Коллоидный журнал, 2019, T. 81, № 2, стр. 263-267

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к полимерным композитам на основе хитозана (ХТЗ) сохраняется на протяжении нескольких десятилетий. Этот природный полисахарид обладает уникальным комплексом физических и химических свойств, хорошими фармакологическими характеристиками, нетоксичен, биосовместим и способен к биодеградации. Его используют для получения пленок, волокон и других материалов, широко применяемых в биологии и медицине. К настоящему времени значительное число исследований посвящено созданию композитов из наночастиц (НЧ) золота и серебра в матрице ХТЗ и карбоксиметилхитина [1–10]. В подавляющем большинстве этих работ синтез НЧ металла проводился в обращенных мицеллах [7, 8] с введением дополнительных восстановителей и стабилизаторов [9] или с применением радиационного и УФ-облучения [10, 11]. Как правило, размер синтезируемых таким образом НЧ составляет от 2–5 до 15–30 нм, в то время как для некоторых медицинских применений, например для импульсной лазерной гипертермии [12–16], требуются НЧ серебра бóльших размеров. Поэтому цель настоящей работы − анализ возможности получения таких НЧ серебра в растворах ХТЗ без введения каких-либо дополнительных восстановителей. При этом мы руководствовались тем фактом, что звено ХТЗ, представляющее собой β-D-глюкозу, может выполнять функцию не только стабилизатора НЧ, но и их восстановителя [4].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе был использован хитозан производства “ООО Биопрогресс” (Россия) со среднемассовой молекулярной массой M_w = 311 ± 54 кДа, оцененной нами с использованием в режиме статического рассеяния света прибора Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания), в программном обеспечении которого уже заложена стандартная процедура определения M_w по уравнению Дебая.

Степень деацетилирования ХТЗ, рассчитанная из спектральных данных по методу [17], составила 0.80. В качестве прекурсора был использован AgNO₃ (≥99.9%, Aldrich). pH раствора регулировали за счет введения 0.5 мас. % раствора Na₂CO₃ (“ч. д. а.”). Растворы готовили в день синтеза в свежеперегнанной деионизованной воде с удельным сопротивлением 18.4 МОм/см (установка Milli-Q).

Основная проблема получения НЧ металлов в водных растворах ХТЗ заключается в том, что сам полимер хорошо растворим в кислых средах, тогда как восстановление ионов металлов большинством реагентов происходит в щелочных и иногда в нейтральных водных растворах.

Нами была проведена серия экспериментов по определению узкого диапазона значений рН растворов и температурного режима реакции, при которых ионы серебра в растворе ХТЗ уже начинают восстанавливаться и в то же время сам полимер не осаждается. В результате синтез осуществляли следующим образом: в бидистиллят при комнатной температуре вводили при постоянном перемешивании раствор ХТЗ, реакционную смесь при интенсивном перемешивании нагревали до 75°C в течение 20–30 мин и вводили последовательно растворы AgNO₃ и Na₂CO₃. Время, за которое первоначально прозрачный раствор становился сначала желтым, а потом постепенно красновато-коричневым, изменялось от 1 ч для реакционной смеси с самым низким содержанием карбоната натрия (то есть с низким значением рН) до 20 мин для системы, содержащей 0.9 мл раствора Na₂CO₃.

Распределение числа НЧ по размеру определяли методом динамического рассеяния света (длина волны излучения лазера 633 нм) на приборе Zetasizer Nano ZS при 25°C.

ИК-спектры измеряли в режиме пропускания на спектрометре Nicolet 6700 с разрешением 2 см^–1 и усреднением 128 сканирований в диапазоне волновых чисел 400–4000 см^–1 при комнатной температуре на воздухе. Для этого из образцов формировали пленки на окнах из смешанного бромида/йодида таллия (KRS-5) по стандартной методике.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Наилучшие результаты с точки зрения степени полидисперсности частиц по размерам и стабильности нанодисперсий наблюдаются при соотношениях концентраций реагентов, приведенных в табл. 1. Кроме того, из представленных в ней данных следует, что даже в растворе ХТЗ достаточно низкой концентрации (образец № 1) можно получить НЧ серебра без использования каких-либо дополнительных восстановителей. Образец № 2 с такой же концентрацией ХТЗ оказался неустойчивым, вероятно, в силу кинетических факторов – при увеличении рН реакционной смеси увеличивается скорость реакции. В образцах № 3–5 концентрация ХТЗ увеличена в два раза по сравнению с предыдущими, и при повышении pH системы от 6.9 до 7.3 и, далее, до 7.9 уже образуются устойчивые дисперсии серебра со среднечисловыми размерами НЧ 58, 65 и 61 нм соответственно. Однако явной связи размеров частиц с pH реакционной системы в этом концентрационном интервале реагентов не наблюдается.

При увеличении концентрации прекурсора (образцы № 6–8) при подобном варьировании рН реакционной смеси наблюдается выраженная тенденция к уменьшению среднего размера частиц от 69 до 43 нм (рис. 1). Отметим, что подобную зависимость наблюдали авторы работы [8] при получении НЧ серебра радиационно-химическим способом с использованием карбоксиметилхитина.

Рис. 1.

Распределение числа НЧ серебра, синтезированных в водных растворах ХТЗ при различных значениях pH, по размеру. Номера у кривых соответствуют номерам образцов в табл. 1.

Известно [18], что в разбавленных растворах конформация макромолекул ХТЗ адекватно описывается моделью сильно вытянутого эллипсоида вращения. Поэтому мы предприняли попытку измерить размеры частиц исследуемого ХТЗ в растворах с концентрацией, соответствующей его содержанию в большинстве опытов, – в табл. 1 этот раствор ХТЗ обозначен как образец № 9. Оказалось, что “клубки” ХТЗ имеют очень узкое распределение по размерам с максимумом при 276 нм. С другой стороны, средний размер частиц в реакционной системе после синтеза составляет примерно 40–70 нм (рис. 2). Это означает, что в процессе синтеза НЧ конформация макромолекул ХТЗ изменяется. Вероятным объяснением наблюдаемого эффекта является множественное взаимодействие молекулы ХТЗ с поверхностью НЧ серебра.

Рис. 2.

Распределение числа рассеивающих лазерное излучение частиц по размеру в растворе ХТЗ (9) и в дисперсии НЧ серебра (6). Номера у кривых соответствуют номерам образцов в табл. 1.

Характер взаимодействия ХТЗ с азотнокислым серебром и образующимися НЧ металла исследовали методом ИК-спектроскопии. На рис. 3 приведены ИК-спектры пленок, сформированных из раствора ХТЗ (образец № 9, кривая 1) и из дисперсии НЧ серебра (образец № 3, кривая 3), в диапазоне волновых чисел 400–4000 см^–1. Изменения pH среды и температуры могут привести к изменениям конформации макромолекул ХТЗ, что по-разному будет влиять на устойчивость формирующихся нанодисперсий серебра [8]. Поэтому дополнительно был измерен ИК-спектр пленки ХТЗ, полученной из его раствора, который содержал то же количество карбоната натрия (pH 6.9) и был подвергнут той же термообработке, что и образец № 3. Этот спектр изображает кривая 2.

Рис. 3.

ИК-спектры пленок, полученных из водного раствора ХТЗ (1), раствора ХТЗ в присутствии карбоната натрия (2) и дисперсии НЧ серебра, содержащей ХТЗ (3).

Отнесение полос в ИК-спектрах ХТЗ было сделано на основании имеющихся в литературе данных [19]. Очевидно, что большинство полос поглощения не могут быть отнесены к колебаниям конкретных функциональных групп в молекуле ХТЗ, что характерно для природных полимеров. В частности, в высокочастотной области спектра наблюдается широкая полоса поглощения с максимумом при 3408 см^–1, отвечающая гидроксильным группам, участвующим в водородной связи, с едва заметным плечом 3257 см^–1, которое характеризует колебания групп NH и NН₂, также связанных водородными связями. В области колебаний Амид I и Амид II проявляются полосы со сложным контуром с максимумами при 1630 и 1524 см^–1, интенсивность второй полосы заметно выше. В интервале 1200–1000 см^–1 наблюдается широкая область поглощения, причем можно выделить полосы с максимумами при 1157 (колебание мостиковой связи C–O в пиранозном кольце молекулы), 1095 и 1047 см^–1. Последние две полосы соответствуют колебаниям ν(C–O) в первичных и вторичных гидроксильных группах молекулы. Спектр пленки ХТЗ, полученной из раствора с pH 6.9 и подвергнутой термообработке, представлен кривой 2. Видно, что все полосы поглощения ХТЗ сохраняются и в этом спектре. Из соотношения интенсивностей полос поглощения валентных колебаний C–H и C–O и Амид I и Амид II следует, что ни конформационных изменений, ни деструкции макромолекул такая мягкая обработка не вызывает.

ИК-спектр пленки, сформированной из полученной нанодисперсии серебра, представлен кривой 3. Предполагается [20], что при восстановлении ионов серебра имеет место окисление вторичной гидроксильной группы моносахаридного звена ХТЗ до карбонильной. При этом не исключается возможность участия в редокс-процессе и первичной гидроксильной группы. Действительно, сравнивая спектр полученной дисперсии со спектром ХТЗ, можно заметить, что интенсивность полосы валентных колебаний OH-групп уменьшилась (примерно в 3 раза) и ее максимум заметно сдвинулся в сторону низких частот, до 3383 см^–1. Это свидетельствует об образовании более сильных водородных связей с участием гидроксильных групп. Синхронно уменьшаются интенсивности полос поглощения, соответствующих колебаниям ν(C–O) первичных и вторичных гидроксильных групп биополимера. Эти изменения однозначно указывают на участие гидроксильных групп ХТЗ в восстановлении ионов серебра. В то же время уширение и “размывание” полос колебаний ν(C–O) свидетельствует о конформационных изменениях макромолекул ХТЗ в этом образце. При этом в спектре не наблюдается поглощения, присущего свободным карбоксильным группам, до которых окисляются гидроксильные группы ХТЗ в процессе восстановления ионов металла, так как в щелочной среде они ионизированы и их поглощение маскируется интенсивной полосой при 1372 см^–1 анионов ${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{{\text{--}}}{\text{.}}$

Очень интересны изменения полос поглощения групп NH и NН₂ в спектре 3 по сравнению со спектром ХТЗ. Точно так же, как и в случае гидроксильных групп, интенсивность полосы валентных колебаний NН₂-групп существенно (в 3–4 раза) уменьшилась, что указывает на участие NН₂-групп в восстановлении ионов серебра. Известно [8, 10], что первичные аминогруппы в ХТЗ обладают высокой комплексообразующей способностью по отношению к катионам переходных металлов. Не исключено, что именно такое взаимодействие между катионами серебра и аминогруппами ХТЗ является движущей силой образования и стабилизации НЧ серебра. С другой стороны, авторы [21] считают, что стабилизирующее действие ХТЗ связано с образованием ионных пар между его аминогруппами и анионами на поверхности металла, в нашем случае – анионами ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ прекурсора. В любом случае, NН₂-группы активно вовлечены в процессы формирования НЧ серебра и стабилизации образующихся дисперсий. Интересно отметить, что на спектре 3 полностью исчезла полоса Амид II, обусловленная составными частотами деформационных колебаний N–H и колебаний C–N в ацетамидной группе, но при этом полоса Амид I присутствует, хотя ее интенсивность и сильно уменьшилась. Отметим, что исчезновение полосы Амид II дипептида при его использовании в качестве восстановителя для синтеза НЧ серебра наблюдали в работе [22]. Этот эффект объяснен авторами переходом транс-конфигурации амидной группы дипептида в цис-конфигурацию. В нашем случае подобные изменения в спектре также могут свидетельствовать о значительных изменениях конфигурации ацетамидных групп в молекуле ХТЗ, вызванных их взаимодействием с поверхностью НЧ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная серия экспериментов показала возможность получения устойчивых дисперсий серебра со средним размером НЧ 40–70 нм и мономодальным распределением по размерам в водном растворе хитозана, используемого не только в качестве биополимерного стабилизатора, но и восстановителя ионов металла. Спектральными исследованиями показано, что в процессе восстановления ионов серебра и стабилизации образующихся НЧ участвуют как гидроксильные группы ХТЗ, так и его NH₂-группы.

Часть экспериментальной работы была выполнена с использованием оборудования “Центра коллективного пользования физическими методами исследования” Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.