Modification as a Method of Regulation of Energy Characteristics and Functionalization of Solid Surfaces

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Регулирование поверхностных свойств твердых тел является актуальной проблемой современного материаловедения при решении многих практических задач [1, 2]. Одним из методов такого регулирования является модифицирование твердых поверхностей адсорбционными слоями поверхностно-активных веществ (ПАВ), белков, полиэлектролитов. При модифицировании адсорбционные слои изменяют поверхностные свойства подложки, а выбор условий эксперимента (концентрация раствора, время модифицирования, температура) дает возможность получить необходимую степень гидрофобизации или гидрофилизации поверхности, а также степень ее заполнения адсорбционным слоем, содержащим определенные функциональные группы.

Модифицирование высокоэнергетических поверхностей происходит за счет электростатического или химического связывания молекул ПАВ, которые прочно закрепляются на поверхности. Монослойное заполнение поверхности адсорбционным слоем приводит к гидрофобизации исходно гидрофильной подложки. При увеличении концентрации ПАВ формируется бислой, внешняя часть которого непрочно связана с монослоем и легко удаляется с поверхности при промывании образца [3, 4].

Перспективными модификаторами высокоэнергетических поверхностей являются самоорганизующиеся монослои (СОМ) кремний-, азот-, селен- и серосодержащих органических веществ, молекулы которых в результате ковалентного связывания с поверхностью образуют упорядоченные структуры [5, 6]. Использование СОМ дает возможность получать материалы с определенными характеристиками (транспорт заряда, биологическая, фотохимическая, каталитическая активность).

Варьирование концевых функциональных групп молекул модификатора дает возможность тонко регулировать свойства твердой поверхности. Так, поверхностную энергию золота σ_sv = 1650 мДж/м² в результате модифицирования СОМ тиолов и дисульфидов можно снизить до величин σ_sv = (18–40) мДж/м², характерных для низкоэнергетических поверхностей (тефлон, полиимиды, парафин, поликарбонаты) [7]. Использование смешанных монослоев тиолов с концевыми СН₃- и СООН-группами позволяет тонко регулировать поверхностную энергию модифицирующего покрытия и демонстрирует изменение поверхностной энергии в интервале (20–80) мДж/м² [8].

Модифицирование гидрофобных низкоэнергетических поверхностей адсорбционными слоями ПАВ приводит к их гидрофилизации, однако в этом случае модифицирующие слои закрепляются непрочно и полностью удаляются с поверхности при промывании в воде [9].

Универсальными модификаторами поверхностей твердых тел различной природы являются белки [10]. Специфика модифицирующего действия белков обусловлена дифильной природой их макромолекул. Известно, что адсорбционные слои белков гидрофобизируют гидрофильные подложки, обеспечивая увеличение краевых углов воды на их поверхности до 60°. Модифицирование гидрофобных подложек приводит к гидрофилизации их поверхности и снижению краевых углов воды на них до 70° [10]. Адсорбция белков может быть и полислойной, однако прочно связывается с поверхностью только первый монослой макромолекул. Также известно, что при отсутствии десорбции с поверхности макромолекул белков в целом возможна обратимость адсорбции их отдельных сегментов [10, 11].

Синтетические полиэлектролиты (ПЭ) в качестве модификаторов твердых поверхностей изучены, в основном, при взаимодействии с гидрофильными (высокоэнергетическими) поверхностями. Процессы, происходящие на гидрофобных (низкоэнергетических) поверхностях, исследованы в меньшей степени. Известны данные по модифицированию тефлона растворами полиакриловой и полиметакриловой кислот [12]. Установлена необратимая адсорбция модификаторов и незначительная гидрофилизация поверхности полимера: краевые углы воды изменяются от θ = 110° на исходной поверхности тефлона до θ ≈ 90° на модифицированной поверхности. Показано, что при адсорбции катионного полиэлектролита (хлорида полидиметилдиаллиламмония) на поверхности гидрофобизированного стекла образуются недеформируемые, структурированные плотные слои, при этом отмечена частичная десорбция макромолекул ПЭ [13].

Модифицирующее действие полиэлектролитов по отношению к поверхностям полимерных материалов представляет интерес в связи с широким использованием полимеров для решения практических задач в области биомедицины и мембранного материаловедения. Важным аспектом использования синтетических ПЭ в качестве модификаторов является то, что их адсорбция имеет необратимый характер, но при этом, в отличие от белковых молекул, в адсорбционных слоях не происходит денатурация ПЭ.

Чрезвычайная чувствительность краевых углов к состоянию и структуре поверхностного слоя позволяет использовать метод измерения краевых углов для определения ряда поверхностных характеристик твердого тела [2, 7]. Метод давно применяется в физико-химических исследованиях свойств поверхностей и дает возможность на основании экспериментальных значений краевых углов рассчитать коэффициент шероховатости и степень неоднородности поверхности, определить преимущественную ориентацию молекул в адсорбционных слоях, оценить степень заполнения поверхности модификатором, а также определить поверхностную энергию твердого тела с учетом вклада дисперсионных и недисперсионных составляющих [14]. Метод является экспрессным, доступным и в сочетании с другими методами физико-химических исследований дает возможность получить исчерпывающую информацию о поверхностных свойствах твердого тела.

Цель работы – продемонстрировать подходы к получению материалов определенного функционального назначения путем модифицирования поверхностей твердых тел для решения конкретных практических задач, а также показать возможности использования метода смачивания для контролируемого модифицирования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе модифицировали поверхности золота, серебра и полимеров (полистирол, нафион-117). Выбор металлов в качестве объектов исследования обусловлен тем, что они являются перспективными материалами для компактных катализаторов и носителей лекарственных веществ (ЛВ), а также удобством исследования самоорганизации на их поверхности монослоев серосодержащих соединений методом пьезокварцевого микровзвешивания (ПМ), поскольку чувствительным элементом датчиков микровесов – кварцевых резонаторов – является золотой или серебряный электрод. Были использованы кварцевые резонаторы АТ-среза с золотыми электродами (толщина 200 нм, диаметр ~ 13 мм) и пластинки кремния (5×5×0,5 мм) с вакуумно-напыленным слоем золота (толщина 50 ± 10 нм) фирмы “HT-MDT”. Также в работе использовали резонаторы с серебряными электродами (толщина 200 нм, диаметр ~ 6 мм).

Выбор полимеров в качестве объектов исследования обусловлен тем, что полистирол широко используется для изготовления вспомогательных приспособлений биомедицинского назначения, а изучение закономерностей модифицирования плотных мембран на основе нафиона актуально для регулирования их транспортных и разделительных свойств. Кроме того, пленки этих полимеров могут быть нанесены на датчики микровесов, что дает возможность исследовать закономерности их модифицирования методами ПМ и смачивания на одних и тех же образцах.

Полистирол (ПС) был синтезирован в Институте проблем химической физики РАН, средневесовая молярная масса М_w = 4.3·10⁴, отношение средневесовой и среднечисловой молярной масс М_w/M_n = 2.1, остаточное количество мономера 0.2–0.3%. Пленки ПС наносили на твердый носитель из 0.5% раствора полимера в толуоле с последующим высушиванием в течение 24 ч на воздухе при комнатной температуре. Пленки аттестовали по краевым углам натекания (θ_а = 86°) и оттекания (θ_r = 84°) воды. Небольшой гистерезис краевых углов Δθ = θ_а – θ_r = 2° свидетельствует о достаточной однородности поверхности пленки.

Пленки нафиона (НФ) (Sigma Aldrich, эквивалентный вес EW = 1100 г/моль, плотность d = 1.5 г/см³) наносили из 5% раствора полимера в водных растворах алифатических спиртов, плотность раствора d = 0.874 г/см³ с последующим высушиванием в течение 24 ч на воздухе при комнатной температуре. Пленки характеризуются небольшим гистерезисом краевых углов Δθ = θ_а – θ_r = = 83° – 80° = 3°. Толщину пленок полимеров определяли методом ПМ [15, 16]. Она составила 200 нм и 1.5 мкм для ПС и НФ соответственно.

Пленки полистирола и нафиона модифицировали водными растворами катионного полиэлектролита ‒ хлорида полидиметилдиаллиламмония (ПДАДМАХ), (“Wako Chemicals”), М = 100000, EW = 161.7, d = 1.22 г/см³.

Растворы готовили разбавлением исходного 20% водного раствора, область исследованных концентраций С = 0.1–1.0%, рН = 6.5. В этой области концентраций макромолекулы полиэлектролита находятся в состоянии клубка [10], размер которого, по данным светорассеяния, R = 20 нм (Zetatrac, Microtrac Inc., США). Мембраны НФ хорошо удерживают воду [17], поэтому перед модифицированием поверхности полимера методом ПМ определяли водопоглощение пленки в зависимости от времени ее контакта с водой (W%), которое представляет собой отношение массы воды в набухшей мембране (m_wet) к массе сухой пленки (m_dry):

$W=\frac{m_{wet}-m_{dry}}{m_{dry}}\cdot 100\%$. (1)

Пленки НФ выдерживали различное время (от 2 до 48 ч) в воде, высушивали, затем рассчитывали сорбцию воды и на основании полученных результатов для дальнейшей работы отбирали образцы, полностью насыщенные водой. Отобранные таким образцом пленки выдерживали различное время в растворе ПДАДМАХ (С = 3.5‧10^–5 М), промывали в воде, высушивали и определяли содержание поликатиона в пленке методом ПМ. На каждом этапе исследования изменение свойств поверхности НФ контролировали измерениями краевых углов.

На поверхности золота изучали самоорганизацию монослоев (СОМ) дисульфида на основе 2-пиридилбензимидазола (L₁), а на поверхности серебра – липоевой кислоты (L₂) (1,2-итиоланд-3-пентановая кислота), представляющей собой циклический дисульфид (табл. 1). Оба дисульфида не растворимы в воде, поэтому использовали их растворы в метаноле с концентрацией С = 10^–3 М.

 

Таблица 1. Характеристики модификаторов

Модификатор	Структурная формула	Мол. вес	Растворитель
L1		620	Метанол
L2		206	Метанол
ПДАДМАХ		100000	Вода

 

Пластинки с напыленным золотом и серебряные резонаторы выдерживали в течение различных промежутков времени в растворах соответствующих лигандов, высушивали на воздухе и измеряли на поверхности краевые углы натекания θ_a и оттекания θ_r воды на модифицированной поверхности. Для проведения комплексообразования монослоя L₁ использовали раствор соли СоCl₂ в этаноле с концентрацией C = 10^–3 М.

Краевые углы измеряли в закрытой камере с помощью горизонтального микроскопа с гониометрической приставкой. Точность измерения краевых углов ± 1°. Для каждой исследованной поверхности было проведено измерение углов не менее, чем 5 капель (пузырьков), нанесенных в различные места подложки; для характеристики поверхностей в статье представлены средние значения краевых углов тестовых жидкостей. При использовании подложек малого размера средние значения рассчитывали по результатам измерений краевых углов на поверхности 5 образцов.

Для краевых углов воды рассчитывали величину порядкового гистерезиса Δθ = (θ_a – θ_r), которая характеризует степень однородности поверхности [1]. Это позволило не только охарактеризовать исходные объекты, но и проследить кинетику формирования адсорбционных слоев. Разброс значений краевых тестовых жидкостей для большинства исследованных поверхностей сопоставим с точностью их определения и составляет ± 1°, для поверхностей, характеризующихся величиной Δθ ≥ 3° коридор значений краевых углов несколько выше (± 2°_, ± 3° в зависимости от величины гистерезиса).

Степень заполнения поверхности модифицирующим слоем рассчитывали на основании теории смачивания гетерогенных поверхностей по уравнению Касси:

$\cos \theta =X\cos {\theta }_1+\left(1-X\right)\cos {\theta }_2$, (2)

где θ₁ и θ₂ – краевые углы воды на однородных поверхностях типа 1 и 2; Х и (1 – Х) – доли площади, занимаемой этими участками, соответственно [2, 7, 8].

Расчет поверхностной энергии модифицированных поверхностей (σ_SV) c учетом вклада дисперсионной (σ^d_SV) и полярной (σ^р_SV) составляющих проводили по уравнениям молекулярной теории смачивания (двухжидкостной метод, приближение Оуэнса-Вендта-Кабли) [14]:

${\sigma }_{LV}(1+\cos \theta )=2{\left({\sigma }_{LV}^d{\sigma }_{SV}^d\right)}^{1/2}+2{\left({\sigma }_{LV}^p{\sigma }_{SV}^p\right)}^{1/2}$, (3)

где индексы “d” и “p” означают вклад дисперсионных и недисперсионных (полярных) взаимодействий, соответственно, в величину поверхностного натяжения жидкости σ_LV и поверхностную энергию твердого тела σ_SV. По Фоуксу, σ_SV = σ^d_SV + σ^p_SV [18]. В качестве тестовых жидкостей с известными значениями поверхностного натяжения использовали воду (Н₂О), этиленгликоль (ЭГ), йодистый метилен (CH₂I₂), гексадекан (ГД) [19]. Точность определения величины σ_SV составляет 0.7 мДж/м².

Адсорбцию (Г) модификаторов на твердой поверхности определяли методом ПМ [15]. Количество адсорбированного вещества рассчитывали по уравнению:

$Г=\Delta m=-\Delta f/C_f=-1.76\cdot \Delta f\cdot {10}^{-8}\left[г/с{м}^2\right]$, (4)

где Δf – изменение частоты (Гц), Δm – изменение массы на единицу площади (г/см²) чувствительной части резонатора (поверхности электрода), С_f = 56.75∙10⁶ Гц∙см²/г – коэффициент массовой чувствительности резонаторов с собственной частотой колебаний f₀ = 5 МГц, использованных в данной работе [16]. Точность измерения f составляет 1 Гц.

При самоорганизации монослоя L₁ на поверхности золота и его комплексообразовании с ионами Со (II) измерения адсорбции проводили в растворе (in-situ) в специальной тефлоновой ячейке на приборе QCM100 (Stanford Research Systems, США). Резонатор с золотым электродом выдерживали в растворителе в течение определенного времени. Затем растворитель удаляли, вводили в измерительную ячейку раствор лиганда и фиксировали изменение (сдвиг) частоты Δf колебаний сенсора во времени. После установления Δf = const, что соответствует завершению формирования монослоя, с модифицированной поверхности золота удаляли растворитель, измеряли краевые углы тестовых жидкостей и по уравнению (1) рассчитывали σ_SV монослоя. Затем резонатор, модифицированный лигандом, помещали в 10^–3 М раствор CоCl₂ в этаноле и определяли сдвиг частоты при комплексообразовании. После завершения процесса комплексообразования рассчитывали количество ионов металла, которое связалось с монослоем лиганда. Во всех остальных случаях датчики микровесов c серебряными электродами (с полимерной пленкой или без нее) выдерживали различное время в соответствующих растворах, промывали, высушивали и проводили измерения величины f в закрытой термостатированной камере. Частоту колебаний измеряли с помощью частотомера Ч3_54 (Россия) с точностью ± 1 Гц. Точность определения адсорбции 10^–8 г/см². Все измерения проводили при 20°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Получение компактных катализаторов

Результаты по смачиванию пластинок золота, модифицированных СОМ лиганда L₁, демонстрируют увеличение гистерезиса краевых углов воды при времени контакта раствора модификатора с поверхностью t < 1 мин. Дальнейшее уменьшение гистерезиса краевых углов Δθ с увеличением времени модифицирования (табл. 2) свидетельствует о том, что монослой становится более однородным [1], при этом величины σ^p_SV возрастают, а σ^d_SV уменьшаются.

 

Таблица 2. Характеристики СОМ L₁ на поверхности золота в зависимости от времени модифицирования t

Время t, мин	Краевые углы воды θ, град.			θЭГ, град.	Поверхностная энергия, мДж/м2			Х, %
	θа	θr	Δθ		σdSV	σpSV	σSV
0	80	76	4	–	–	–	–
0.5	76	45	31	55	16.6	13.3	29.9	17
1	74	52	22	54	15.3	16.2	31.5	26
5	73	54	19	52	16.3	15.5	31.8	30
10	69	61	8	53	11.1	22.4	33.5	46
15	66	57	9	48	12.6	23.4	36.0	58
30	65	57	8	48	11.6	25.1	36.7	62
60	63	60	3	45	12.2	26.1	38.3	70
90	58	55	3	43	9.4	33.4	42.8	90
120	55	53	2	40	9.1	36.4	45.5	100
1440	55	54	1	40	9.1	36.4	45.5	100

 

Рост величин полярных и уменьшение дисперсионных компонент поверхностной энергии указывает на увеличение количества полярных групп в монослое при его формировании на поверхности золота. Расчет по уравнению (2) показывает, что полное заполнение поверхности золота монослоем происходит через два часа после контакта подложки с раствором L₁. Поверхностная энергия монослоя составляет σ_SV = σ^d_SV + σ^p_SV = (9 + 36) = 45 (мДж/м²), что характерно, например, для полиимидов [7]. По данным ПМ (рис. 1), самоорганизация монослоя на золотом резонаторе происходит приблизительно в течение двух часов. Хорошее согласие времени формирования модифицирующих слоев, определенного методами ПМ и смачивания (рис. 1, табл. 2), демонстрирует корректность метода измерения краевых углов для исследования кинетики формирования СОМ.

 

Рис. 1. Кинетика самоорганизации СОМ L₁ на поверхности золота

 

После промывания модифицированного резонатора в метаноле и высушивания на его поверхности были измерены краевые углы воды и этиленгликоля (их значения составили 55° и 42°, соответственно) и рассчитана поверхностная энергия монослоя. Ее величина σ_SV = σ^d_SV + σ^p_SV = (8 + 38) = = 46 мДж/м² оказалась близка к значению, полученному для монослоя СОМ на поверхности золотых пластинок (табл. 2).

Данные ПМ показывают, что процесс комплексообразования L₁ с ионами Co (II) завершается приблизительно в течение 1 часа (рис. 2), а соотношение L₁ : Me в монослое составляет 1 : 1. Известно, что самоорганизация дисульфидов на поверхности золота сопровождается разрывом S-S-связи, поэтому с поверхностью подложки связываются два одинаковых фрагмента молекулы лиганда [5]. Таким образом, монослой имеет структуру типа “сэндвич”: две молекулы тиолята связаны с одним ионом Со (II).

 

Рис. 2. Кинетика комплексообразования СОМ L₁ с ионами Co (II)

 

Комплексообразование концевых групп алкантиолов и дисульфидов с ионами переходных металлов дает возможность получать металлокомплексные поверхности для использования их в катализе. Одной из привлекательных особенностей закрепленных катализаторов является легкость их отделения от реагентов и продуктов реакции, а также возможность их многократного использования [20, 21].

Разработка эффективных носителей для доставки лекарственных веществ

Адсорбция тиолов и дисульфидов на поверхности наночастиц благородных металлов является одним из способов направленной доставки и повышения биодоступности серосодержащих не растворимых в воде ЛВ [22–25]. Величина адсорбции определяет эффективность иммобилизации ЛВ на поверхности носителя. Поэтому изучение закономерностей формирования адсорбционных слоев таких ЛВ на поверхности благородных металлов является важной научной задачей. В данном разделе представлены результаты исследования адсорбции липоевой кислоты на поверхности серебра. Липоевая кислота (L₂, табл. 1) – ЛВ, которое относится к группе метаболических средств, обладает антиоксидантным и антидепрессивным действием, однако характеризуется достаточно низкой биодоступностью (~ 30% при пероральном применении) [23]. Наличие в молекулах липоевой кислоты дисульфидных фрагментов обеспечивает возможность использования серебра в качестве твердого носителя данного ЛВ.

Зависимость адсорбции L₂ на поверхности серебра от времени контакта с раствором представлена на рис. 3. При t < 10 мин заметной самоорганизации дисульфида на поверхности серебра не обнаружено (табл. 3): изменения частоты колебаний датчика микровесов не происходит. Таким образом, на начальном этапе адсорбции существует инкубационный период, в течение которого величина адсорбции L₂ меньше предела чувствительности ПМ в условиях эксперимента.

 

Рис. 3. Кинетика адсорбции L₂ на поверхности серебра

 

Таблица 3. Адсорбция L₂ на поверхности серебра

t, время	5 мин.	10 мин.	15 мин.	30 мин.	1 ч	2 ч	3 ч	5 ч	6 ч	8 ч	24 ч
‒Δf, Гц	-	1	2	3	5	6	8	15	15	15	15
Г∙108, г/см2	-	1.8	3.5	5.3	8.8	10.6	14.1	26.4	26.4	26.4	26.4
Г∙106, моль/м2	-	0.9	1.7	2.6	4.3	5.1	6.8	12.8	12.8	12.8	12.8

 

При t ≥ 10 мин адсорбция L₂ увеличивается, причем при t = 10–120 мин. кинетическая кривая имеет вид, характерный для адсорбции Ленгмюра [1]. Среднему значению адсорбции при t = 1–2 ч Г = 4.7·10^–6 моль/м² соответствует площадь на молекулу в адсорбционном слое S_m = 1/(Г∙N_A) = 0.35 нм²_, что несколько меньше, чем площадь дисульфидного цикла L₂ при его планарном расположении на поверхности (0.45 нм²). При увеличении времени контакта серебра с раствором L₂ (t > 2 ч) снова наблюдается увеличение адсорбции с прохождением точки перегиба зависимости Г = f(t) при t ~ 3 ч и выходом на плато при t = 5 ч, что свидетельствует о полислойном характере адсорбции (рис. 3, табл. 3). При t = 3 ч величина адсорбции соответствует площади на молекулу в адсорбционном слое S_m = 0.25 нм², что близко к площади (S-S) группы.

Исследование кинетики формирования адсорбционных монослоев липоевой кислоты на поверхности серебра методом ПМ показывает, что оно происходит поэтапно: при t ≤ 3 ч происходит ковалентное связывание L₂ с поверхностью за счет разрыва S-S связи в цикле дисульфида и образования связи Ag-S [5], а затем – упорядочивание монослоя (рис. 4). При этом при бислойном заполнении поверхности серебра величина адсорбции в 2 раза превышает значение адсорбции L₂, соответствующее монослойному заполнению подложки (табл. 3). Этот результат согласуется с представлениями о поэтапном формировании СОМ на поверхности благородных металлов, в соответствии с которыми продолжительность первого этапа может составлять от одной минуты до нескольких часов в зависимости от природы контактирующих веществ и условий эксперимента, а продолжительность второго этапа – десятки часов [26].

 

Рис. 4. Схема самоорганизации адсорбционных слоев L₂ на поверхности серебра

 

Данные ПМ согласуются с результатом расчета степени заполнения поверхности серебра дисульфидом с использованием значений краевых углов воды на исходной и модифицированной поверхности (табл. 4). При t = 3 ч степень заполнения поверхности Х = 97%, что указывает на образование плотного монослоя липоевой кислоты, внешняя часть которого образована полярными карбоксильными группами, которые хорошо смачиваются водой: θ = 15° (табл. 5).

 

Таблица 4. Краевые углы воды на поверхности серебра, модифицированной СОМ L₂

Время, t	Ag	10 мин.	15 мин.	30 мин.	1 ч	2 ч	3 ч
Краевые углы θ, град.
θа	70	67	58	52	45	32	15
θr	68	55	51	47	42	30	14
Δθ = θа ‒ θr	2	12	7	5	3	2	1
Х, %	0	8	30	42	58	78	97

 

Таблица 5. Краевые углы тестовых жидкостей и поверхностная энергия моно- и бислоя L₂ на поверхности серебра

Краевые углы θ, град.
МОНОСЛОЙ		БИСЛОЙ
θ (H2O)	15	40
θ (CH2I2)	10	20
Поверхностная энергия σSV, мДж/м2
σdSV	35.2	35.6
σpSV	35.9	25.9
σSV	71.1	61.5

 

Внешняя часть бислоя, формирование которого завершается при t = 5 ч, образована SH-группами, которые смачиваются водой хуже, чем карбоксильные группы: краевой угол воды составляет 40° (табл. 5). Эти результаты согласуются с данными работы [27], в которой формирование бислоев вследствие возникновения водородных связей установлено при самоорганизации тиолов с концевыми карбоксильными и аминогруппами на поверхности золота.

При времени контакта раствора модификатора с поверхностью серебра t < 10 мин. адсорбция L₂ не фиксируется методом ПМ, но тем не менее, она происходит. На это указывает увеличение гистерезиса смачивания Δθ = (θ_а ‒ θ_r) модифицированной поверхности (табл. 4). По мере увеличения адсорбции (табл. 4) и степени заполнения поверхности серебра адсорбционным слоем (Х) гистерезис краевых углов уменьшается до минимального значения при времени модифицирования t = 3 ч (табл. 4) и более. Этот результат свидетельствует об увеличении степени однородности адсорбционных слоев L₂ при самоорганизации на поверхности серебра.

Поверхностная энергия монослоя L₂ больше, чем для бислоя за счет большей величины ее полярной составляющей (табл. 5). Тем не менее, как при моно-, так и при бислойном заполнении поверхности наблюдается значительное снижение удельной свободной поверхностной серебра, которая составляет 1140 мДж/м² [28]. Таким образом, поверхность серебра эффективно адсорбирует липоевую кислоту, при этом в зависимости от времени контакта с раствором L₂ реализуется монослойное или бислойное заполнение твердой поверхности.

С поверхностью серебра также необратимо могут связываться азотсодержащие молекулы ЛВ. Так, в работе [24] установлено эффективное связывание с поверхностью серебра другого лекарственного гипотензивного вещества – фелодипина. Этот результат открывает перспективы создания серебряных стентов в качестве носителей этого гипотензивного препарата в сосудистой хирургии. Стабилизированные полигексаметиленбигуанидом наночастицы серебра нашли применение в качестве действующего вещества при создании фунгицидов и бактерицидов в сельскохозяйственных препаратах [29]. Идея модифицирования наночастиц серебра мирамистином легла в основу рецептуры антисептического ветеринарного препарата “Аргумистин” [30].

Интересным примером адресной доставки лекарственных веществ является использование ферромагнитных наночастиц серебра типа ядро/оболочка [31, 32]. При помощи магнитного поля такие наночастицы с закрепленными на их поверхности молекулами лекарственного препарата могут быть направлены в определенные органы и ткани, а после высвобождения лекарства легко выведены из организма под действием внешних воздействий.

Получение биосовместимых материалов

Полимерные материалы широко используются в биомедицине при изготовлении имплантов (сосуды, органы), а также для других целей (изготовление мембран, катетеров, контейнеров для хранения крови и т. п.). Материалы биомедицинского назначения должны быть биоинертными и биосовместимыми, то есть стабильно функционировать при длительном контакте с биологической средой без отрицательных последствий для живой системы. Исторически такие материалы отбирают на основе изучения их механических и поверхностных свойств. В качестве характеристики последних широко используются краевые углы натекания воды θ. Показано, что в первом приближении материал пригоден для применения в медицинских целях, если θ ≈ 60° [33]. В связи с этим широкое распространение получили разные способы гидрофилизации исходно гидрофобных поверхностей полимеров. Для рекомендации проведения дальнейших медико-биологических исследований материала этот критерий не является достаточным, т. к. при длительном контакте с биологической средой может происходить перестройка макромолекул приповерхностного слоя полимера и, соответственно, изменение значений краевых углов. Материалы, предназначенные для работы при контакте с кровью, принято рассматривать в аспекте гемосовместимости. Это многофакторное понятие, и с помощью физико-химических экспериментов можно предсказать один из ключевых факторов гемосовместимости – тромборезистентность. Е. Рукенштейном был разработан подход, в соответствии с которым поведение полимера в биологической среде определяет величина межфазной энергии полимер-вода, при этом полимер должен быть предварительно выдержан длительное время в воде из-за возможной лабильности поверхностных групп макромолекул приповерхностного слоя и, соответственно, изменения межфазного натяжения на границе с водой. В качестве критерия гемосовместимости было предложено использовать межфазное натяжение гидратированного полимера на границе с водой σ_SW(W) и эта величина должна быть близка к межфазному натяжению клетка-вода или клетка-плазма крови ≈ 3 мДж/м² [34]. Е. Рукенштейном была разработана методика определения этой величины на основании измерения краевых углов натекания, оттекания и избирательного смачивания [34, 35]. По предложенной методике определяют величину σ_SW(W) тестируемых на гемосовместимость полимеров, затем в соответствии с полученным значением σ_SW(W) рекомендуют их для дальнейших медико-биологических исследований.

В рамках подхода Е. Рукенштейна была исследована поверхность полистирола в связи с его использованием для изготовления материалов биомедицинского назначения. Величина поверхностной энергии полистирола, рассчитанная с использованием экспериментальных значений краевых углов тестовых жидкостей (Н₂О и СН₂I₂), согласуется с литературными данными [19] и практически не изменяется после выдерживания пленок в воде в течение 24 часов (табл. 6); величина межфазного натяжения полистирол-вода составляет σ_SW(W) = 18.8 мДж/м² [33].

 

Таблица 6. Краевые углы тестовых жидкостей (Н₂О и СН₂I₂) и энергетические характеристики полистирола после контакта с водой и растворами ПДАДМАХ (24 ч)

Поверхность	Краевые углы, θ, град.			Поверхностная энергия, σSV, мДж/м2
	θа, (Н2О)	θr	θа, (СН2I2)	σdSV	σрSV	σSV
ПС	86	84	32	42.2	1.4	43.5
ПС + Н2О	83	80	30	42.1	2.1	44.2
ПС + ПДАДМАХ	68	65	25	40.1	8.1	48.2
ПС + ПДАДМАХ + Н2О	65	56	20	41.2	9.3	50.5

 

Модифицирование поверхности ПС природным полиэлектролитом – сывороточным альбумином (САЧ) – не приводит к снижению этой величины, хотя из литературных данных известно, что адсорбция САЧ из крови промотирует гемосовместимость [33].

Эффективным модификатором для обеспечения гемосовместимости полистирола оказался ПДАДМАХ. Показано, что адсорбция ПДАДМАХ на поверхности ПС носит полислойный характер (табл. 7, рис. 5). Большое различие величин адсорбции ПДАДМАХ на пленках ПС до и после промывания в воде (табл. 7, рис. 5) свидетельствует об удалении значительной части модифицирующего слоя ПДАДМАХ с поверхности ПС при промывании.

 

Таблица 7. Адсорбция ПДАДМАХ (Г, моль/м²) на поверхности полистирола и краевые углы θ_а воды (град.) на модифицированной поверхности

Концентрация р-ра, С, %	–Δf, Гц	Г‧106	θа	–Δf, Гц	Г‧106	θа
	До промывания			После промывания
0.1	149	0.26	80	69	0.12	80
0.2	244	0.43	70	95	0.17	75
0.4	265	0.47	65	99	0.18	72
0.5	306	0.54	61	110	0.19	70
0.8	354	0.62	55	120	0.21	68
1.0	400	0.71	56	133	0.23	68

 

Рис. 5. Изотерма адсорбции ПДАДМАХ на поверхности полистирола до (1) и после (2) промывания в воде

 

Тем не менее молекулы ПДАДМАХ способны прочно закрепляться на поверхности ПС. На это указывает сопоставление величин краевых углов воды на модифицированной до и после ее промывания в воде. Этот результат согласуется с известными представлениями о том, что макромолекулы первого слоя полиэлектролита способны необратимо адсорбироваться на полимерных поверхностях, сохраняя при этом конформационную лабильность [10, 11].

Величина адсорбции ПДАДМАХ при С > 0.1% мало зависит от концентрации раствора, среднее значение адсорбции при монослойном заполнении составляет Г = 0.2‧10^–6 моль/м², что соответствует толщине адсорбционного слоя ПДАДМАХ δ = 19.3 нм. Эта величина свидетельствует о том, что на поверхности находятся “поджатые” в 2 раза по толщине клубки ПДАДМАХ.

Увеличение поверхностной энергии полистирола за счет увеличения ее полярной составляющей в результате модифицирования ПДАДМАХ указывает на то, что внешняя часть модифицирующего слоя обогащена полярными группами (табл. 6). Расчет по уравнению (2) с использованием θ₁ = 0 и θ₂ =105° (характерного для парафина) показывает, что доля полярных участков на модифицированной поверхности составляет Х = 0.58, т. е. 58% полярных групп поликатиона находятся во внешней части модифицирующего слоя.

Наличие монослоя ПДАДМАХ на поверхности ПС приводит к возрастанию величины σ_SV, а после контакта такой поверхности с водой и высушивания величина σ_SV немного увеличивается, вероятно, за счет включения воды в монослой (табл. 7). Монослои ПДАДМАХ прочно удерживаются на поверхности ПС, и при уравновешивании модифицированной поверхности с водой достигается критериальное значение σ_SW(W) ≈ 3 мДж/м² (табл. 8), что указывает на потенциальную гемосовместимость поверхности, которую можно рекомендовать для дальнейших исследований в качестве материала биомедицинского назначения.

 

Таблица 8. Значения межфазной энергии полистирол – вода σ_SW(W) и величины краевых углов, использованные при ее расчете: θ_а – угол натекания воды, θ_VW и θ_OW – углы пузырька воздуха и капли октана на поверхности, погруженной в воду, измеренные в соответствии с методикой [35]

Поверхность	Краевые углы θ, град			σSW(W), мДж/м2
	θа	θVW	θOW
Исходный полистирол	83	80	145	18.3
Модифицированный полистирол (ПДАДМАХ)	65	56	135	3.4

 

Следует отметить, что для полимерных материалов, используемых в медицинской практике, величина σ_SW(W) может иметь более широкий коридор значений. Например, для силиконового эластомера σ_SW(W) = 5.8 мДж/м², для полиуретанов σ_SW(W) = = 0.1–1.1 мДж/м², для силиконизированного стекла σ_SW(W) = 0.1–3.5 мДж/м² [33, 35]. Значения величины σ_SW(W) < 1 мДж/м² не исключают использование полимера в качестве гемосовместимого материала при условии, что не происходит заметного понижения его прочности при длительном контакте с биологической средой [33].

Модифицирование Нафиона как способ повышения селективности мембран на его основе

Модифицирование НФ адсорбционными слоями ПДАДМАХ является перспективным способом увеличения селективности мембран, функционирующих в жидких средах [36]. В то же время ПДАДМАХ может оказаться эффективным модификатором газоразделительных мембран для очистки газовых смесей от углекислого газа [37]. Контроль степени модифицирования НФ осложняется его набуханием в водных средах, поэтому разработка методик модифицирования, которые позволяют отслеживать течение процесса в зависимости от условий эксперимента, является актуальной задачей. Такая методика была разработана с использованием методов смачивания и ПМ. Существенно, что гравиметрические измерения и измерения краевых углов были проведены на одних и тех же образцах.

Содержание воды в мембране НФ достигает постоянного значения при t ≥ 24 ч (табл. 9, рис. 6, кривая 1). Значение W, рассчитанное по уравнению (1), составляет 44%, что согласуется с литературными данными [38].

 

Таблица 9. Краевые углы тестовых жидкостей (воды и гексадекана, HD) на поверхности пленки нафиона, предварительно выдержанной 24 ч в воде, после контакта различное время (t) с раствором ПДАДМАХ

Время t, ч	Краевые углы θ, град.		Поверхностная энергия σSV, мДж/м2
	Н2О	HD	σdSV	σрSV	σSV
2	52	18	23.3	23.7	50.0
6	52	18	23.3	23.7	50.0
12	52	15	26.7	23.5	50.2
24	53	15	26.7	22,8	49.5
24*	55	18	26.3	21.7	48.0

*Без предварительного выдерживания в воде.

 

Рис. 6. Кинетика сорбции воды (1) и ПДАДМАХ (2) пленкой НФ

 

Изучение кинетики сорбции ПДАДМАХ в насыщенные водой мембраны НФ показывает, что содержание поликатиона в мембране мало по сравнению с содержанием воды и практически не зависит от времени контакта мембраны c раствором ПДАДМАХ и принимает постоянное значение при t ≥ 12 ч (рис. 6, кривая 2). Контакт пленок НФ с водой приводит к насыщению полимера и поверхностного слоя мембраны водой, при этом удельная свободная энергия возрастает за счет увеличения полярной составляющей σ^р_SV (табл. 9).

Сопоставление краевых углов тестовых жидкостей на пленках нафиона, выдержанных в воде и растворах ПДАДМАХ, а также рассчитанных по уравнению (3) величин удельной свободной поверхностной энергии σ_SV с учетом вклада дисперсионной σ^d_SV и недисперсионной σ^p_SV составляющих позволяет предположить отсутствие поликатиона на поверхности пленок (табл. 9). Это предположение качественно подтверждается и отсутствием синего окрашивания реактивом Брэдфорда модифицированной пленки НФ [39]. В отличие от полистирола, ПДАДМАХ не модифицирует поверхность нафиона, а включается в объем полимерной мембраны. При этом происходит блокировка отрицательно заряженных сульфоновых групп полимерной матрицы положительно заряженными клубками поликатиона, при этом размеры клубков сопоставимы с размерами пор НФ ≈ 20 нм [40]. Величина водопоглощения мембраны, модифицированной ПДАДМАХ, снижается до 19%. Блокировкой сульфоновых групп ПДАДМАХ авторы работы [36] объяснили увеличение ионной селективности мембран, перспективных для использования в электрохимических источниках тока.

Мембраны НФ, модифицированные таким образом, могут оказаться эффективными для очистки газовых смесей от углекислого газа за счет специфического взаимодействия молекул СО₂ с клубками модификатора [37].

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена по госбюджетной тематике НИР (номер ЦИТИС: 121031300084-1).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Благодарим с.н.с. кафедры коллоидной химии, к.х.н. О. В. Заборову за проведение измерений размера макромолекулы полиэлектролита.

About the authors

Yu. G. Bogdanova

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: yulibogd@yandex.ru
Russian Federation, Москва

V. D. Dolzhikova

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: yulibogd@yandex.ru
Russian Federation, Москва

References

Supplementary files