CC BY
57
УДК 613.2.038
1В.С. Валиев, 2Ю.А. Тунакова, 3Р.И. Файзуллин, 1Д.В. Иванов
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected] 2Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, [email protected]
3Казанский (Приволжский) федеральный университет, [email protected]
возможности применения композитных СОРБцИОННых МАТЕРИАЛОВ и сравнительный анализ их эффективности при экспериментальном моделировании сорбционных условий
Представлены результаты экспериментального исследования сорбционной емкости различных композитов энтеросорбентов. Отмечено преимущество использования молочной сыворотки в качестве модельного раствора. Установлена особая эффективность биополимерных сорбентов в сочетании с неорганической матрицей.
Ключевые слова: энтеросорбция; адсорбция; микроэлементы; биополимеры; изотермы Ленгмюра; молочная сыворотка.
Введение
В условиях городской среды человек подвергается воздействию повышенных концентраций различных микроэлементов, поступающих в его организм в основном через желудочно-кишечный тракт. Каждый день в желудочно-кишечный тракт поступает до 7-8 л крупномолекулярных фильтратов крови, смешанных с активно секре-тируемыми компонентами, причем в норме около 96% этого объема вновь реабсорбируется в кровь, попадая в систему воротной вены печени. Поэтому присутствие в просвете желудочно-кишечного тракта веществ, препятствующих реаб-сорбции, способно значительно сократить энте-ро-гепатическую циркуляцию желчных кислот, аминокислот, гормонов, липидов, лекарственных препаратов, в том числе и металлов (Хотимченко, Ермак, Бедняк, 2005). Введение в полость кишечной трубки различных веществ как естественного, так и искусственного происхождения, обладающих адсорбционной активностью, с целью направленной трансформации внутренней среды организма, ведущей к определенным функциональным преобразованиям и, в конечном итоге, к восстановлению общей реактивности организма, называется энтеросорбцией (Григорьев, Ми-тянин, Гаврилин, 1995). Энтеросорбция как эффективный способ выведения из организма токсичных продуктов жизнедеятельности, токсинов, микробных и вирусных частиц, металлов уже превратилась в самостоятельный и незаменимый в целом ряде случаев метод эфферентной терапии (Бородин, Сидорова, 1999; Виноградова, 1998; Жилякова, 1995). Обширные исследования в области энтеросорбции проведены как отечествен-
ными (Беляков, 1991; Дудкин, Щелкунов, 1997), так и зарубежными исследователями (Bradberry, 1995; Eastwood, 1992).
В последние годы на фармацевтическом рынке появилось много лекарственных препаратов, биологически активных добавок, которые объединяются производящими и торгующими организациями под единым названием «сорбенты», подразумевая применение этих препаратов для целей энтеросорбции. Имеющиеся в литературе сведения о сорбентах нередко отражают лишь оценку клинической эффективности, тогда как информации об их сорбционной емкости крайне недостаточно. Исследования, проведенные в этой области, рассматривали сравнительную эффективность сорбентов различной природы по отношению в основном к тест-сорбатам: метиле-новый синий (низкомолекулярный сорбат), сульфат стрихнина (среднемолекулярный сорбат), раствор эндотоксина Salmonella abortus (высокомолекулярный сорбат) (Щербаков, Петухов, 2005; Урсова, 2006). В этих исследованиях практически отсутствуют сведения об эффективности сорбции различных энтеросорбентов по отношению к солям различных металлов.
Открытым остается также и вопрос об эффективности энтеросорбции микроэлементов в условиях «in vivo», так как модельные растворы, рекомендуемые для определения сорбционной емкости, представляют собой, как правило, водные или кислотные моно- и поликатионные растворы, не учитывающие сложный состав дуоденального содержимого, т.е. той среды, в которой и происходит сорбция в живом организме (Решетников, 2003; Беляков, 1991). Другим, не менее важным,
остается вопрос оптимального состава сорбентов для выведения из организма тех или иных соединений и, в частности, токсичных микроэлементов.
Целью настоящего исследования явилась оценка сорбционной емкости различных материалов, широко применяемых в качестве энтеросорбен-тов, а также поиск оптимальных их сочетаний, способных выводить из организма токсичные металлы с учетом физиологического значения их содержания в организме человека.
Материалы и методы
Суть эксперимента состояла в моделировании условий внутренней среды организма человека, в получении различных композитов неорганических и биополимерных сорбентов, а также оценке их сорбционной емкости по отношению к различным металлам.
Для моделирования сложного состава дуоденальной среды в работе использовали молочную сыворотку, которая представляет собой сложную многокомпонентную матрицу, состоящую из воды с растворенными в ней минералами и органической фракции (белки, углеводы, жиры и витамины). На наш взгляд, результаты, полученные с использованием таких многокомпонентных растворов, более объективно отражают эффективность сорбентов, обобщая и интегрируя сложный состав различных жидкостей организма человека и моделируя условия его внутренней среды.
В качестве неорганических сорбентов в экспериментах использовали следующие препараты:
«Смекта» - препарат природного происхождения на основе диосмектита (диоктаэдрического смектита).
«Полисорб МП» - препарат на основе мелкодисперсного диоксида кремния (кремнезема).
Перспективную группу веществ, обладающих прекрасными сорбционными свойствами, составляют некрахмальные полисахариды (Хотимчен-ко, 2005), к которым относятся альгинаты и фуко-иданы морских бурых водорослей, каррагинаны красных водорослей, хитин и его производное хитозан морских ракообразных, а также пектины морских трав и наземных растений. Все некрахмальные полисахариды объединены общим свойством: в желудочно-кишечном тракте они не гидролизуются амилазами слюнных и панкреатических желез и не абсорбируются из кишечника в кровь, однако в толстой кишке подвергаются деградации под действием ферментов бактериальной микрофлоры. Уникальным свойством этих полисахаридов является способность поглощать большое количество воды и в присутствии двух-
валентных ионов металлов образовывать гели. В основе способности некрахмальных полисахаридов к сорбции ионизированных молекул лежит механизм гелеобразования (Николаев, 1982).
Из биополимеров в экспериментах использовали:
«хитозан» - полисахарид (полимер Р-(1—>4)-2-ацетамидо-2-дезокси^-глюкопиранозы), выделенный из панциря камчатского краба Paralithodes camtschatica. Молекула хитозана содержит в себе большое количество свободных аминогрупп, что позволяет ему связывать ионы водорода и приобретать избыточный положительный заряд; хороший катионит, способный связывать и прочно удерживать ионы различных металлов, в том числе и радиоактивные изотопы, а также токсичные элементы.
«Микотон» - энтеросорбент на основе натуральных грибных биополимеров: хитина, глюка-нов и меланинов. Состав: хитин - 70%, Р-глюканы ф-1,3- и Р-1,6-глюканы) - 20%, меланиновые пигменты - 10%.
Модельные растворы металлов готовили соответствующим разведением стандартных образцов (ГСО) металлов в молочной сыворотке. Соответственно было приготовлено 2 серии растворов солей металлов (Cd, 2п, Fe, Си) в конечных концентрациях 0.5-1.0-1.5-2.0 мг/л.
Подбор аналитических диапазонов концентраций растворов металлов основан на физиологической значимости их содержания в организме человека. Для кадмия были взяты повышенные концентрации в связи с высокой сорбционной емкостью анализируемых энтеросорбентов по отношению к этому элементу.
Получение комбинированных энтеросорбен-тов. Композит получали путем смешивания предварительно подготовленных растворов структурообразующей матрицы («Полисорб МП», «Смекта») и того или иного биополимера, взятых в объемах однократного применения, рекомендуемых производителем. Таким образом, расчетные навески композитных материалов распределились в следующей пропорции: «Полисорб МП» - 1 г, «Смекта» - 3 г, «Хитозан» - 0.45 г, «Микотон» - 0.5 г.
В качестве исследуемых композитных материалов были приготовлены следующие сочетания энтеросорбентов: «Смекта»+«Хитозан», «Смекта»+«Микотон», «Полисорб»+«Хитозан», «Полисорб»+«Микотон», «Смекта»+«Хитозан»+ +«Микотон»и«Полисорб»+«Хитозан»+«Микотон».
Композиты приготавливались смешиванием рекомендуемых суточных количеств каждого сорбента. Равномерность смешивания достигалась предварительным изготовлением водных суспен-
1/2015
77
Таблица. Эффективность сорбции различных металлов комбинированными энтеросорбентами в пересчете на 1 г сорбента (мкг/г)
Композиты и концентрации модельного раствора, мкг/мл Cd Zn Fe Cu
«Полисорб МП» + «Микотон» 0.5 12.5 12.1 11.5 12.3
1.0 26.1 25.2 21.6 25.6
1.5 36.4 33.7 34.8 37.8
2.0 34.5 33.5 47.6 49.4
«Смекта» + «Микотон» 0.5 6.5 6.3 4.9 6.6
1.0 12.2 12.0 10.76 12.9
1.5 17.1 17.5 16.0 19.4
2.0 24.3 24.3 24.4 25.9
«Полисорб МП» + «Микотон» + «Хитозан» 0.5 6.8 6.7 7.1 7.3
1,0 18.9 18.7 17.8 19.1
1,5 28.4 28.3 28.3 28.6
2,0 37.3 37.0 37.4 37.4
«Полисорб МП» + «Хитозан» 0.5 4.2 4.8 6.5 6.5
1.0 10.4 11.1 15.7 16.3
1.5 18.85 15.9 24.3 24.7
2.0 24.23 24.1 31.6 32.2
«Смекта» + «Микотон» + «Хитозан» 0.5 5.0 4.8 4.2 5.1
1.0 10.7 10.5 9.97 10.8
1.5 15.8 16.0 15.2 16.1
2.0 21.3 20.9 20.6 21.4
«Смекта» + «Хитозан» 0.5 5.9 5.9 2.8 6.1
1.0 26.2 25.5 24.7 27.1
1.5 39.1 38.9 38.5 38.0
2.0 54.8 55.2 56.5 56.9
V, V2 - объемы растворов до и после сорбции, мл;
m - масса сорбента (навеска), г. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ Statistica 8.0.
По полученным данным построены изотермы Ленгмюра, отражающие зависимость между количеством адсорбированного металла и равновесными концентрациями металла в растворах.
зии взаимодействующих материалов и их слиянием в общем растворе. Полученный комплекс тщательно перемешивали и отфильтровывали через фильтр «синяя лента», осадок высушивали и использовали в эксперименте.
Для оценки сорбционной способности сорбентов навески полученных композитов помещали в мерные колбы и заливали 10-кратным объемом (50 мл) модельных растворов заданной концентрации, постоянно встряхивали в течение 1 часа, отстаивали в течение суток и отфильтровывали через фильтр «синяя лента».
Остаточные концентрации металлов в растворах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе Analyst 400. Результат пересчитывали на абсолютное количество адсорбированного металла (Qme) по формуле (Во-дяницкий, 2000; Самохин, 2002) (см. табл.):
где С, С2 - концентрации металла до и после сорбции, мкг/мл;
Результаты и их обсуждение
Прежде всего, была проведена оценка сорбционной способности комбинированных энтеросорбентов в отношении различных металлов в многокомпонентной среде, моделирующей сложный состав дуоденальной среды. Результаты приведены в таблице.
По всем исследуемым композитным материалам в заданном диапазоне концентраций растворов установлено отклонение от классической изотермы адсорбции для всех четырех исследуемых металлов (рис. 1, 2), при этом для двухвалентных металлов и переходных металлов характер изотерм несколько отличался.
Сорбционный материал из смеси «Поли-сорб МП + Микотон» очень хорошо адсорбирует железо (сорбционная емкость 47.6 мкг/г) и медь (сорбционная емкость 49.4 мкг/г). Анализ изотерм Ленгмюра также показал отклонение от хода классической изотермы сорбции: наблюдается почти прямо пропорциональная зависимость между концентрацией ионов меди и железа в растворе и количеством сорбируемого металла (рис. 2).
Для изотерм сорбции кадмия и цинка вначале характерен линейный участок, но при достаточно высоких концентрациях количество адсорбированного вещества не изменяется с повышением концентрации, что соответствует насыщению поверхности сорбента молекулами адсорбируемого вещества (рис. 1).
Композиты «Смекта + Микотон» и «Смекта + + Микотон + Хитозан» продемонстрировали невысокую эффективность по отношению ко всем исследуемым металлам. Интересно отметить, что вопреки ожиданиям сорбционная емкость композита «Смекта + Микотон + Хитозан» оказалась ниже, чем у смеси «Смекта + Микотон». Такой эффект объясняется активным взаимодействием «Микотона» и «Хитозана» друг с другом в присутствии смектита, с образованием на месте кон-
Рис. 1. Сорбционная эффективность исследуемых композитов как энтеросорбентов в отношенни кадмия и цинка в молочной сыворотке, моделирующей состав дуоденальной среды
такта частиц этих сорбентов инактивированного полимолекулярного слоя, инертного по отношению к ионам металлов.
Использование «Смекты» в сочетании с «Мико-тоном» и «Хитозаном» не дает возможности для получения хорошего комплексного энтеросорбен-та. Однако при замене «Смекты» на другой неорганический сорбент - «Полисорб МП» данная композиция демонстрирует неплохую эффективность, особенно по отношению к двухвалентным металлам.
Наиболее выраженный эффект адсорбции металлов получен на парных композитах: «Смекта+Хитозан» и «Полисорб+Микотон». Адсорбция переходных металлов этими сорбентами носила характер, максимально приближенный к линейному, во всем диапазоне анализируемых концентраций, но двухвалентные металлы наиболее эффективно адсорбировались композитом «Смекта+Хитозан». Пористая, листовидная структура смектита обеспечивает однородность смеси, распределяя хитозан равномерно по всему объему композита, тем самым увеличивая сорбционную поверхность и улучшая условия для гелеобразования.
Смекта+Хитозан
Концентрация ре в растворе, мкг/мл
Смекта+Хитозан
Концентрация Си в растворе, мкг/мл
Рис. 2. Сорбционная эффективность исследуемых
композитов как энтеросорбентов в отношении железа и меди в молочной сыворотке, моделирующей состав дуоденальной среды
Заключение
Таким образом, молочная сыворотка оказалась эффективным экспериментальным материалом, моделирующим сложный состав биосред организма. В среде, смоделированной с использованием растворов молочной сыворотки, сорбцион-ная емкость разных сорбентов по отношению к разным металлам неодинакова. Это обстоятельство формирует идею о повышении эффективности энтеросорбции металлов за счет создания из нескольких сорбентов специальных композитов. Парные композитные сорбционные материалы «Смекта+Хитозан» и «Полисорб+Микотон» продемонстрировали высокую эффективность адсорбции, которая обеспечивается удачным сочетанием пористой структуры неорганического сорбента и активных лигандов молекулярного слоя биополимера.
Работа выполнена в рамках государственной программы повышения конкурентоспособности Казанского (Приволжского) федерального университета среди ведущих мировых научно-образовательных центров и субсидии, выделенной Ка-
1/2015
79
занскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности.
Список литературы
1. Беляков Н.А. Энтеросорбция. Л., 1991. 336 с.
2. Бородин Ю.И., Сидорова Т.И., Савицкая И.В., Горчаков
B.Н., Асташова Т.А., Колпаков М.А. и др. Комплекс эндо-экологических методов реабилитации в условиях санатория. Новосибирск: Манускрипт, 1999. 50 с.
3. Виноградова М.В., Андросов В.П., Савицкая И.В. Применение метода энтеросорбции у больных с поражением щитовидной железы, сопровождающимся гипотиреозом, на курорте Белокуриха // Проблемы лимфологии и эндоэко-логии / Матер. междунар. симпозиума. Новосибирск, 1998.
C. 69-70.
4. Водяницкий Ю.Н., Рогова О.Б., Пинский Д.Л. Применение уравнений Лэнгмюра и Дубинина-Радушкевича для описания поглощения меди и цинка дерново-карбонатной почвой // Почвоведение. 2000. № 11. С. 1391-1398.
5. Григорьев В.Н., Митянин А.В., Гаврилин В.Н., Илларионов В.Н., Майбородин И.В. Концепция взаимодействия эн-теросорбентов с внутренней средой организма // Проблемы сорбционной детоксикации внутренней среды организма / Матер. междунар. симпозиума. Новосибирск, 1995. С. 84-86.
6. Дудкин М.С., Щелкунов Л.Ф. Об использовании термина «пищевые волокна» и их классификация // Вопросы питания. 1997. № 3. С. 42-43.
7. Жилякова Л.В., Коваленко Т.С., Викторова Е.В., Булатова З.Н., Тырышкина Г.М., Савицкая И.В., Волхонская Т.Б. Энтеросорбция в комплексном лечении детей с атопическим дерматитом // Проблемы сорбционной детоксикации внутренней среды организма. Новосибирск, 1995. С. 112-113.
8. Запруднов А.М., Мазанкова Л.Н., Харитонова Л.И. Перспективы применения энтеросорбентов у детей с заболеваниями органов пищеварения // Российский вестник пери-натологии и педиатрии. 1995. Т. 40. № 5. С. 42-47.
9. Николаев В.Г., Стрелко В.В., Коровин Ю.Ф. и др. Теоретические основы и практическое применение метода энте-росорбции // Сорбционные методы детоксикации и иммуно-коррекции в медицине / Тез. докл. Харьков, 1982. С. 112-114.
10. Решетников В.И. Оценка адсорбционной способности энтеросорбентов и их лекарственных форм // Химико-фармацевтический журнал. 2003. Т. 37. № 5. С. 28-32.
11. Самохин А.П., Крыщенко B.C., Минкина Т.М., Сшато-вой А.А. Изотермы адсорбции цинка, меди и свинца черноземом обыкновенным при монометалльном и полиметалль-ном загрязнении // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде // Докл. II Междунар. научно-практ. конф. Семипалатинск: СГУ им. Шакарима, 2002. Т. 1. С. 365-369.
12. Урсова Н.И. Дисбактериозы кишечника у детей. М., 2006. 239 с.
13. Хотимченко Ю.С., Ермак И.М., Бедняк А.Е., Хасина Э.И., Кропотов А.В., Коленченко Е.А., Сергущенко И.С., Хотимченко М.Ю., Ковалев В.В.. Фармакология некрахмальных полисахаридов // Вестник ДВО РАН. 2005. № 1. C. 72-82.
14. Щербаков П.Л., Петухов В.А. Сравнительная эффективность энтеросорбентов при диарее у детей // Вопросы современной педиатрии. 2005. Т. 4. № 4. С. 86-90.
15. Bradberry S.M., Vale J.A. Multiple-dose activated charcoal: a review of relevant clinical studies // J. Toxicol. Clin. Toxicol. 1995. V. 33, N 5. P. 407-416.
16. Eastwood M.A., Morris E.R. Physical properties of dietary fiber that influence physiological function: a model for polymers along the gastrointestinal tract // Am. J. Clin. Nutr. 1992. V. 55, N 2. P. 436-442.
V.S. Valiev, Y.A. Tunakova, R.I. Faizullin, D.V. Ivanov. Possible applications of composite materials sorption and comparative analysis of their effectiveness in experimental modeling of sorption conditions
An experimental study of the sorption capacity of various composites enterosorbents. The advantages of using whey as a test solution. Particularly effective set of biopolymer adsorbents in combination with an inorganic matrix.
Keywords: enterosorption; adsorption; metals; biopolymers; Langmuir isotherm; whey product.
