CC BY
3
УДК 544.77
Токарева Т.С., Шулаев С.В., Мурашова Н.М.
ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ CeO2 НА ВЯЗКОСТЬ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ЛЕЦИТИН - СМЕСЬ МАСЕЛ - ВОДА
Токарева Татьяна Сергеевна, студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: [email protected]
Шулаев Сергей Валерьевич, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: [email protected]; Мурашова Наталья Михайловна, к.х.н., доцент, преподаватель кафедры наноматериалов и нанотехнологии, email: [email protected];
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе исследовано влияние наночастиц оксида церия (IV) на вязкость жидких кристаллов в системе лецитин - масло авокадо - масло чайного дерева - вода. Показано, что при введении даже малых концентраций наночастиц оксида церия вязкость жидкокристаллической системы возрастает. При повышении концентрации частиц до 0,3 мас. % вязкость жидких кристаллов увеличивалась более чем в 2,5 раза по сравнению с контрольным образцом.
Ключевые слова: ламеллярные жидкие кристаллы, оксид церия (IV), лецитин, вязкость, нанокомпозит
WHAT IS THE EFFECT OF CeO2 NANOPARTICLES ON THE VISCOSITY OF LIQUID CRYSTALS IN THE LECITHIN - OIL - WATER SYSTEM
Tokareva T.S., Shulaev S.V., Murashova N.M.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
The effect of cerium (IV) oxide nanoparticles on the viscosity of liquid crystals in the lecithin - avocado oil - tea tree oil-water system was investigated. It is shown that with the introduction of even small concentrations of cerium oxide nanoparticles, the viscosity in the liquid crystal system increases. When the particle concentration increases to 0.3 wt. % viscosity of liquid crystals increased by more than 2.5 times compared to the control sample. Keywords: lamellar liquid crystals, cerium (IV) oxide, lecithin, viscosity, nanocomposite
Самоорганизующиеся наноструктуры
поверхностно-активных веществ являются
высокоперспективными материалами для медицины и химической технологии. К ним относятся мицеллы, микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы, в том числе образованные лецитином. Жидкие кристаллы представляют собой термодинамически стабильные наноструктуры, они характеризуются простотой методов получения и обладают высокой стабильностью при хранении. Лиотропные жидкие кристаллы, образованные лецитином, могут
использоваться в медицине в качестве носителей для адресной доставки лекарственных веществ [1]. Например, для трансдермальной доставки лекарственных веществ была предложена жидкокристаллическая композиция в системе лецитин - масло авокадо - эфирное масло чайного дерева -вода [2].
Лецитин - поверхностно-активное вещество природного происхождения, он является фосфолипидом. Чаще всего лецитин получают из сои. Лецитин относится к цвиттер-ионным поверхностно-активным веществам, поэтому повышает проницаемость рогового слоя эпидермиса и имеет мягкое дерматологическое воздействие.
Жидкокристаллические носители позволяют включать в свой состав твердые частицы, в том числе наноразмерные. Жидкие кристаллы обладают высокой вязкостью, что препятствует седиментации твердых частиц.
Перспективы использования
нанокристаллического диоксида церия для воздействия на биологические системы определяются двумя основными факторами: присущей данному материалу высокой кислородной нестехиометрией и его низкой токсичностью [3]. В работе [4] были изучены солнцезащитные характеристики диоксида церия и продемонстрирован потенциал исследований нанокристаллического диоксида церия и его композиций в качестве компонента косметических средств. Также наночастицы диоксида церия рассматриваются как ранозаживляющие компоненты в составе медицинских повязок [4].
Наночастицы способны влиять на физико-химические свойства жидких кристаллов. Ранее было изучено влияние нано- и микрочастиц оксида железа (III) на вязкость ламеллярных жидких кристаллов лецитина [5]. Показано, что введение наночастиц в низких концентрациях, порядка сотых долей процента, увеличивает вязкость жидких кристаллов лецитина.
Целью работы является исследование влияния наночастиц CeO2 на вязкость жидкокристаллической композиции в системе лецитин - жирное растительное масло - эфирное масло - вода, предназначенных для медицинского применения.
Жидкие кристаллы в системе лецитин - жирное растительное масло - эфирное растительное масло -вода получали в соответствии с разработанной ранее методикой [2]. Частицы CeO2 были получены золь-гель методом. Средний размер частиц составлял 147 ±
34 нм (рис.1). В образце присутствовало также небольшое количество микрочастиц со средним
размером 0,75 мкм.
25
¿20 а и
и " 15
и
5 10 §
Ч 5 о J И
О
О 200 400 600 800 1000 1200
Размер, нм
Рис.1. Гидродинамический диаметр частиц CeÜ2
Навески наночастиц вводились в воду с добавлением 0,1% лецитина, который использовался для предотвращения агрегации и седиментации частиц. Полученную смесь обрабатывали ультразвуковым воздействием в течение 5 минут. Затем добавляли необходимую навеску лецитина и перемешивали при комнатной температуре 60 минут. Получение масляной фазы проводили по методике [2].
Исследование текстуры образцов проводили с помощью метода оптической поляризационной микроскопии. Все изученные образцы имели ламеллярную структуру.
Были исследованы кривые течения с помощью
вискозиметра Haake Viscotester iQ при температуре 25
°С и 37°С в режиме контролируемой скорости сдвига
в интервале скоростей сдвига 0,01-1 с"1. На рис. 2
приведена зависимость вязкости от скорости сдвига
для образцов, содержащих от 0,01 до 0,3 мас.%
наночастиц оксида церия (IV) при температуре 25 °С.
В ходе работы было определено, что кривые течения
всех образцов соответствуют псевдопластическим
неньютоновским жидкостям, вязкость снижается в
сотни раз с увеличением скорости сдвига. Вязкость
жидких кристаллов увеличивается с повышением
концентрации наночастиц: например, при скорости
сдвига 0,017 с-1 при введении 0,01 мас.% наночастиц
оксида церия (IV) вязкость жидких кристаллов в
системе лецитин - масло авокадо - масло чайного
дерева - вода увеличивается в 2,27 и 2,06 раза при 300D0
25000
U
*« 2 00 00 К
^ 15000
¿ 10000
сс
5000
25°С и 37°С соответственно по сравнению с контрольным образцом. При добавлении 0,03 мас.% вязкость увеличивается в 2,64 и 2,68 раз. При добавлении 0,1 мас.% - в 2,92 и 2,70 раз. При добавлении 0,3 мас.% вязкость увеличивается в 2,93 и 2,88 раза. Кривые течения и зависимость вязкости от концентрации частиц, полученные при 37 °С, имеют аналогичный вид (рис.3).
35000
30000
О 25000
*
га
Е 20000
А
и (J 15000
« 10000
М
5000
0,01 ОД 1
Скорость сдвига, 1/с Рис. 2. Кривые течения образцов жидких кристаллов, содержащих частицы Се02. Концентрация Се02 мас.%: 1 - 0 (контрольный образец); 2 - 0,01; 3 -0,03; 4 - 0,1; 5 - 0,3. Т=25°С
Скорость сдвига, 1/с Рис. 3. Кривые течения образцов жидких кристаллов,
содержащих частицы Се02. Концентрация Се02, мас.%: 1 -0 (контрольный образец); 2 - 0,01; 3 - 0,03; 4 - 0,1; 5 - 0,3. Т=37°С
10000
(d
а оой
6000
4000
X 2000
pq
А Б
Рис.4. Вязкость образцов жидких кристаллов при скорости сдвига а) 0,017 с-1; б) 0,055 с-1 содержащих наночастицы Се02. Концентрация Се02, мас.%: 1- контрольный образец,; 2 - 0,01; 3 - 0,03; 4 - 0,1; 5 - 0,3;
Т=25°С
Результат эксперимента показал, что при введении наночастиц оксида церия в концентрациях в десятые доли процента вязкость жидких кристаллов в системе лецитин - масло авокадо - масло чайного дерева - вода возрастает более чем в 2,5 раза как при 25 °С, так и при 37°С (рис.4). Это свидетельствует, что данные частицы хорошо распределяются в объеме образца. Вероятно, они встраиваются в пространственную структуру жидких кристаллов, играя роль «мостиков» между бислоями лецитина. Аналогичные результаты ранее были показаны для наночастиц Fe2O3 размером 10-20 нм. При введении таких наночастиц в концентрации 0,1 мас.% в жидкие кристаллы в системе лецитин - вода вязкость увеличивалась по сравнению с контрольным образцом на 35-60%. В системе лецитин - додекан -вода вязкость жидких кристаллов, содержащих 0,05 мас.% тех же наночастиц, была на 15-20% выше, чем вязкость контрольного образца [5].
Таким образом, при разработке медицинских средств на основе жидких кристаллов лецитина, содержащих наночастицы CeO2,, необходимо учитывать влияние вводимых наночастиц на вязкость всей композиции.
Список литературы
1. Мурашова Н.М., Трофимова Е.С., Костюченко М.Ю., Мезина Е.Д., Юртов Е.В. Микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы лецитина как системы для трансдермальной доставки лекарственных веществ // Российские нанотехнологии. - 2019. - Т.14, № 1-2. - С.69-75
2. 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.
3. Иванов В. К., Щербаков А. Б., Усатенко А. В. Структурно-чувствительные свойства и биомедицинские применения нанодисперсного диоксида церия //Успехи химии. 2009. Т. 78. №. 9. с. 924-941.
4. Колесник, И. В., Щербаков, А. Б., Козлова, Т. О., Козлов, Д. А., Иванов, В. К. Сравнительный анализ солнцезащитных характеристик нанокристаллического диоксида церия //Журнал неорганической химии. 2020. Т. 65. №. 7. с. 872-879.
5. 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.
