Сорбционно-структурные свойства аэрогельных материалов на основе биополимеров
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-6-190-203Ключевые слова:
биополимеры, лигносульфонат натрия, альгинат натрия, хитозан, аэрогельные материалы, металлы, краситель, сорбцияАннотация
В настоящее время для выведения избыточного количества тяжелых металлов и токсинов из живых организмов успешно применяются аэрогельные материалы в качестве энтеро- и апликационных сорбентов. Неисчерпаемой сырьевой базой для создания аэрогельных материалов являются природные биополимеры альгинат и хитозан, а также различные производные лигнина. На их основе разработано значительное количество сорбционных материалов и раневых покрытий различных типов, что связано не только с широким спектром физико-химических свойств названных полимеров и их уже доказанной медико-биологической активностью, но и с распространенностью и возобновляемостью сырьевых источников для производства данных полимеров, простотой извлечения, возможностью достижения высокой степени очистки и сравнительно невысокой ценой. Ключевой стадией синтеза аэрогельных материалов является формирование прочного гидрогеля – каркаса. Один из технологических приемов – получение интерполиэлектролитного армирующего гидрогеля. В работе предложены 2 упаковочные модели формирования структуры интерполиэлектролитных комплексов на основе пар биополимеров: «альгинат натрия – хитозан» и «лигносульфонат натрия – хитозан». Первая модель – блочная, при которой структура формируется за счет ионных связей между карбоксильными группами альгината натрия и аминогруппами хитозана, а также кооперативной системы водородных связей и дисперсионных взаимодействий. Вторая модель – агрегационно-трубчатая, структура которой образуется посредством ионных связей между сульфогруппами (в составе палочкообразных надмолекулярных структур лигносульфоната натрия) и аминогруппами хитозана, а также водородных связей и дисперсионных взаимодействий. При высушивании интерполиэлектролитных комплексов в сверхкритических условиях формируются прочные фазовые контакты, при этом изменения в структуре геля становятся необратимыми. В результате получены гидрофобные микро- и мезопористые 2-компонентные аэрогельные материалы, различающиеся внутренней структурой. Аэрогельные материалы, структура которых образована по 1-й из названных моделей, характеризуются фибриллярной структурой, а по 2-й ‒ структурными элементами сферической формы. Полученные аэрогельные материалы обладают высокой сорбционной активностью по отношению к воде и широкому кругу тяжелых металлов и низкомолекулярных токсинов. Цель работы – исследование структурно-сорбционных свойств аэрогельных материалов, основа которых – биополимеры различной структурной организации. Значительное увеличение сорбционной активности аэрогельных материалов «альгинат натрия – хитозан» в сравнении с «лигносульфонат натрия – хитозан» связано, по-видимому, с их различной надмолекулярной структурой. Действует совокупность механизмов сорбции: намокание, всасывание, диффузия, осмотические явления и химическое взаимодействие, обусловленное высокопористой структурой аэрогельных материалов и наличием сорбционно-активных центров.
Для цитирования: Бровко О.С., Паламарчук И.А., Горшкова Н.А., Богданович Н.И., Ивахнов А.Д. Сорбционно-структурные свойства аэрогельных материалов на основе биополимеров // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 6. С. 190–203. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-6-190-203
Скачивания
Библиографические ссылки
Бузинова Д.А., Шиповская А.Б. Cорбционные и бактерицидные свойства пленок хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер.: Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8, № 2. С. 42–46. Buzinova D.A., Shipovskaya A.B. Sorption and Bactericidal Properties of Chitosan Films. Izvestiya Saratovskogo universiteta = Bulletin of the Saratov University, 2008, vol. 8, Ser. Chemistry. Biology. Ecology, no. 2, рp. 42–46. (In Russ.).
Вальчук Н.А., Бровко О.С., Паламарчук И.А., Бойцова Т.А., Боголицын К.Г., Ивахнов А.Д., Чухчин Д.Г., Богданович Н.И. Получение материалов аэрогельного типа на основе интерполимерного комплекса альгинат-хитозан с использованием сверхкритических флюидов // Сверхкрит. флюиды: теор. и практ. 2018. Т. 13, № 3. С. 83–89. Valchuk N.A., Brovko O.S., Palamarchuk I.A., Boitsova T.A., Bogolitsyn K.G., Ivakhnov A.D., Chukhchin D.G., Bogdanovich N.I. Preparation of Aerogel Materials Based on Alginate-Chitosan Interpolymer Complex Using Supercritical Fluids. Supercritical Fluids: Theory and Practice, 2018, vol. 13, no. 3, рp. 83–89. (In Russ.).
Вишнякова А.П., Бровко О.С. Применение ультрафильтрации для очистки, концентрирования и фракционирования лигносульфонатов сульфитного щелока // Экология и пром-сть России. 2009. № 8. С. 37–39. Vishnyakova A.P., Brovko O.S. Application of Ultrafiltration for Clearing, Concentration and Fractionating of Lignosulphonates of Sulfite Lye. Ekologia i promyshlennost Rossii = Ecology and Industry of Russia, 2009, no. 8, рp. 37–39. (In Russ.).
Горшкова Н.А., Бровко О.С., Паламарчук И.А., Ивахнов А.Д., Боголицын К.Г., Богданович Н.И., Чухчин Д.Г. Формирование надмолекулярной структуры композиционного аэрогеля на основе альгината натрия и хитозана // Сверхкрит. флюиды: теор. и практ. 2020. Т. 15, № 3. С. 11–20. Gorshkova N.A., Brovko O.S., Palamarchuk I.A., Ivakhnov A.D., Bogolitsyn K.G., Bogdanovich N.I., Chukhchin D.G. Formation of a Supramolecular Structure of a Composite Aerogel Based on Sodium Alginate and Chitosan. Supercritical Fluids: Theory and Practice, 2020, vol. 15, no. 3, pp. 11–20. (In Russ.).
Изумрудов В.А. Явления самосборки и молекулярного «узнавания» в растворах (био)полиэлектролитных комплексов // Успехи химии. 2008. Т. 77, № 4. С. 401–415. Izumrudov V.A. Self-assembly and Molecular “Recognition” Phenomena in Solutions of (Bio)Polyelectrolyte Complexes. Uspekhi himii = Russian Chemical Reviews, 2008, vol. 77, no. 4, pp. 401–415. (In Russ.). https://doi.org/10.1070/RC2008v077n04ABEH003767
Кабанов В.А. Полиэлектролитные комплексы в растворе и в конденсированной фазе // Успехи химии. 2005. Т. 74, № 1. С. 5–23. Kabanov V.A. Polyelectrolyte Complexes in Solution and in Bulk. Uspekhi himii = Russian Chemical Reviews, 2005, vol. 74, no. 1, pp. 5–23. (In Russ.). https://doi.org/10.1070/RC2005v074n01ABEH001165
Конорев М.Р. Клиническая фармакология энтеросорбентов нового поколения // Вестн. фармации. 2013. № 4(62). С. 79–85. Konorev M.R. Clinical Pharmacology of New Generation Enterosorbents. Vestnik farmacii = Bulletin of Pharmacy, 2013, vol. 4, no. 62, pp. 79–85. (In Russ.).
Леванова В.П. Лечебный лигнин. СПб.: Центр сорбц. технологий, 1992. 136 с. Levanova V.P. Therapeutic Lignin. Saint Petersburg, Center for Sorption Technologies Publ., 1992. 136 p. (In Russ.).
Морозов А.С., Бессонов И.В., Нуждина А.В., Писарев В.М. Сорбенты для экстракорпорального удаления токсических веществ и молекул с нежелательной биологической активностью (обзор) // Общ. реаниматология. 2016. Т. 12, № 6. С. 82–107. Morozov A.S., Bessonov I.V., Nuzhdina A.V., Pisarev V.M. Sorbents for Extracorporeal Removal of Toxic Substances and Molecules with Undesirable Biological Activity (Review). Obshchaya reanimatologiya = General Reanimatology, 2016, vol. 12, no. 6, рp. 82–107. (In Russ.). https://doi.org/10.15360/1813-9779-2016-6-82-107
Мухина О.Ю., Пискунова И.А., Лысенко А.А. Адсорбция красителя метиленового голубого активированными углеродными волокнами // Журн. приклад. химии. 2003. Т. 76, № 6. С. 926–930. Mukhina O.Yu., Piskunova I.A., Lysenko A.A. Sorption of Methylene Blue Dye by Activated Carbon Fibers. Zurnal prikladnoy khimii = Russian Journal of Applied Chemistry, 2003, vol. 76, no. 6, рр. 926–930. (In Russ.). https://doi.org/10.1023/A:1026311606910
Олтаржевская Н.Д., Коровина М.А., Кричевский Г.Е., Щедрина М.А., Егорова Е.А. Возможности применения полисахаридов при лечении ран // Раны и раневые инфекции. Журн. им. проф. Б.М. Костюченка. 2019. Т. 6, № 2. С. 24–31. Oltarzhevskaya N.D., Korovina M.A., Krichevsky G.E., Shchedrina M.A., Egorova E.A. Possibilities of Using Polysaccharides in the Treatment of Wounds. Rany i ranevye infekcii = Wounds and Wound Infections, 2019, vol. 6, no. 2, pp. 24–31. (In Russ.). https://doi.org/10.25199/2408-9613-2019-6-2-24-31
Паламарчук И.А., Макаревич Н.А., Бровко О.С., Бойцова Т.А. Афанасьев Н.И. Кооперативные взаимодействия в системе лигносульфонат-хитозан // Химия раст. сырья. 2008. № 4. С. 29–34. Palamarchuk I.A., Makarevich N.A., Brovko O.S., Boitsova T.A., Afanasiev N.I. Cooperative Interactions in the Lignosulfonate-Chitosan System. Khimija Rastitel’nogo Syr’ja = Chemistry of Plant Raw Material, 2008, no. 4, pp. 29–34. (In Russ.).
Пршибил Р. Комплексоны в химическом анализе / под ред. Ю.Ю. Лурье. М.: Иностр. лит., 1960. 580 c. Prshibil R. Complexones in Chemical Analysis. Moscow, International Literature Publ., 1960. 580 p. (In Russ.).
Смирнов Б.М. Аэрогели // Успехи физ. наук. 1987. Т. 152, № 5. С. 133–157. Smirnov B.M. Aerogels. Uspekhi fizicheskikh nauk = Advances in the Physical Sciences, 1987, vol. 152, no. 5, pp. 133–157. (In Russ.). https://doi.org/10.3367/UFNr.0152.198705e.0133
Тунакова Ю.А., Мухаметшина Е.С., Шмакова Ю.А. Оценка сорбционной емкости биополимерных сорбентов на основе лигнина в отношении металлов // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2011. № 9. С. 74–79. Tunakova Yu.A., Mukhametshina E.S., Shmakova Yu.A. Evaluation of the Sorption Capacity of Biopolymer Sorbents Based on Lignin in Relation to Metals. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta = Bulletin of the Kazan Technological University, 2011, no. 9, pp. 74–79. (In Russ.).
Швецов И.С. Аппликационные гемостатические средства. Возможности и перспективы альгината натрия и хитозана // Соврем. наука: актуал. проблемы теории и практики. Сер.: Естеств. и техн. науки. 2021. № 5. С. 230–235. Shvetsov I.S. Application Hemostatic Agents: Possibilities and Prospects of Sodium Alginate and Chitosan. Sovremennaya nauka: aktual’nye problemy teorii i praktiki. Seriya: Estestvennye i tekhnicheskie nauki = Modern Science: Actual Problems of Theory and Practice. Ser. Natural and Technical Sciences, 2021, no. 5, pp. 230–235. (In Russ.). https://doi.org/10.37882/2223-2966.2021.05.35
Ali F.M., Boviery M.A. Adsorption Characteristics of Wheat Bran Towards Heavy Metal Cations. Separation and Purification Technology, 2004, vol. 38, iss. 3, pp. 197–207. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2003.11.005
Alzaydien A.S. Adsorption of Methylene Blue from Aqueous Solution onto a LowCost Natural Jordanian Tripoli. American Journal of Environmental Sciences, 2009, vol. 5, iss. 3, pp. 197–208. https://doi.org/10.3844/ajessp.2009.197.208
Brovkо O.S., Palamarchuk I.A., Boitsova T.A., Bogolitsyn K.G., Valchuk N.A., Chukhchin D.G. Influence of the Conformation of Biopolyelectrolytes on the Morphological Structure of Their Interpolymer Complexes. Macromolecular Research, 2015, vol. 23, iss. 11, pp. 1059–1067. https://doi.org/10.1007/s13233-015-3140-z
Gorshkova N., Brovko O., Palamarchuk I., Bogolitsyn K., Ivakhnov A. Preparation of Bioactive Aerogel Material Based on Sodium Alginate and Chitosan for Controlled Release of Levomycetin. Polymers for Advanced Technologies, 2021, vol. 32, iss. 9, pp. 3474–3482. https://doi.org/10.1002/pat.5358
Gorshkova N., Brovko O., Palamarchuk I., Bogolitsyn K., Bogdanovich N., Ivakhnov A., Chukhchin D., Arkhilin M. Formation of Supramolecular Structure in Alginate/ Chitosan Aerogel Materials during Sol-Gel Synthesis. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2020, vol. 95, iss. 1, pp. 101–108. https://doi.org/10.1007/s10971-020-05309-9
Murata Y., Kodama Y., Hirai D., Kofuji K., Kawashima S. Properties of an Oral Preparation Containing a Chitosan Salt. Molecules, 2009, vol. 14, no. 2, pp. 755–762. https://doi.org/10.3390/molecules14020755
Murata Y., Kudo S., Kofuji K., Miyamoto E., Kawashima S. Adsorption of Bile Acid by Chitosan-Orotic Acid Salt, and Its Application as an Oral Preparation. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 2004, vol. 52, iss. 10, pp. 1183–1185. https://doi.org/10.1248/cpb.52.1183
Pierre A.C., Pajonk G.M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chemical Reviews, 2003, vol. 34, iss. 4, pp. 4243–4266. https://doi.org/10.1002/chin.200304237
Shahidi F., Abuzaytoun R. Chitin, Chitosan, and Co-Products: Chemistry, Production, Applications, and Health Effects. Advances in Food and Nutrition Research, 2005, vol. 49, pp. 93–135. https://doi.org/10.1016/S1043-4526(05)49003-8
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
