масло авокадо - масло чайного дерева - вода, предназначенных для адресной доставки лекарственных веществ.
Жидкие кристаллы в системе лецитин - жирное растительное масло - эфирное растительное масло -вода получали в соответствии с разработанной ранее методикой [4]. Также была разработана методика получения самих частиц CuO со средним размером 0,9 мкм. В эксперименте был использован порошок оксида меди (II) квалификации «ч». Для получения применялся механический способ измельчения, в ходе чего использовалась планетарная микромельница модели Pulverisette 7 (Fritsch GmbH). Измельчение проводили в водной среде.
Были исследованы кривые течения с помощью вискозиметра Нааке Viscotester iQ при температуре 25 °С в режиме контролируемой вязкости сдвига в интервале скоростей сдвига 0,01-1 с"1. На рис. 1 приведена зависимость вязкости от скорости сдвига для образцов, содержащих разный массовый процент частиц оксида меди со средним размером 0,9 мкм. На графике наблюдается одинаковый вид кривых течения - при увеличении скорости сдвига вязкость снижается в сотни раз. При повышении концентрации частиц от 0 до 0,3 мас. % вязкость жидких кристаллов падает. Кривые течения и зависимость вязкости от концентрации частиц, полученные при 37 °С, имеют аналогичный вид. Снижение вязкости жидких кристаллов при введении частиц со средним размером 0,9 мкм возможно объясняется тем, что частицы данного размера плохо встраиваются в пространственную структуру жидких кристаллов и не укрепляют ее.
Рис. 1. Кривые течения образцов жидких кристаллов, содержащих частицы СиО со средним размером 1 мкм. Концентрация СиО, мас.%: 1 -0,01; 2 - 0,1; 3 - 0,3; 4 - контрольный образец, без частиц СиО; Т=25°С
На рис. 2 показана зависимость кривых течения от скорости сдвига образцов, которые в своем составе содержали частицы оксида меди различного размера в количестве 0,1 мас.%. Результат эксперимента показал, что при уменьшении размера частиц оксида меди (II) в несколько раз, вязкость жидких кристаллов, содержащих одинаковый массовый процент твердого вещества в составе, возрастает при 25 °С, что указывает на то, что данные частицы хорошо встраиваются в пространственную структуру жидких кристаллов. Аналогичные результаты -повышение вязкости жидких кристаллов в системе лецитин - вазелиновое масло - вода при введении наночастиц Бе20з, были показаны в работе [6].
Рис. 2. Кривые течения образцов жидких кристаллов, содержащих частицы СиО с различным размером. Размер СиО, нм: 1 - 0,4 мкм; 2 - 0,9 мкм;
3 - 34,6; 4 - контрольный образец, без частиц СиО; Т=25°С
При добавлении крупных частиц (средний размер 34,6 мкм) вязкость жидких кристаллов имеет одинаковые значения с контрольным образцом. Предположительно это происходит из-за того, что при сохранении одного значения массового процента во всех образцах, количество крупных частиц в жидкокристаллическом композите меньше и их влияние проявляется слабее. Кроме того, более крупные частицы могут неравномерно распределяться в образце.
Также была рассчитана возможность седиментации частиц оксида меди (р=6,31 г/см3) внутри жидкокристаллической матрицы с вязкостью 6882 Пах (экспериментальные данные для контрольного образца) по уравнению Стокса (1) для сферических частиц.
^ =
-"сед
2г2(р—ро) 9Л
(1)
где, г - радиус частицы, р - плотность частицы, р0 - плотность жидкости, П - динамическая вязкость.
В ходе вычислений было выявлено, что если частицы имеют радиус в диапазоне 10-1000 нм, то время седиментации достигает очень большие значений из-за больших показателей вязкости. В таблице 1 приведены расчеты скорости и времени седиментации сферических частиц СиО в жидких кристаллах в системе лецитин - жирное растительное масло - эфирное растительное масло - вода. Время оседания частицы рассчитано на 1 см.
Таблица 1. Скорость седиментации сферических частиц CuO в жидком кристалле
Радиус частицы, нм Скорость седиментации, нм/с Время оседания частицы на 1 см
10 1,78^10-15 5,61 • 1014 с
100 1,78^10-13 5,61 • 1012 с
1000 1,78^10-11 5,61 • 1010 с
Из значений, полученных в ходе расчета оседания частиц в жидком кристалле, можно сделать вывод, что частицы внутри структуры композита будут оседать чрезвычайно долго. 1 год - это примерно 3,15107 с, а для частиц в 1000 нм получены значения порядка 5,6-1010 с, т.е. даже микронные частицы оседать будут в течение 1000 лет.
Полученные данные свидетельствую о возможности включения частиц СиО различных размеров в жидкие кристаллы в системе лецитин -жирное растительное масло - эфирное растительное масло - вода с целью создания композиции, обладающей бактерицидными свойствами. Это подтверждает целесообразность использования жидких кристаллов лецитина как носителей для лекарственных веществ в виде твердых частиц микронного и субмикронного размера.
Список литературы
1. Мурашова Н.М., Купцова М.Ю. Мицеллы, микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы как перспективные функциональные наноматериалы для химической технологии // Химическая промышленность сегодня. 2019. №6. с. 64-69
2. Мурашова Н.М., Трофимова Е.С., Юртов Е.В. Динамика научных публикаций по применению наночастиц и наноструктур для адресной доставки лекарственных веществ // Наноиндустрия. 2019. Т.12. № 1 (87). С. 24-38
3. T. Madheswaran, M. Kandasamy, R.J. Bose, V. K aruppagounder. Current potential and challenges in the advances of liquid crystalline nanoparticles as drug delivery systems // Drug Discov. Today, 24 (2019), pp. 1405-1412.
4. Мурашова Н.М., Костюченко М.Ю., Бизюкова А.Н., Юртов Е.В. Жидкокристаллическая композиция для трансдермальной доставки биологически активных веществ. Патент RU № 2623210 (Россия) от 19.04.2016.
5. A. Krol, P. Pomastowski, K. Rafinska, V. Railean -Plugaru, B. Buszewski. Zinc oxide nanoparticles: synthesis, antiseptic activity and toxicity mechanism // Adv. Colloid Interf. Sci., 249 (2017), pp. 37-52.
6. Мурашова Н.М., Дамбиева А.А., Юртов Е.В. Влияние нано- и микрочастиц оксида железа (III) на вязкость ламеллярных жидких кристаллов лецитина // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2016. Т. 59. Вып. 5. с. 41-46.
