Stabilization of silver iodide sols particles by acetate and N-scucinil of chitosan

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Широко известно, что коллоидное серебро и его соединения, в частности нитрат серебра, являются хорошими антимикробными препаратами и давно применяются в медицине [1]. В настоящее время особое внимание уделяется разработке разнообразных лекарственных форм (растворов, суспензий, гелей, мазей, ранозаживляющих покрытий) на основе коллоидного серебра и его соединений с полимерными добавками. В таких композициях роль полимерного компонента не ограничивается ролью связующего или стабилизатора коллоидных частиц. Также полимерный компонент выступает в роли пролонгатора и может обладать собственной биологической активностью, например бактериостатической, что существенно сказывается на эффективности и области применения подобных препаратов. Так, комплексы коллоидного серебра с полисахаридами (крахмал, декстрин) были заявлялены в качестве антисептических средств задолго до появления на рынке сульфадиазина серебра [2]. Или, например, предшественниками хорошо известного антисептического препарата сульфадиазин серебра были комплексы коллоидного серебра с крахмалом и декстрином [2]. Хорошо известная мазь “Гидропент”, применяемая для лечения инфицированных ран разной этиологии, содержит коллоидное серебро, поли-N-винилпирролидон и гель полиэтиленоксида-1500 в качестве основы [3, 4].

В последнее время широкое распространение получают готовые перевязочные материалы, содержащие коллоидное серебро [5], которые обладают улучшенными антимикробными и ранозаживляющими свойствами и при этом не изменяют флору более глубоких тканей [6–8]. Дальнейшее развитие функциональности перевязочных материалов, согласно Райту с соавт. [9], заключается в придании им дополнительных свойств, отличных от антимикробных, с целью ускорения заживления ран. Например, предложен перевязочный материал, который наряду с антимикробными свойствами способен удалять из зоны обработки продукты метаболизма бактерий и нейтрализует эндотоксины, образующиеся при гибели клеток [10]. С этой точки зрения особые перспективы открываются при использовании для стабилизации коллоидных частиц серебра и его соединений хитозана (ХТЗ) и его производных, например N-cукцинила хитозана, так как данные полисахариды при создании современных ранезаживляющих покрытий обладают очень ценными свойствами: биосовместимостью с тканями организма, бактериостатичностью, способностью к биодеградации и сорбции ранеотделяемой жидкости, и к тому же имеют удовлетворительные геле- и пленкообразующие свойства [11–18].

Применение галогенидов серебра в качестве антисептических препаратов в токсикологическом плане имеет ряд существенных преимуществ перед водорастворимыми солями серебра. Если разовая доза для взрослого человека в 10 г AgNO₃ (6.35 г в пересчете на серебро) оценивается ВОЗ как летальная (для человека самая низкая доза, вызывающая смерть (LD_LO) равна 29 и минимальная доза, вызывающая гибель всех испытуемых (LD₁₀₀) равна 143 мг/кг [15]), то в случае йодида серебра средняя летальная доза, при которой погибает половина подопытных животных (LD₅₀) составляет >10 000 мг/кг (крысы орально) или >1000 мг/кг (мыши внутрибрюшинно). У йодида серебра также отсутствует канцерогенное и мутагенное действия. Вообще, по сравнению с другими галогенидами, AgI чаще применяется в различных сферах техники и технологии, например, для производства кинофотоматериалов, при управлении погодными явлениями и др.

В связи с вышесказанным, целью данной работы было изучение закономерностей стабилизации коллоидных частиц золей йодида серебра полимерными стабилизаторами – ацетатом хитозана (АХТЗ) и натриевой солью N-cукцинила хитозана (СХТЗ).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Положительно и отрицательно заряженные частицы золя (AgI-1 и AgI-2, соответственно) получали по известной методике [19] путем смешения равно концентрированных (0.01 моль/л) растворов нитрата серебра с йодидом калия в объемном соотношении 10:7 и 7:10 соответственно. В качестве полимерных стабилизаторов частиц золей использовали АХТЗ, полученный из уксуснокислого раствора ХТЗ со степенью деацетилирования 82%, М.м.= 80 000 а.е.м. (ТУ 9289-067-00472124-03), и СХТЗ с М.м.=190 000 а.е.м. со степенью замещения по аминогруппам 75% производства ЗАО “Биопрогресс” (г. Щелково, Россия).

Для получения полимер-коллоидных дисперсий (ПКД) AgI ‒ АХТЗ/СХТЗ смешивали равные объемы раствора АХТЗ или СХТЗ и золя.

Оптическую плотность золей и ПКД на их основе измеряли на концентрационном фотоколориметре КФК-2МП в диапазоне длин волн λ = 340–750 нм с шагом 40 нм при Т = 25 °С Для сравнительной характеристики исследуемых систем использовали значение оптической плотности при длине волны 540 нм. Средняя ошибка измерения оптической плотности составляет 10%.

Для определения среднего радиуса (r, нм) и числа частиц дисперсной фазы в единице объема (N, 1/см³) использовали метод спектра мутности [20, 21].

Определение электрокинетического (ξ)-потенциала и электрофоретической подвижности частиц золей йодида серебра и ПКД проводили методом электрофореза по известной методике [22].

Взаимодействие АХТЗ и СХТЗ с коллоидными частицами AgI изучали потенциометрическим методом с использованием ионселективного электрода марки ЭЛИС-131Ag, обратимого к иодид-ионам. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный электрод марки OP-080Р. Измерения проводили на потенциометре ОР-264/1 при температуре (25 ± 0.1) °С. Температуру поддерживали с использованием термостата UTU 4.

Сигнал индикаторного электрода связан с активностью, а не с концентрацией определяемого иона, в нашем случае ‒ I^–. Для поддержания постоянной ионной силы, а следовательно, и активности ионов все растворы готовили с использованием инертного электролита (0.1 M KNO₃).

Для каждого опыта брали по 7 мл раствора нитрата серебра и 10 мл раствора йодида калия одинаковой нормальности, помещали в колбу на 50 мл и доводили объем до метки раствором фонового электролита.

При изучении взаимодействия золя AgI с полисахаридами брали 7 мл раствора нитрата серебра и 10 мл раствора йодида калия одинаковой нормальности, помещали в колбу на 50 мл, добавляли навеску АХТЗ или СХТЗ в количестве, необходимом для получения массовой доли полимера в 0.01, 0.1, 0.5, 1.0% и оставляли полученную смесь на 3 сут для набухания. Далее раствор доводили до 50 мл фоновым электролитом. Перед началом работы индикаторный электрод активировали путем повторяемых несколько раз измерений в стандартных растворах с различной концентрацией йодид-ионов. Такие измерения проводили до тех пор, пока отклик не стал быстрым и воспроизводимым. Равновесие устанавливалось в течение одной минуты. Градуировку электрода проводили по четырем растворам KI, полученным последовательным разбавлением 0.1 М раствора KI раствором KNO₃. В диапазоне концентраций KI от 0.00002 до 0.02 моль/л наблюдается линейная зависимость потенциала индикаторного электрода (Е) от активности йодида калия (рС). Тангенс угла наклона прямой на графике в координатах E-рC несколько отличается от теоретической величины, составляющей 0.059 и равен 0.061, т.е. наблюдаемая зависимость является гипернернстовской. Так как значение нернстовского коэффициента отличается от теоретической величины только на 2 мВ, электрод можно считать обратимым к йодид-ионам [23].

Динамическую вязкость определяли с помощью вискозиметра Уббелоде при (25.0±0.1) °С. Значения относительной вязкости (η_отн) рассчитывали как отношение времени истечения раствора полимера к времени истечения растворителя. Удельную вязкость (η_уд) рассчитывали по формуле:

η_уд = 1 – η_отн.

Для расчета значений характеристической вязкости растворов полимеров [η]* использовали подход Баранова [23], который позволяет исключить эффект полиэлектролитного набухания. Значение вязкости в каждой точке кривой зависимости lnη_отн от концентрации полимера в растворе рассматривается как “текущее значение характеристической вязкости” [24], поэтому справедливо равенство:

${\left[\eta \right]}^{\ast }=\frac{d\ln {\eta }_{\text{отнí}}}{dC}.$ (1)

При С → 0 величина [$\eta$]^* соответствует начальному наклону зависимости ln(η_отн) от С и совпадает с величиной характеристической вязкости [η], описывающей поведение изолированной макромолекулы. Относительная погрешность измерения не превышала 5%.

Для подтверждения протекания агрегационных процессов использовали следующие рассуждения. При описании вязкостных свойств разбавленных растворов, как правило, исходят из линейной зависимости приращения вязкости от концентрации полимерного раствора. Однако в случае полярных полимеров существует вероятность протекания обратимых агрегационных процессов, которые могут иметь место не только в области полуразбавленных, но даже и в области разбавленных растворов. В этом случае вклад в вязкость вносят не отдельные частицы с объемом V₀, а их агрегаты, объем которых V(n) зависит не только от числа составляющих его частиц n, но и от плотности их упаковки, характеризуемой фрактальной размерностью D:

$V\left(n\right)=V_0\cdot n^{3/D},$ (2)

В результате неплотной упаковки частиц в агрегате их вклад в вязкость начинает зависеть от концентрации нелинейно:

$\Delta \eta ~{\eta }_0{C}^{\delta },\delta >\mathrm{1,}$ (3)

Следовательно, любое отклонение показателя δ от единицы свидетельствует о том, что данная система является структурированной. При этом обработка экспериментальных зависимостей удельной вязкости полимер-коллоидных дисперсий от концентрации в двойных логарифмических координатах позволяет определить степенной показатель δ в зависимости (3) и фактически определить аналогично “текущему значению характеристической вязкости” и “текущее значение агрегированности системы” [24].

За время потери устойчивости золя, τ, принимали время, по достижении которого ПКД претерпевает фазовое разделение, выражающееся в уменьшении оптической плотности системы вследствие осветления верхнего слоя.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Агрегативная устойчивость ПКД на основе систем лиофобных золей и водорастворимых полимеров, образующих защитные экраны вокруг неорганических наночастиц, зависит от размера частиц золя, распределения частиц по размерам и числа частиц. В работе [25] проведено определение условий получения положительно и отрицательно заряженных золей йодида серебра с размерами и числовой концентрацией частиц, обеспечивающих возможность применения их в качестве компонентов гибридных материалов медицинского назначения, и установлено, что в качестве оптимальной можно рассматривать систему, образующуюся при смешении исходных растворов KI и AgNO₃ с концентрацией 0.01 моль/л при объемном соотношении, равном 10 : 7 или 7 : 10. Именно в данном случае получаются частицы с небольшим размером, входящим в интервал истинно-коллоидных систем и обеспечивающим максимально возможную в данных условиях поверхность раздела фаз.

Повышение устойчивости золя AgI-1 с положительно заряженными коллоидными частицами в присутствии поликатиона АХТЗ связано, очевидно, с адсорбцией одноименно заряженных макроионов на частицах дисперсной фазы, сопровождающейся увеличением заряда и потенциала коллоидных частиц. О возможности данного механизма стабилизации говорят как литературные данные [26], так и прямой эксперимент по измерениям электрокинетического потенциала (табл. 1).

Как видно из данных табл. 1, добавление к золю йодида серебра с положительно заряженными частицами поликатиона АХТЗ приводит к закономерному увеличению значения электрокинетического потенциала. Одновременно добавление АХТЗ приводит и к гидрофилизации поверхности частиц золя и связанному с этим повышению устойчивости коллоидной системы. Однако повышение устойчивости золя в присутствии АХТЗ, связанное с превращением частиц золя из гидрофобных в гидрофильные, не должно зависеть от знака заряда коллоидных частиц. Это подтверждается результатами опытов на золе AgI-1 с отрицательно заряженными частицами. При используемых нами для стабилизации золя концентрациях полимера (0.1% и выше) добавление последнего в раствор золя приводит к резкому увеличению стабильности золя.

Очевидно, что причиной повышения агрегативной устойчивости золя йодида серебра является не только гидрофилизация поверхности гидрофобного золя, но и перезарядка коллоидных частиц (табл. 1) – в результате адсорбции макроионов частицы золя меняют свой заряд с отрицательного на положительный. Аналогичные эффекты имеют место и при использовании другого полиэлектролита – полианиона СХТЗ. При использовании данного полианиона происходит перезарядка золя AgI-1 и возрастает электрокинетический потенциал золя AgI-2 с одновременным повышением агрегативной устойчивости золей (рис. 1).

 

Таблица 1. Значения ξ-потенциалов и площади межфазной поверхности золей AgI

Золь	Полимерный стабилизатор	ξ-потенциал, мВ	Площадь межфазной поверхности, нм2/см3
AgI-1(+)	–	+32.0	81·1016
	АХТЗ	+56.6	–
	СХТЗ	-36.2	–
AgI-2(–)	–	-48.1	112 · 1016
	АХТЗ	+48.9	–
	СХТЗ	-56.2	–

Примечание: Концентрация полимера в ПКД 0.1 % масс.

 

Рис. 1. Зависимость времени потери устойчивости золей AgI-1 (1) и AgI-2 (2) от концентрации АХТЗ.

 

Отметим, что смешение золя AgI-1 с положительно заряженными частицами с раствором полианиона СХТЗ приводит к выпадению частиц в осадок вследствие сильного электростатического взаимодействия компонентов. Причем, при смешении противоположно заряженных золей AgI-2 с АХТЗ выпадения осадка не наблюдалось. Различие в поведении систем золь AgI-2 – раствор СХТЗ и золь AgI-2 – раствор АХТЗ (в первом случае образуется осадок, во втором – осадка не образуется) связано, очевидно, с тем, что макромолекулы СХТЗ имеют более высокий суммарный заряд за счет диссоциации групп – COONa по сравнению с диссоциацией ионогенных групп ацетата хитозана. С целью понижения суммарного заряда цепей СХТЗ в предварительно приготовленные растворы полимера в воде (имеющие рН = 7.1–7.2) было добавлено небольшое количество 0.01 Н раствора соляной кислоты с целью доведения рН раствора до значения 6.5. В результате, при смешении «подкисленных» (с рН = 6.5) растворов СХТЗ с золями AgI-1, так же как и в случае стабилизации с помощью АХТЗ, наблюдалось образование устойчивых полимер-коллоидных дисперсий (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость времени потери устойчивости золя AgI-1 (2) и AgI-2 (1) от концентрации СХТЗ.

 

Адсорбция полимеров на поверхности коллоидных частиц подтверждается и данными потенциометрического метода, который часто используют при изучении равновесий в растворах. Этот метод позволяет быстро и с хорошей воспроизводимостью определять равновесные концентрации определяемых ионов.

Как видно из данных рис. 3, на котором представлена градуировочная прямая для ионселективного электрода, обратимого к ионам йода, добавление избытка йодида калия к раствору нитрата серебра для растворов всех изученных исходных концентраций KI приводит к образованию коллоидных растворов AgI и, как следствие, к значительному понижению равновесной концентрации йодида калия. При этом сохраняется линейная зависимость ЭДС ячейки от концентрации йодид-ионов и не изменяется тангенс угла наклона прямой (прямая 2). Добавление раствора АХТЗ к свежесформированному золю приводит к увеличению концентрация свободных йодид-ионов в растворе (прямая 3): она меньше, чем в исходном растворе KI, но больше, чем в коллоидном растворе AgI. Происходящий процесс схематично можно представить следующим образом:

{AgI}I^- + ХТЗ ↔ {AgI}ХТЗ + I^-.

 

Рис. 3. Зависимость ЭДС (Е) от активности йодид-ионов: 1 – раствор KI; 2 – раствор KI+AgNO3; 3 – раствор KI+AgNO3+АХТЗ (концентрация полимера 1%).

 

Увеличение массовой доли АХТЗ в растворе до 0.1% приводит к некоторому повышению равновесной концентрации йодид-ионов. При дальнейшем увеличении массовой доли АХТЗ вид прямых практически не изменяется. Поскольку в эксперименте по изучению агрегативной устойчивости полимер-коллоидной дисперсии значение концентрации, при которой происходила потеря седиментационной устойчивости ПКД, превышало значение 0.1% (рис. 1 и 2), можно предположить, что повышение агрегативной устойчивости при более высоких концентрациях полимера связано не с адсорбцией макромолекул на поверхности золя, а с повышением вязкости раствора при увеличении концентрации полимера, т.е. с возникновением структурно-механического барьера по Ребиндеру.

Аналогичный эффект имеет место и при добавлении раствора СХТЗ: равновесная концентрация йодид-ионов в растворе увеличивается. Данный факт можно объяснить только тем, что адсорбция полимера на поверхности коллоидных частиц сопровождается вытеснением йодид–ионов из адсорбционного слоя в диффузный. Так же, как и в случае АХТЗ, повышение концентрации СХТЗ выше определенного значения слабо сказывается на измерении концентрации йодид ионов.

Тот факт, что смешение золя йодида серебра с растворами полимеров сопровождается образованием ПКД, компоненты которой взаимодействуют между собой, а не представляют собой механические смеси раствора полимера и коллоидной дисперсии, подтверждается и данными оптической спектроскопии, и данными вискозиметрии.

Как следует из данных табл. 2, смешение разбавленных растворов СХТЗ и АХТЗ с золем AgI приводит к увеличению степени структурированности раствора (показателя δ) и уменьшению размеров изолированных макромолекулярных клубков, о чем свидетельствует уменьшение значений характеристической вязкости полимеров. Обращает на себя внимание тот факт, что смешение растворов СХТЗ или АХТЗ в более высоких концентрациях с золями AgI приводит к увеличению значений оптической плотности ПКД выше аддитивных значений (рис. 4 и 5).

 

Таблица 2. Физико-химические характеристики ПКД на основе полисахаридов и золей йодида серебра

Полимер	δ			[η]
	без золя	AgI-1	AgI-2	без золя	AgI-1	AgI-2
АХТЗ	1.0 с KNO3	1.2 –	1.2 1.1	7.8 с KNO3	5.5 –	5.5 6.3
СХТЗ	1.0 с KNO3	1.1 –	1.2 1.1	3.6 с KNO3	2.6 –	2.7 3.0

Примечание: Концентрация исходных KI и AgNO3 – 0,01 моль/л; KNO₃ вводился в целях проведения “холостого” эксперимента в количестве, сопоставимом тому, которое образуется при формировании золя.

 

Рис. 4. Зависимость оптической плотности (D) водных дисперсий АХТЗ – золь AgI-1 (1) и СХТЗ – золь AgI-1 (2) от объемного соотношении исходных компонентов смеси. Концентрация полимера в растворе составляла 1%.

 

Рис. 5. Зависимость оптической плотности (D) водных дисперсий АХТЗ – золь AgI-2 (1) и СХТЗ – золь AgI-2 (2) от объемного соотношении исходных компонентов смеси. Концентрация полимера в растворе составляла 1%.

 

Таким образом, все эти изменения (показателя δ, значений [η] и значений оптической плотности) свидетельствуют об образовании ПКД, вызванном специфической адсорбцией многовалентного иона (полимера) на поверхности частиц золя.

4. ВЫВОДЫ

1. С помощью измерений электрокинетического потенциала доказано, что в присутствии поликатиона АХТЗ с концентрацией 0.1% адсорбция одноименно заряженных макроионов на частицах дисперсной фазы приводит к повышению устойчивости золя AgI с положительно заряженными коллоидными частицами. В присутствии полианиона СХТЗ происходит перезарядка золя AgI с положительно заряженными частицами и возрастает дзета-потенциал золя AgI с отрицательно заряженными частицами с одновременным повышением агрегативной устойчивости золей.
2. Результаты потенциометрического титрования показывают, что повышение агрегативной устойчивости золей йодида серебра при более высоких концентрациях АХТЗ и СХТЗ больше связано не с адсорбцией макромолекул на поверхности золя, а с повышением вязкости раствора при увеличении концентрации полимера, т.е. с возникновением структурно-механического барьера по Ребиндеру.
3. Данные оптической спектроскопии и вискозиметрии свидетельствуют о том, что смешение золей йодида серебра с растворами полимеров АХТЗ и СХТЗ сопровождается образованием ПКД, компоненты которой взаимодействуют между собой, а не представляют собой механические смеси раствора полимера и коллоидной дисперсии.

About the authors

M. V. Bazunova

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Ufa University of Science and Technology»

Author for correspondence.
Email: mbazunova@mail.ru
Russian Federation, Ufa

V. V. Chernova

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Ufa University of Science and Technology»

Email: mbazunova@mail.ru
Russian Federation, Ufa

E. I. Kulish

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Ufa University of Science and Technology»

Email: mbazunova@mail.ru
Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files