Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 4

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ

УДК 541.64:539.2:537.5

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗА(III)

С ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНОМ НА СТРУКТУРУ ВОЛОКОН

ПОЛИ(3-ГИДРОКСИБУТИРАТА), ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЕМ

А. А. Артюх³, А. Н. Голощапов³, А. Л. Иорданский¹

¹ Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, Москва

² Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова, Москва

³ Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Москва

E-mail: aolkhov72@yandex.ru

Поступила в Редакцию 1 октября 2018 г.

После доработки 26 ноября 2018 г.

Принята к публикации 20 декабря 2018 г.

Методом электроформования получены ультратонкие волокна на основе биополимера поли(3-гидрок-

сибутирата), содержащие 1-5 мас% комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином. Межмолеку-

лярное взаимодействие компонентов волокон изучено методом УФ-спектроскопии. С помощью метода

магнитного резонанса определено наличие парамагнитных реакционных центров в смесях. Структура

кристаллических и аморфных областей волокон изучена методами дифференциальной сканирующей

калориметрии, рентгеноструктурного анализа, методом ЭПР спиновых зондов, сканирующей элек-

тронной микроскопии. Показано, что при добавлении комплекса в волокна поли(3-гидроксибутирата)

наблюдается увеличение размера кристаллитов и значительный рост степени кристалличности,

замедляется молекулярная подвижность в аморфных областях полимера. Температурный отжиг

при 140°С приводит к резкому росту кристалличности и снижению молекулярной подвижности в

аморфных областях поли(3-гидроксибутирата). Озонолиз изучаемых волокон при небольшом времени

воздействия (до 5 ч) обусловливает резкое замедление молекулярной подвижности, при более длитель-

ном озонировании волокон наблюдается рост подвижности. Полученные волокнистые материалы

обладают бактерицидными свойствами и могут найти приложение при создании терапевтических

систем антибактериального и противоопухолевого действия.

Ключевые слова: комплекс железа(III) с тетрафенилпорфирином, ультратонкие волокна, поли(3-ги-

дроксибутират), электроформование, озонолиз, кристаллическая структура, аморфная фаза, бак-

терицидные свойства.

DOI: 10.1134/S0044461819040066

В схемах лечения многих инфекционных и онколо-

систем используется наиболее распространенный

гических заболеваний часто применяются трансдер-

представитель нового класса природных полиэфи-

мальные системы на основе твердых полимерных

ров — поли(3-гидроксибутират) (ПГБ).

матриц или гелей, содержащих функциональные ве-

Одним из перспективных видов матриц с анти-

щества с антисептическими (бактерицидными) свой-

септическими свойствами являются нано- и микрово-

ствами [1, 2]. Для создания таких терапевтических

локнистые нетканые материалы, получаемые методом

465

466

Ольхов А. А. и др.

электроформования. Метод основан на ориентации

ют другие — атом металла (реакции диссоциации и

полимерного раствора в виде тонкой вязкой струи в

металлообмена [14]) и связи металл-экстралиганд

поле действия механических и электростатических

для МР со сложной координационной сферой ком-

сил с последующим формированием волокна диаме-

плекса. Некоторые РЦ в молекулах Н₂Р и МР всту-

тром в диапазоне от десятков до тысяч нанометров [3].

пают в реакции синхронно или почти синхронно,

Получение полимерных модификаций биологи-

как, например, третичные атомы азота и NH-связи

чески активных соединений является в настоящее

в реакциях комплексообразования [13], атомы ме-

время активно развивающейся областью химиче-

талла металлопорфиринов и π-макроциклический

ской технологии и направлено на синтез полимерных

хромофор в процессах образования молекулярных

материалов со значимыми биомедицинскими свой-

комплексов или формирования супрамолекулярных

ствами. Фундаментальный и прикладной интерес

систем [15].

к порфиринсодержащим полимерам связан с широ-

Наиболее перспективными носителями для функ-

кими возможностями синтеза молекулярных струк-

циональных низкомолекулярных веществ (частиц)

тур, обладающих специфическими свойствами, легко

являются полимерные волокна наноразмерного ди-

контролируемыми и изменяемыми в соответствии с

апазона.

областью их использования [4]. Установлено также

Настоящая работа рассматривает влияние желе-

лечебное действие различных порфиринов и их ме-

зо(III)хлортетрафенилпорфирина (FeClТФП) на гео-

таллокомплексов при лучевом поражении организма.

метрию, кристаллическую структуру и молекулярную

При этом показано, что эффективность радиозащит-

динамику в межкристаллитном пространстве (амор-

ного и пострадиационного воздействия порфиринов

фной фазе) ультратонких волокон поли(3-гидрокси-

существенно зависит от наличия в молекуле того или

бутирата). Исследуемый структурно-динамический

иного металла и полимерного окружения [5].

комплекс свойств волокнистых материалов является

Комплексы железа с порфиринами являются

основой для конструирования полимерных терапев-

гомогенными катализаторами автоокисления ряда

тических систем, обеспечивающих антибактериаль-

биогенных веществ. В этом процессе происходит

ные свойства.

промежуточное образование активных форм кислоро-

да — супероксидного анион-радикала, пероксидного

Экспериментальная часть

и гидроксильного радикалов, пероксида водорода,

цитостатическая активность которых хорошо извест-

Для получения волокон ПГБ использовали при-

на. Эти радикальные и ион-радикальные частицы

родный биоразлагаемый полимер полигидроксибу-

вызывают окислительные деструктивные реакции

тират серии 16F, полученный методом микробиоло-

в клетках, обусловливая бактерицидный эффект

гического синтеза компанией BIOMER® (Германия).

[6]. Порфирины принадлежат к числу соединений

Средневязкостная молекулярная масса ПГБ составля-

с большим количеством тесно взаимодействующих

ла 2.06·10⁵, степень кристалличности ~59%.

реакционных центров (РЦ). Эта взаимосвязь РЦ во

В качестве модифицирующего вещества для соз-

многом и обусловливает специфику свойств молекул.

дания волокнистых матриксов с антисептическими

У простейших лигандов Н₂Р имеется но крайней мере

свойствами использовали комплекс железа(III) с те-

четыре реакционных центра. Это пиррольные (-NH)

трафенилпорфирином (FeClТФП). Для получения во-

и пирролениновые (-N=) атомы азота, участвующие

локон готовили формовочные растворы ПГБ и ПГБ с

в процессах кислотно-основного взаимодействия [7],

FeClТФП в хлороформе. Концентрация ПГБ в раство-

комплексообразования [8] и нуклеофильного замеще-

ре составляла 7 мас%. Содержание FeClТФП в фор-

ния [9, 10], а также СβСβ-π-связи пиррольных колец,

мовочном растворе составляло 1, 3 и 5 мас% отно-

подверженные раскрытию или замещению водорода у

сительно массы ПГБ. Формовочные растворы ПГБ с

Сβ углеродного атома [9, 11, 12], и собственно макро-

FeClТФП готовили при температуре 60°С, используя

циклическая π-система, вступающая в реакции элек-

автоматическую магнитную мешалку. Волокна полу-

трофильного и нуклеофильного замещения Н-атома

чали методом электроформования (ЭФ) с помощью

в мезо-положении [11, 12], в процессы π-π-комплек-

однокапиллярной лабораторной установки с диаме-

сообразования, окисления-восстановления [13] и

тром капилляра 0.1 мм, напряжением электрического

т. д. При переходе к металлопорфиринам (МР) в ре-

тока 12 кВ, расстоянием между электродами 18 см,

зультате выравнивания электронной плотности на

электропроводимостью раствора 10 мкСм·см^-1 [16].

атомах азота в молекуле исчезает РЦ, связанный с

ЭПР-спектры (Х-диапазона) регистрировали на

реакциями диссоциации NH-связи, однако возника-

автоматизированном ЭПР-спектрометре ЭПР-В

Влияние добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином на структуру волокон...

467

(ИХФ РАН). Значение микроволновой мощности в

картины рассеяния высокого разрешения были полу-

резонаторе, чтобы избежать эффектов насыщения,

чены при помощи системы мало- и широкоуглового

не превышало 7 мВт. При записи спектров ампли-

рассеяния рентгеновского излучения S3-Micropix,

туда модуляции всегда была существенно мень-

изготовленной фирмой Hecus (CuKα-излучение,

ше ширины резонансной линии и не превышала

λ = 1.542 Å). Использовались детектор Pilatus 100K,

0.5 Гс. В качестве зонда использовали стабильный

а также линейный детектор PSD 50M в токе Ar/Me

нитроксильный радикал 2,2,6,6-тетраметилпипери-

8 бар, высокое напряжение на источнике Xenocs

дин-1-оксил (ТЕМПО). Радикал вводили в волокна

Genix трубке и ток составляли 50 кВ и 1 мА соответ-

из газовой фазы при температуре 40°С. Концентрация

ственно. Для формирования рентгеновского пучка

радикала в полимере не превышала 10^-3 моль·л^-1.

использовалась рентгеновская оптика Fox 3D, диаме-

Экспериментальные спектры спинового зонда в обла-

тры формирующих щелей в коллиматоре Кратки: 0.1

сти медленных движений (τ > 10^-10 с) анализировали

и 0.2 мм соответственно. Интервал измерения углов

в рамках модели изотропного броуновского вращения

дифракции 0.003-1.9 A^-1. Для устранения рассеяния

с помощью программы, описанной в работе [17]. При

рентгеновских лучей на воздухе блок рентгеновских

моделировании спектров были использованы следую-

зеркал и камера находились в вакуумной системе

щие главные значения g-тензора и тензора сверхтон-

(давление ≈ (2-3)·10^-2 мм рт. ст.). Время накопления

кого взаимодействия (СТВ) радикала: g_xx = 2.0096,

варьировали в интервале 600-5000 с.

g_yy = 2.0066, g_zz = 2.0025, А_хх = 7.0 Гc, A_yy = 5.0 Гc,

Геометрию волокнистых материалов исследовали

A_zz = 35.0 Гc. Величина А_zz была определена экс-

с помощью сканирующего электронного микроскопа

периментально из ЭПР-спектров нитроксильного

Hitachi TM-3000 (Япония) при ускоряющем напряже-

радикала в полимере при -216°С, она незначитель-

нии 20 кВ. На поверхность образца нетканого волок-

но отличается от значения, приведенного в работе

нистого материала напыляли слой золота толщиной

[18]. Значения времени корреляции вращения зонда

100-200 Å.

τ в области быстрых вращений (5·10^-11 < τ < 10^-9 с)

Электронные спектры поглощения (УФ-спектры)

определяли из спектров ЭПР по формуле

растворов ПГБ-FeClТФП получены на спектрофо-

тометре Hitachi UV-2001 с использованием кварце-

τ = ∆Н₊[(I₊/I_-)^0.5 - 1]·6.65·10^-10,

вых кювет с длиной оптического пути 1 см. Био-

логические исследования материалов проводили по

где ∆Н₊ — ширина компоненты спектра, располо-

следующей методике. В качестве тест-культур были

женной в слабом поле; I₊/I_- — отношение интенсив-

использованы S.aureus р 209 (Золотистый стафило-

ностей компонент в слабом и сильном поле соответ-

кокк), S. typhimurium (Сальмонелла тифимуриум),

ственно.

E. coli 1257 (Эшерихиа коли). Контролем служили

Ошибка определения τ составляла ±5. Спектры

образцы необработанного волокнистого материа-

магнитного резонанса волокон без введения зонда

ла. Культуры тест-микроорганизмов пересевали на

регистрировали по методике, описанной в работе

скошенный мясо-пептонный агар и инкубировали в

[19] при разных настройках мощности: 0.1, 1, 10 мВт.

течение 17-18 ч при 37°С. Затем готовили в физиоло-

В образцы помещали стеклянную ампулу с этало-

гическом растворе суспензию каждого микроорганиз-

ном — Mn²⁺ (1 мг).

ма и устанавливали концентрацию микробных клеток

Исследование образцов методом дифференци-

по стандарту мутности 10 4 м.к./мл. В стерильные

альной сканирующей калориметрии (ДСК) было

чашки Петри помещали образцы волокнистого мате-

проведено на приборе DSC 204 F1 фирмы Netzsch

риала (контрольные и опытные) размером 10 × 10 см.

в среде аргона cо скоростью нагрева 10 град·мин^-1.

По поверхности ткани распределяли 1 мл суспензии

Среднестатистическая ошибка измерения тепловых

тест-культуры и выдерживали при комнатной тем-

эффектов составляла ±3%. Энтальпия плавления бы-

пературе в течение 30 мин. Затем в чашку наливали

ла рассчитана по программе Netzsch Proteus [19].

9 мл стерильного физиологического раствора и вы-

Разделение пиков осуществлялось с помощью про-

держивали в течение 10-15 мин для элюирования

граммного обеспечения Netzsch Peak Separation 2006.01.

тест-культуры с волокнистого материала. По исте-

Вычисления проводили комбинированным методом

чении экспозиции материал из чашек в количестве

Гаусса-Ньютона, в котором метод Marquardt скомби-

100 мкл (0.1 мл) высевали на поверхность мясо-пеп-

нирован с оптимизацией длины шага итерации [20].

тонного агара, разлитого предварительно в чашки

Рентгеноструктурный анализ образцов проводили

Петри. Посевы инкубировали в течение 14-48 ч при

с использованием съемок на просвет. Двумерные

37°С. Параллельно производили высев используемых

468

Ольхов А. А. и др.

в опыте суспензий тест-культур для контроля кон-

Обсуждение результатов

центрации жизнеспособных микроорганизмов. Затем

В основе получения комплексов металлов с тетра-

проводили подсчет выросших на поверхности агара

фенилпорфирином лежат реакция комплексообразо-

колоний жизнеспособных микроорганизмов.

вания:

H₂Р(Solv)_p + MX_m(Solv)_n-m = МР(Solv)_q + mHX(Solv)_r,

где Н₂Р — порфирин, МХ_m — соль металла, МР — ме-

с максимумом при 415-420 нм и малоинтенсивные

таллопорфирин, n — максимальное координационное

Q-полосы в области длин волн 550-650 нм. Полоса

число катиона металла в данном растворителе, m —

Соре, характерная для макроциклических структур,

число монодентатных однозарядных ацидолигандов.

обусловлена переходом π q π* типа, связанного с

Хлориды большинства двух- и трехзарядных ка-

переносом заряда с участием порфиринового лиганда

тионов металлов хорошо образуют с порфиринами

и атома металла.

комплексы в различных органических растворителях.

Молекулярный механизм заключается в том, что

На вставке рис. 1 приведена структурная формула

центральный атом металла, вытесняя из порфирино-

FeClТФП. Данное соединение обладает высокой ка-

вого лиганда два протона, оказывается практически в

талитической активностью перехода молекулярного

симметричном электростатическом поле четырех ато-

кислорода в активные формы, обусловливающие его

мов азота, с которыми он образует четыре эквивалент-

повышенные бактерицидные свойства.

ные координационные связи донорно-акцепторного

Электронные спектры поглощения (рис. 1) содер-

типа. Если взаимодействие металла с анионом порфи-

жат интенсивную характеристическую полосу Соре рина ограничивается преимущественно электростати-

Рис. 1. Электронные спектры (зависимость интенсивности от длины волны) FeClТФП в хлороформе (а) и смесей

ПГБ-FeClТФП в хлороформе с содержанием порфирина 1 (б), 3 (в) и 5% (г).

На вставках: а — структурная формула FeClТФП, б — структурная формула ПГБ.

Влияние добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином на структуру волокон...

469

ческим взаимодействием, то образуются лабильные

комплексы ионного типа. Если же электростатическое

взаимодействие сопровождается заполнением вакант-

ных орбиталей центрального атома металла электро-

нами донорных N-атомов лиганда, то образуются ста-

бильные комплексы порфиринов преимущественно

ковалентного типа. Тот или иной тип взаимодействия

определяется как пространственной структурой пор-

фириновых лигандов (тетрадентатностью и относи-

тельной жесткостью планарного макрогетероцикла),

так и внешними факторами окружения (тип раство-

рителя, наличие в растворе полярных низкомоле-

кулярных или высокомолекулярных веществ и др.).

Из анализа рис. 1 следует, что положение полосы

Соре в растворах FeClТФП и ПГБ-FeClТФП не из-

Рис. 2. Зависимость количества парамагнитных центров

меняется, что свидетельствует об отсутствии хими-

в волокнах ПГБ-FeClТФП, приведенных к 1 мг, от кон-

центрации FeClТФП.

ческого связывания комплексов с функциональными

группами ПГБ, а также водородных связей между

компонентами формовочного раствора. При этом

возрастает, что свидетельствует о парамагнитных

наблюдается некоторый рост интенсивности и уши-

свойствах комплексов как в формовочном растворе,

рения пиков растворов ПГБ-FeClТФП относительно

так и в волокне. По площадям спектральных кривых

раствора FeClТФП, что может свидетельствовать

образцов были рассчитаны относительные количе-

об адсорбционном взаимодействии компонентов по

ства парамагнитных центров (рис. 2).

механизму Ван-дер-Ваальса. При этом может проис-

Количество парамагнитных центров в образцах

ходить иммобилизация на полярных функциональных

находится практически в линейной зависимости от

группах ПГБ молекул порфириновых комплексов.

концентрации порфирина. Разброс показателя мо-

Иммобилизация FeClТФП на ПГБ предотвращает

жет быть связан с агломерацией части комплексов в

нежелательную ассоциацию комплексов, что может

матрице ПГБ, а также с межмолекулярным взаимо-

повышать устойчивость системы к агрессивным сре-

действием полимера с комплексами. На данные ЭМР

дам. Связанные полимером молекулы комплексов

может влиять остаточный статический электрический

порфиринов придают модифицированному полимеру

заряд, образующийся на поверхности ПГБ-волокон

значимые свойства: каталитическую, биологическую

при электростатическом формовании. Поскольку ПГБ

активность, фотофизические и фармакологические

и FeClТФП хорошо растворимы в хлороформе, мож-

свойства и др.

но ожидать равномерного распределения комплексов

Иммобилизованные макромолекулями ПГБ в рас-

в объеме волокна. При взаимном влиянии компо-

творах хлороформа супрамолекулярные комплексы

нентов возможно изменение морфологии волокон в

FeClТФП, по всей видимости, должны оставаться в

зависимости от концентрации FeClТФП. Методом

стабильном состоянии и при формировании твердого

сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) были

ультратонкого волокна.

получены изображения участков волокнистых мате-

Каждая молекула супрамолекулярного комплекса

риалов, представленных на рис. 3.

FeClТФП имеет свой реакционный центр. Эти реак-

Как показано на рис. 3, добавление в раствор ПГБ

ционные центры в супрамолекулярных комплексах

комплекса FeClТФП приводит к существенному из-

FeClТФП вследствие наличия координационно свя-

менению морфологии волокна. У исходного волок-

занных ионов железа, обладающих ярко выраженны-

на ПГБ (рис. 3, а) наблюдается чередование цилин-

ми парамагнитными свойствами, можно достаточно

дрических и веретенообразных участков. Наличие

уверенно регистрировать методом электронного маг-

утолщений в структуре волокна может объясняться

нитного резонанса (ЭМР). По числу парамагнитных

низкими значениями электропроводимости и поверх-

центров можно судить о сравнительном количестве

ностного натяжения полимерного формовочного рас-

супрамолекулярных комплексов и степени их локаль-

твора [21]. Средний диаметр цилиндрических участ-

ной агломерации в образцах.

ков волокна составляет 1-6 мкм, а веретеноподобные

С ростом содержания комплексов FeClТФП в во-

элементы имеют максимальный диаметр ~10 мкм и

локнах ПГБ интенсивность и площадь спектров ЭПР

протяженность 20-30 мкм.

470

Ольхов А. А. и др.

мости вытягивание капли раствора в поле действия

электростатической силы происходит более интен-

сивно, что влечет за собой выравнивание волокон по

толщине.

Наряду с изменением геометрии ультратонких

волокон ПГБ при введении FeClТФП следует ожидать

и изменения структурно-динамических параметров

кристаллической и аморфной фаз. При добавлении

в раствор слабополярного ПГБ полярных молекул

FeClТФП может происходить взаимодействие между

ними за счет сил молекулярного притяжения [22-24].

При этом в процессе формирования волокна изменят-

ся скорости процессов кристаллизации, ориентации и

релаксации полимерных макроцепей [25].

Следует отметить, что концентрация порфирина

в аморфных областях полимера будет значительно

выше, чем исходно заданные значения 1, 3 и 5%, так

как этот расчет проводили на всю массу образца, а

комплексы FeClТФП находятся только в аморфной

фазе.

На рис. 4 представлены данные по изменению сте-

пени кристалличности в образцах с ростом концен-

трации FeClТФП. Видно, что доля кристаллической

фазы ПГБ резко возрастает с ростом концентрации

FeClТФП. Из полученных данных можно заключить,

что порфирин в композитах выступает в роли струк-

турного пластификатора, обеспечивающего рост сво-

бодного межмолекулярного объема в ПГБ. Это оказы-

Рис. 3. Изображения морфологии волокнистых матери-

алов ПГБ-FeClТФП.

а — ПГБ, б — ПГБ + 1% FeClТФП, в — ПГБ + 5%

FeClТФП.

При добавлении в раствор 1-5% FeClТФП вере-

теноподобные элементы в структуре волокна про-

падают полностью (рис. 3, б, в). При добавлении

1% комплекса в волокнистом материале появляются

волокна со средним диаметром 1.5, 3, 5 мкм. При

увеличении концентрации FeClТФП формируются

волокна со средним диаметром 3 мкм, а волокна с

диаметрами 1.5 и 6 мкм практически полностью ис-

Рис. 4. Зависимость степени кристалличности (ДСК) от

чезают. Исчезновение веретеноподобных структур

концентрации порфирина в волокнах ПГБ.

можно объяснить увеличением электропроводимости

Точки на рисунке — после отжига при 140°С.

формовочных растворов при введении полярных ком-

На вставке: термограммы плавления ПГБ с 3% порфирина:

плексов FeClТФП. При увеличении электропроводи-

1 — исходный образец, 2 — после отжига при 140°С.

Влияние добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином на структуру волокон...

471

вает влияние на кристаллизацию макромолекул ПГБ

в процессе электроформования волокна.

Полимерные пленки и волокна ПГБ имеют не-

равновесную структуру, что приводит к незавершен-

ности процесса кристаллизации. Для приведения

системы в термодинамическое равновесие исполь-

зуют метод термического отжига при температурах

на 20-30° ниже температуры плавления, поэтому

мы подвергали образцы отжигу при 140°С в тече-

ние 2 ч (рис. 2, а, кривая 2) и быстро их охлаждали.

Степень кристалличности ПГБ при этом увеличи-

лась в 1.6 раза, в ПГБ с 1% порфирина в 1.1 раза, в

то время как в образцах ПГБ с 3 и 5% FeClТФП эта

величина заметно уменьшилась.

Объяснением полученных закономерностей, по

нашему мнению, может являться сильное межмолеку-

лярное взаимодействие молекул FeClТФП с концевы-

ми гидроксильными и карбонильными группами ос-

новной цепи ПГБ. При 140°С происходит частичное

плавление кристаллитов ПГБ, и частицы FeClТФП

Рис. 5. Зависимость продольного размера кристаллитов

проникают в эти области. При быстром охлаждении

ПГБ (а) в волокнах от концентрации FeClТФП.

образца вследствие межмолекулярного взаимодей-

На вставке: б — зависимость большого периода в волокнах

ствия ПГБ с FeClТФП молекулы последнего остаются

ПГБ от концентрации FeClТФП: 1 — исходный образец,

2 — после отжига при 140°С.

в этих областях полимера, что препятствует процессу

кристаллизации. Степень кристалличности снижает-

ся (табл. 1). Чем выше концентрация FeClТФП, тем в

ности и размера кристаллитов после температурного

большей степени протекают процессы аморфизации

отжига при 140°С свидетельствует о неравновесном

кристаллических областей. Однако при добавлении

состоянии надмолекулярной структуры волокон. При

5% FeClTФП наблюдается повышение кристаллично-

температурном воздействии происходит достройка

сти (относительно образца ПГБ с 3% FeClТФП). По

кристаллитов [26].

нашему мнению, такие изменения обусловлены более

Кристаллиты и аморфные области в ориентиро-

низкой долей деформированных лекарственным пре-

ванном полимере в общем случае не отвечают ми-

паратом кристаллических областей по сравнению с

нимуму свободной энергии. Стремление аморф-

образцами, содержащими 3% FeClТФП (так как доля

но-кристаллической системы к минимуму свободной

аморфных областей в волокне с 5% препарата более

энергии облегчается при отжиге полимера ниже тем-

низкая, чем в волокне с 3%, и вследствие термоди-

пературы плавления, когда макромолекулы получают

намического равновесия количество FeClТФП также

достаточную подвижность. При этом аморфные обла-

характеризуется более низкими значениями).

сти стремятся релаксировать к состоянию переохлаж-

Методом рентгеновской дифракции в больших и

денного расплава, а кристаллические области стре-

малых углах проведено исследование волокон ПГБ и

мятся к минимуму свободной энергии посредством

ПГБ с FeClТФП разного состава, исходных и отож-

изменения размеров и в первую очередь продольных

женных при 140°С (рис. 5). Результаты, полученные

размеров кристаллитов. Абсолютному минимуму сво-

рентгеноструктурным анализом, свидетельствуют о

бодной энергии соответствует бесконечно большой

росте размера кристаллитов L₀₀₂ при добавлении в

продольный размер кристаллита. По этой причине

волокна ПГБ порфирина. Важно отметить, что если

кристаллиты стремятся увеличить продольный раз-

степень кристалличности, определенная методом

мер и тем самым понизить свою свободную энергию.

рентгеноструктурного анализа, для ПГБ составля-

Поэтому следует ожидать увеличения периода скла-

ет 57% и возрастает с повыщением концентрации

дывания всякий раз, когда макромолекулы получают

порфирина до 67%, то по данным ДСК эта величина

достаточную подвижность, в частности, при темпера-

возрастает от 56 до 86%. Представленные данные

турном воздействии, и, как правило, кристаллический

свидетельствуют о наличии в волокнах паракристал-

полимер рекристаллизуется. Экспериментальное изу-

лических структур. Увеличение степени кристаллич-

чение роста размеров складчатых кристаллитов при

472

Ольхов А. А. и др.

Таблица 1

Термофизические параметры* волокнистых материалов ПГБ-FeClТФП

Нагрев

Охлаждение

FeClTФП, %

пл,%

Т_пл, °С (±1°)

χ_пл,%

Т_пл, °С (±1°)

175

170

169

* χ — степень кристалличности, Т_пл — температура плавления.

постоянной температуре отжига [27] показало, что

личающимися временами корреляции τ₁ и τ₂, где τ₂

продольный размер кристаллитов L₀₀₂ зависит от

характеризует молекулярную подвижность в менее

времени отжига по закону L₀₀₂ = А + Вlgt, где В —

плотных, а τ₁ — в более плотных аморфных областях

скорость роста размеров кристаллитов. В данной

(рис. 6).

работе образцы отжигали при 140°С в течение 2 ч.

Оценка соотношения концентраций различных по

Результаты исследований показали, что отжиг при-

плотности областей была проведена путем матема-

водит к значительному росту кристаллитов и степени

тической обработки спектров с помощью програм-

кристалличности. При отжиге происходит самопроиз-

мы NLSL (в программном пакете Bruker WinEPR

вольное распрямление и доориентация части цепей.

для спектра ЭПР) аналогично процедуре, описанной

Структура аморфных областей в значительной

ранее в работе [19]. Соответствующие расчеты по-

степени определяется долей кристаллических обра-

казали, что доля плотных областей в аморфной фазе

зований. Вследствие этого при добавлении малых

ПГБ существенно превосходит долю менее плотных,

концентраций FeClТФП растет степень кристаллич-

и с ростом концентрации FeClТФП в образце доля

ности ПГБ, изменяются размеры кристаллитов, что

плотных областей увеличивается (табл. 2). Возрастает

приводит к изменению структурного и динамическо-

и время корреляции радикала, а следовательно, мо-

го состояния аморфных областей.

лекулярная подвижность в плотных областях поли-

Молекулярную динамику этих областей наибо-

мера замедляется, в то время как в рыхлых областях

лее удобно исследовать методом ЭПР с использо-

аморфной фазы подвижность радикала практически

ванием стабильных радикалов. ЭПР-спектры ради-

не изменяется.

кала ТЕМПО в матрице ПГБ имеют сложный вид и

При использовании биомедицинских материалов

представляют собой суперпозицию двух спектров,

одновременно с механическим и температурным воз-

соответствующих двум популяциям радикалов с раз-

действием на их структуру и сегментальную подвиж-

ность оказывает влияние озон. Здесь следует указать

два источника его появления в атмосфере. Во-первых,

озон образуется при работе мощных электрических

приборов, обеспечивающих жизнедеятельность па-

циентов как в процессе хирургических операций,

так и при терапии или мониторинге в стационаре.

Во-вторых, озон в некоторых частных случаях про-

должает использоваться при стерилизации медицин-

ских изделий. Несмотря на повседневный контакт

данного агрессивного соединения с полимерами, его

влияние на их морфологические и динамические ха-

рактеристики остается малоисследованной областью

полимерного материаловедения. Ко всему прочему

воздействие озона можно использовать как струк-

Рис. 6. Спектры ЭПР нитроксильного радикала ТЕМПО

турно чувствительный метод для оценки стойкости

образца ПГБ с 3% FeClТФП.

полимерной системы к окислению.

Влияние добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином на структуру волокон...

473

Таблица 2

Структурные характеристики аморфной фазы волокон ПГБ в зависимости от концентрации FeClТФП

Доля плотных и рыхлых областей

Время корреляции τ, 10^-10 ± 5%, с

в аморфной фазе α,%

FeClТФП, %

плотная

рыхлая

плотная

рыхлая

4.0

4.3

104

4.3

110

4.3

В работе изучали влияния озонного воздействия

наиболее высокой скоростью окисляются петли ма-

на смесевые композиции при двух температурах — 22

кромолекул на границе кристаллит-аморфная фаза,

и 40°С (рис. 7). Озонолиз сложным образом влияет на

так как на этих участках концентрируются наибо-

структуру полимера. С одной стороны, как показали

лее высокие напряжения и, следовательно, наиболее

результаты ранних работ [27, 28], рост жесткости

высокая скорость окисления. Разрыв этих петель

аморфных областей при небольших степенях окис-

сопровождается распрямлением сегментов, что за-

ления происходит как вследствие самопроизволь-

медляет молекулярную подвижность в этих обла-

ной доориентации цепей, а с другой — в результате

стях. Образование кислородсодержащих групп в бо-

усиления межмолекулярного взаимодействия из-за

ковых цепях макромолекул приводит к усилению

накопления полярных кислородсодержащих групп.

межмолекулярного взаимодействия, как результат,

Самопроизвольная доориентация части цепей при

молекулярная подвижность цепей также замедляет-

озонолизе ПГБ происходит по причине разрывов

ся. Поэтому, как видно из рис. 7, а, б, на начальном

перенапряженных участков цепей в местах узлов

этапе окисления замедляется подвижность зонда, а

и зацеплений макромолекул и их распрямления. С

следовательно, и молекулярная подвижность цепей.

Рис. 7. Зависимость времени корреляции от времени озонолиза волокон ПГБ-FeClТФП при 22 (а) и 40°С (б).

Концентрация FeClТФП (%): 1 — 0, 2 — 1, 3 — 3, 4 — 5.

474

Ольхов А. А. и др.

Таблица 3

Влияние содержания комплекса железо(III)порфирина на жизнеспособность культур микроорганизмов

на волокнистом материале ПГБ с FeClТФП

Количество жизнеспособных микроорганизмов, КОЕ/мл

Тест-культура

исходная тест-культура

опытный образец

контрольный образец

S. aureus р 209

2·10⁴

1.8·10³

4·10³

E. coli 1257

1.6·10⁴

менее 1·10²

9·10³

S. typhimurium

2.2·10⁴

1.0·10³

6·10³

Чем выше степень кристалличности, тем более высо-

действия изученных нетканых волокнистых матери-

кая дисперсность кристаллитов и тем больше петель

алов ПГБ-FeClТФП при содержании комплекса 1%.

участвуют в процессе окисления, что и наблюдается

В данной работе исследования проводили на клетках

экспериментально. Одновременно происходит так-

золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus),

же деструкция цепей в рыхлых аморфных областях,

кишечной палочки (Escherichia coli) и грибковой

что приводит к росту молекулярной подвижности и

культуры Salmonella typhimurium (S. typhimurium)

как следствие к уменьшению времени корреляции.

как наиболее распространенных микроорганизмов.

Поэтому при более длительном времени окисления

Стафилококк (Staphylococcus) распространен повсю-

(свыше 6 ч) преобладают именно такие процессы.

ду и часто входит в состав нормальной микрофло-

Аналогичные результаты были получены при озоно-

ры человека, обычно колонизирует носовые ходы,

лизе полиэтилена, полипропилена и ПГБ с полиуре-

брюшную полость и подмышечные участки. При

таном [27, 28].

повреждениях кожи и слизистых оболочек стафи-

Зависимость изменения подвижности от времени

лококки проникают в глубь организма и способ-

озонного окисления при 40°С имеет отличный от пре-

ны поражать практически любые ткани и органы.

дыдущего случая характер (рис. 7, б). Рост времени

E. coli — представитель нормальной микрофлоры

корреляции наблюдается только до 0.2 ч. Дальнейшее

кишечника человека, однако некоторые ее варианты

воздействие озона приводит к снижению молекуляр-

способны в определенных условиях вызывать много-

ной подвижности. Объяснением может служить более

численные заболевания. Дрожжеподобные грибы ви-

высокая скорость озонного окисления и деструкции во-

да S. typhimurium — одноклеточные микроорганизмы

локна. В общем случае энергетическое состояние кри-

овальной или круглой формы широко распростране-

сталлических и аморфных областей не характеризует-

ны в окружающей среде. Некоторые из них обитают

ся минимумом свободной энергии. Аморфные области

на кожных покровах и слизистых оболочках человека,

стремятся релаксировать к состоянию переохлажден-

формируя вместе с бактериями нормальные биоце-

ного расплава, а кристаллиты стремятся к минимуму

нозы. Однако при определенных неблагоприятных

свободной энергии посредством изменения размеров, и

условиях они могут вызвать у человека клинически

в первую очередь продольных размеров. Абсолютному

выраженные заболевания.

минимуму свободной энергии соответствует беско-

Результаты биологических испытаний образцов

нечно большой продольный размер кристаллитов, и

волокнистых материалов ПГБ с FeClТФП приведены

следует ожидать увеличения периода складывания

в табл. 3.

всякий раз, когда молекулы получают достаточную

Мы полагаем, что антибактериальные свойства

подвижность, в частности, при температуре отжига.

полученных комплексов FeClТФП в волокнистой

Поэтому возникающие дополнительные напряжения

матрице ПГБ связаны в первую очередь с их воздей-

на выпрямленных участках молекул при повышенных

ствием на клеточные стенки микроорганизмов путем

температурах, в частности при 40°С, обусловлива-

изменения заряда бактериальной клетки. Как след-

ют более высокую скорость окисления. В результате

ствие этого комплексы способны подавлять функ-

процессы деструкции преобладают над процесса-

цию адгезии и колонизации болезнетворных микро-

ми сшивок уже на более ранних стадиях окисления.

организмов. По-видимому, комплексы FeClТФП в

В заключительной части исследований была сде-

составе микрофибриллярных матриц ПГБ способны

лана проверка эффективности антибактериального

нарушать ионный баланс живой клетки.

Влияние добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином на структуру волокон...

475

Порфириновые молекулы проявляют биологи-

содержащих групп. При более глубоком окислении

ческие и каталитические функции только в составе

подвижность радикала возрастает, что объясняется

металлокомплексов. Эти функции определяются ко-

их интенсивной деструкцией.

ординационными (донорно-акцепторными, комплек-

Взаимное влияние кристаллических и аморфных

сообразующими) свойствами молекулы порфирина

областей в биоразлагаемых высококристаллических

и соли металла. Поскольку между тетрапиррольным

полимерах и их композициях остается достаточно

макрогетероциклом и ионом металла в молекуле ме-

сложной, малоизученной проблемой современного

таллопорфирина (см. вставку на рис. 1, а) существует

полимерного материаловедения. Исследования состо-

сильное взаимодействие, можно говорить о коорди-

яния полимерной матрицы и роль металлокомплексов

национных свойствах FeClТФП [29].

порфиринов впервые позволили интерпретировать на

Из данных, приведенных в табл. 3, видно, что в

молекулярном уровне воздействие ряда агрессивных

эксперименте на волокнистом материале, импрегни-

факторов (таких как температура и озон) на струк-

рованном FeClТФП, количество жизнеспособных ми-

турно-динамические характеристики волокон смесей

кробных клеток после экспозиции 30 мин снизилось

поли(3-гидроксибутирата)-порфирин.

для золотистого стафилококка в 2.2 раза, E. coli не

Полученные данные свидетельствуют о перспек-

менее чем в 90 раз, для S. typhimurium в 6 раз.

тивности использования импрегнированных желе-

Полученные данные свидетельствуют о перспек-

зо(III)порфирином нетканых материалов в санитар-

тивности использования импрегнированных желе-

но-гигиенических целях и при лечении различных

зо(III)порфирином нетканых материалов в санитар-

ран и ожогов.

но-гигиенических целях и при лечении различных

ран и ожогов.

Благодарности

В работе использовали приборы Центра коллек-

Выводы

тивного пользования Института биохимической фи-

В настоящем исследовании на основе струк-

зики РАН «Новые материалы и технологии». Авторы

турно-динамического подхода, сочетая методы

выражают благодарность проф. U. J. Haenggi (Bio-

СЭМ, ЭМР (в том числе ЭПР спиновых зондов),

mer®, Krailling, Germany) за предоставленный по-

УФ-спектроскопии, ДСК и рентгеноструктурный ана-

ли(3-гидроксибутират). Авторы благодарят сотрудни-

лиз, мы представили результаты влияния комплексов

ков Института химической физики им. Н. Н. Семенова

FeClТФП на кристаллическую фазу и сегментальную

за проведение спектральных измерений (тема

подвижность молекул поли(3-гидроксибутирата) в

№ АААА-А18-118020890097-1) и калориметрических

аморфных областях ультратонких волокон. Введение

исследований (тема № АААА-А17-117040610309-0).

малых концентраций порфирина (1-5%) приводит к

значительному увеличению размера кристаллитов

Конфликт интересов

и степени кристалличности поли(3-гидроксибути-

рата). Как отклик на изменение кристаллической

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

фазы было зарегистрировано изменение динамики

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

вращения зонда в аморфных областях. Причиной

этого является межмолекулярное взаимодействие

Информация об авторах

компонентов, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса

либо водородными связями между молекулами ком-

Голощапов Александр Николаевич, к.б.н., помощ-

плексов и функциональными группами поли(3-

ник директора ИБХФ РАН, ORCID: https://orcid.

гидроксибутирата). Отжиг волокон приводит к рез-

org/0000-0003-1751-0034

кому увеличению кристаллической фазы в волокнах

Артюх Анастасия Александровна, с.н.с. ИБХФ

поли(3-гидроксибутирата), что свидетельствует о

РАН, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2966-1297

неравновесном состоянии надмолекулярной струк-

Бычкова Анна Владимировна, к.х.н., науч. сотр.,

туры волокон.

ORCID :https://orcid.org/ 0000-0001-6367-0923; РИНЦ:

Озонное воздействие на начальном этапе (до 6 ч)

SPIN-код: 2180-2705, ID: 603454; WoS Researcher ID:

на волокна изучаемой смеси показало резкий рост

K-1231-2015; Scopus ID: 35096067800

времени корреляции, что объясняется ростом доли

Ольхов Анатолий Александрович, к.т.н., в.н.с. РЭУ

выпрямленных цепей и усилением межмолекулярно-

им. Г. В. Плеханова, с.н.с. ИХФ РАН, ORCID: https://

го взаимодействия вследствие накопления кислород-

orcid.org/ 0000-0003-0615-6914

476

Ольхов А. А. и др.

Иорданский Алексей Леонидович, д.х.н., г.н.с. ИХФ

[14]

Митасова Ю. В., Кузнецов Р. Е., Баланцева Е. В.,

РАН, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0771-0825

Агеева Т. А., Койфман О. И. // Изв. вузов. Химия и

Лобанов Антон Валерьевич, д.х.н., зав. лаб. ИХФ

хим. технология. 2008. Т. 51. Вып. 1. С. 74-77.

[15]

Valkova, L., Borovkov N., Koifman O., Kutepov A.,

РАН, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4205-7630

Berzina T., Fontana M., Rella R., Valli L. // Biosensors

Карпова Светлана Геннадьевна, к.ф.-м.н., с.н.с.

and Bioelectronics. 2004. V. 20. P. 1177-1184.

ИБХФ РАН, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3514-

[16]

Yео L. Y., Friend J. R. // J. Experimental Nanosci.

5843; Scopus ID: 16218970000

2006. V. 1. N 2. Р. 177-209.

[17]

Тимофеев В. П., Мишарин А. Ю., Ткачев Я. В. //

Биофизика. 2011. Т. 56. № 3. С. 420-432 [Timofe-

Список литературы

ev V. P., Tkachev Y. V., Misharin A. Y. // Biophysics.

[1] Бойко А. В., Олтаржевская Н. Д., Щвец В. И.,

2011. V. 56. N 3. P. 407-417].

Демидова Л. В., Дунаева Е. А., Дубовецкая О. Б.,

[18]

Карпова С. Г., Ольхов А. А., Шилкина Н. Г., По-

Мельникова В. Ю., Ерастова Е. И., Кожевнико-

пов А. А., Филатова А. Г., Кучеренко Е. Л.,

ва С. А. // Патологическая физиология и эксперим.

Иорданский А. Л. // Высокомолекуляр. соединения.

терапия. 2018. Т. 62. № 3. С. 120-127.

2017. T. 59А. № 1. C. 53-62 [Karpova S. G., Po-

[2] Корытова Л. И., Сокуренко В. П., Маслюкова Е. А.,

pov A. A., Ol′khov A. A., Shilkina N. G., Filatova A. G.,

Мешечкин А. В., Олтаржевская Н. Д., Корови-

Kucherenko E. L., Iordanskii A. L. // Polym. Sci.

на М. А., Гусев И. В., Кузнецов А. Д., Красни-

Ser. A. 2017. V. 59. N 1. P. 58-66].

кова В. Г., Обухов Е. М. // Рос. биотерапевт. журн.

[19]

Бычкова А. В., Иорданский А. Л., Коварский А. Л.,

2015. Т. 14. № 4. С. 99-103.

Сорокина О. Н., Косенко Р. Ю., Маркин В. С., Фи-

[3] Прокопчук Н. Р., Шашок Ж. С., Прищепенко Д. В. //

латова А. Г., Гумаргалиева К. З., Роговина С. З.,

Полимер. материалы и технологии. 2015. Т. 1. № 2.

Берлин А. А. // Рос. нанотехнологии. 2015. Т. 10.

С. 36-56.

№ 3-4. С. 132-139.

[4] Голубчиков О. А., Пуховская С. Г., Кувшинова Е. М.

[20]

Чегерев М. Г., Пискунов А. В., Старикова А. А.

// Успехи химии. 2005. Вып. 3. С. 268-284.

// ЖОХ. 2017. Т. 87. № 11. С. 1841-1848 [Chege-

[5] Никитина Н. И., Потапов Г. П. // Химия раст. сы-

rev M. G., Piskunov A. V., Starikova A. A. // Russ. J.

рья. 2002. № 2. С. 79-84.

Gen. Chem. 2017. V. 87. N 11. P. 2582-2588].

[6] Лобанов А. В., Неврова О. В., Илатовский В. А.,

[21]

Ramakrishna S, Fujihara K., Teo W., Lim T.-C., Ma Z.

Синько Г. В., Комиссаров Г. Г. // Макрогетероциклы.

An Introduction to Electrospinning and Nanofibers.

2011. Т. 4. № 2. С. 132-134.

Singapoor: World Scientific Publ. Co. Pte. Ltd, 2005.

[7] Курмаз С. В., Перепелицина Е. О. // Изв. АН. Сер.

396 p.

хим. 2006. № 5. С. 807-816.

[22]

Карпова С. Г., Ольхов А. А., Иорданский А. Л.,

[8] Помогайло Д. А., Уфлянд И. Е. Макромолекулярные

Ломакин С. М., Шилкина Н. С., Попов А. А., Гумар-

металлохелаты. М.: Химия, 1991. 304 с.

галиева К. З., Берлин А. А. // Высокомолекуляр. сое-

[9] Титов В. А., Кривых Е. С., Агеева Т. А., Шико-

динения. 2016. Т. 58A. № 1. С. 61-72 [Karpova S. G.,

ва Т. Г., Соловьева А. Б., Тимофеева В. А., Вер-

Ol′khov A. A., Iordanskii A. L., Lomakin S. M., Shilki-

шинина И. А., Рыбкин В. В., Choi H. S. // Высоко-

na N. G., Popov A. A., Gumargalieva K. Z., Ber-

молекуляр. соединения. 2008. Т. 50А. № 8.

lin A. A. // Polym. Sci. Ser. A. 2016. V. 58. N 1. P. 76-

С. 1454-1462 [Titov V. A., Ageeva T. A., Shikova T. G.,

86].

Rybkin V. V., Krivykh E. S., Vershinina I. A.,

[23]

Ольхов А. А., Маркин В. С., Косенко Р. Ю., Гольд-

Solov′eva A. B., Timofeeva V. A., Choi H. S. // Polym.

штрах М. А., Иорданский А. Л. // ЖПХ. 2015. Т. 88.

Sci. Ser. A. 2008. V. 50. N 8. P. 841-847].

№ 2. С. 307-312 [Olkhov A. A., Markin V. S., Kosen-

[10] Исламова Р. М., Насретдинова Р. Н., Агеева Т. А.

ko R.Yu., Gol′dshtrakh M. A., Iordanskii A. L. // Russ.

Успехи химии порфиринов. СПб: Изд-во НИИ

J. Appl. Chem. 2015. V. 88. N 2. P. 308-313].

Химии, 2007. Т. 5. 323 c.

[24]

Wang Z., Sun B., Zhang M. // J. Bioactive Compat.

[11] Гришин Д. Ф., Семенычева Л. Л., Колякина Е. В. //

Polym. 2013. V. 28. P. 154-166.

ЖПХ. 2001. Т. 74. № 3. С. 483-486.

[25]

Ol′khov A. A., Iordanskii A. L, Staroverova O. V.,

[12] Помогайло Д. А. Полимерные иммобилизованные

Gumargalieva K. Z., Sklyanchuk E. D., Gur′ev V. V.,

металлокомплексные катализаторы. М.: Наука,

Abbasov T. A., Ishchenko A. A., Rogovina S. Z., Ber-

1988. 303 с.

lin A. A. // Fibre Chem. 2016. V. 47. N 5. Р. 348-361.

[13] Мамардашвили Г. М., Симонова О. Р., Чижо-

[26]

Иорданский А. Л., Ольхов А. А., Карпова С. Г.,

ва Н. В., Мамардашвили Н. Ж. // ЖОХ. 2018. Т. 88.

Кучеренко Е. Л., Косенко Р. Ю., Роговина С. З.,

№ 6. С. 974-983 [Mamardashvili G. M., Simono-

Чалых А. Е., Берлин А. А. // Высокомолекуляр.

va O. R., Chizhova N. V., Mamardashvili N. Z. // Russ.

соединения. 2017. T. 59А. № 3. C. 273-284

J. Gen. Chem. 2018. V. 88. N 6. P. 1154-1163].

[Iordanskii A. L., Ol′khov A. A., Karpova S. G.,