Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 7, стр. 27-35

ВВЕДЕНИЕ

Уникальные свойства наноструктурированных систем и материалов (электромагнитные, каталитические, биологические), обнаруженные в последние десятилетия, являются предметом активных исследований. Коллоидные растворы металлов/неметаллов, образующиеся при восстановлении ионов в растворах полимеров, рассматриваются как дисперсии композитов, включающих наночастицы металлов/неметаллов и макромолекулы, которые образуют защитные экраны вокруг наночастиц. Объектами исследования до сих пор остаются, главным образом, золи благородных металлов и металлов платиновой группы из-за их высокой устойчивости к агрегации и окислению. Предполагается, что макромолекулярные экраны, препятствующие дальнейшему росту частиц металла/неметалла и предохраняющие их от агрегации, образуются благодаря нековалентным (адсорбционным) взаимодействиям полимерных цепей с поверхностью растущих наночастиц. К таким взаимодействиям относятся стерические, электростатические и гидрофобные, а также водородные и координационные связи. Один из наиболее перспективных способов получения стабильных наночастиц – восстановление их ионных форм в растворах полимеров. Адсорбция макромолекул на наночастицах сопровождается формированием органической оболочки на неорганическом ядре и приводит к снижению поверхностного натяжения, стабилизации образующихся наночастиц (препятствующей их агрегации), торможению роста, а также повышению их устойчивости [1]. Кроме того, в таких процессах часто образуются наночастицы, характеризующиеся достаточно узким распределением по размерам, что важно с практической точки зрения для получения хорошо организованных трехмерных периодических наноструктур. Следует также заметить, что средний размер наночастиц, образующихся в присутствии органических соединений, существенно меньше, чем в их отсутствие. Эти факты свидетельствуют о влиянии адсорбции органических молекул на поверхности металлов/неметаллов на процесс формирования наночастиц [2].

Металлические наночастицы весьма перспективны в биоаналитической электрохимии [3, 4], биомедицине [5, 6], при синтезе заменителей крови [7]. Так, например, для наночастиц нуль-валентного серебра (Ag⁰) характерны сильно выраженные антимикробные свойства, причем степень антибактериального эффекта в значительной мере определяется размерами и формой наночастиц [8–10]. Известно, что биогенный элемент – селен, входящий в состав пищевых продуктов, оказывает антибластическое действие, а между содержанием селена во внешней среде и частотой поражения населения злокачественными опухолями существует обратно пропорциональная зависимость [11]. Известно также, что в условиях дефицита селена наблюдается развитие миокардиодистрофии, атеросклероза, ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда и хронического гепатита различной этимологии [12]. В клинической медицине показана эффективность использования наночастиц селена в нуль-валентной форме (Se⁰) в комбинации с известными противоопухолевыми веществами [13].

В формировании гибридных полимерных наносистем ключевую роль играют силы дальнодействия между наночастицами и макромолекулами, а также между образующимися наноструктурами, которые определяются, в первую очередь, природой наночастиц и полимерного стабилизатора. Если в качестве полимерных стабилизаторов используются неионогенные полимеры, то такая стабилизация называется стерической, если же в качестве стабилизаторов выступают полиэлектролиты, то экранирование (в случае металлических частиц) происходит по механизму электростерической стабилизации [14].

Ввиду того, что гибридные полимерные наносистемы обладают синергизмом свойств исходных компонентов, были синтезированы и изучены наносистемы на основе биосовместимых полимерных стабилизаторов, используемых для получения лекарственных препаратов и биологически активных добавок [8, 15–21] и наночастиц Se⁰ и Ag⁰.

В настоящей работе в качестве полимерной системы использовали метилцеллюлозу и зостерин. Их структурные формулы, состав и молекулярные массы представлены в табл. 1. Метилцеллюлоза хорошо растворима в воде, что позволяет использовать ее для получения композиций биомедицинского назначения с требуемым комплексом физико-химических и биологических свойств [15]. Зостерин, относящийся к классу пектинов, обладает уникальным комплексом биоактивных свойств: высокой антиоксидантной, иммуномодулирующей, противовирусной, репаративной, противоопухолевой, геропротекторной, гипохолестеринемической, радиозащитной и сорбционной активностью. Поэтому он широко применяется в медицине, ветеринарии, медицинской косметологии и других сферах [16–19]. Целью работы было определение размерных и спектральных характеристик содержащих серебро и селен гибридных полимерных наносистем на основе метилцеллюлозы и зостерина с использованием широкого спектра методов при массовом соотношении ν между Ag⁰, а также Se⁰ и биоактивным полимерным стабилизатором, равным 0.1 (ν = 0.1 – точка насыщения адсорбционной емкости наночастиц селена [22]).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Получение наночастиц нуль-валентного селена и серебра. Синтез наночастиц селена осуществлялся в результате реакции (1) между селенистой (H₂SeO₃) и аскорбиновой (C₆H₈O₆) кислотами в присутствии биоактивного полимерного стабилизатора (БПС):

В колбу емкостью 20 мл помещали 5 мл водного раствора стабилизатора (с_БПС = 0.2 мас. %) и 3 мл воды. Затем добавляли 1.0 мл раствора H₂SeO₃ концентрацией 0.16 мас. %. Раствор перемешивали в магнитной мешалке в течение 10–20 мин. Далее в полученную смесь добавляли 1.0 мл раствора C₆H₈O₆ концентрацией 0.4 мас. %. После введения всех компонентов раствор выдерживали при комнатной температуре в течение суток. В результате восстановления получался раствор красновато-оранжевого цвета. Количество реагентов рассчитывали из соотношения Se⁰ : БПС как 1 : 10 (с_БПС = 0.1 мас. %, с_Se = 0.01 мас. %, ν = c_Se/с_БПС = 0.1). В результате реакции (1) без стабилизатора образовывался золь нуль-валентного красного аморфного селена (Se⁰) и дегидроаскорбиновой кислоты. Образование нуль-валентного селена было обнаружено ранее [23]. Без стабилизатора наночастицы Se⁰ являются лиофобными коллоидами с низкой агрегативной устойчивостью. Введение в реакцию (1) БПС приводит к получению стабильных (по крайней мере, в течение трех месяцев) растворов красновато-оранжевого цвета.

Наночастицы серебра получали в результате реакции (2) между нитратом серебра (AgNO₃) и боргидридом натрия (NaBH₄):

В колбу емкостью 20 мл наливали 5 мл водного раствора БПС (с_БПС = 0.2 мас. %) и 3 мл воды. Затем добавляли 1 мл раствора нитрата серебра (AgNO₃) концентрацией 0.16 мас. %. Колбу помещали в ледяную баню до охлаждения на 30–40 мин. Далее при механическом перемешивании в полученную смесь добавляли 1 мл раствора NaBH₄ концентрацией 0.2 мас. %, приготовленного в ледяной бане. После введения всех компонентов раствор выдерживали при пониженной температуре еще в течение 1 ч. В результате восстановления серебра получался раствор желтовато-коричневатого цвета. Количество реагентов рассчитывали из отношения серебра к полимеру как 1 : 10 (с_БПС = 0.1, с_Ag = 0.01 мас. %, ν = с_Ag/с_БПС = 0.1).

В результате реакций (1) и (2) были получены гидрофобные наночастицы металлоида (Se⁰) и относительно гидрофильные наночастицы металла (Ag⁰). Величина рН селенсодержащих растворов составляла 3.3–3.4, содержащих серебро растворов – 10.6–10.8. Для измерения рН среды использовали милливольтметр И-160МИ.

Изучение морфологии гибридных наносистем методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). АСМ-исследования морфологии содержащих селен и серебро гибридных полимерных наносистем проводили в атомно-силовом микроскопе Nanotop NT-206 (ОДО “Микротестмашины”, Беларусь). Измерения выполняли в контактном режиме в воздухе с использованием кремниевых кантилеверов NSC11/AlBS с коэффициентом жесткости k = 3.0 Н/м и радиусом кривизны кончика острия 10 нм. Экспериментальные данные обрабатывали с помощью программы Surface Explorer. В качестве подложки использовали слюду.

Регистрация спектров поглощения. Спектры поглощения в УФ- и видимой областях измеряли с помощью спектрофотометра SpecordM-40 (“Карл Цейс Йена”, Германия) в рабочем диапазоне от 220 до 900 нм в кварцевых кюветах с фотометрическим слоем толщиной 1 см. Относительная суммарная погрешность при регистрации спектров не превышала 2%.

Измерения динамического светорассеяния. Гидродинамические радиусы наноструктур ($R_{h}^{*}$) в водных растворах гибридных полимерных наносистем определяли методом динамического светорассеяния на корреляционном спектрометре Photocor Complex (источник света – гелий-неоновый лазер фирмы Coherent мощностью 20 мВт с длиной волны λ = 632.8 нм) с программируемым коррелятором Photo or-FC (число каналов 288, ООО “Фотокор”, Россия). Обработку корреляционной функции осуществляли с помощью программы DynaLS (“Гелиос”, Россия). Величины гидродинамических радиусов $R_{h}^{*}$ (табл. 2) рассчитывали из значений коэффицентов диффузии (D*) по уравнению Эйнштейна–Стокса: $R_{h}^{*}$ = = kT/6πη₀D* (η₀ – вязкость растворителя, k – константа Больцмана, T – температура) [24].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены оптические спектры поглощения в УФ- и видимой областях гибридных полимерных наносистем: зостерин/Se⁰, МЦ/Se⁰, зостерин/Ag⁰ и метилцеллюлоза/Ag⁰. В случае гибридных полимерных наносистем зостерин/Se⁰ и метилцеллюлоза/Se⁰ и (рис. 1а, 1в) в оптических спектрах поглощения наблюдается четко выраженный узкий пик при λ = 250–253 нм, что свидетельствует об образовании в водном растворе наночастиц селена в нуль-валентном состоянии (согласно литературным данным пик поглощения для свободных наночастиц Se⁰ наблюдается при λ = 256 нм, что мало отличается от ранее исследованных селенсодержащих наносистем [25]). Максимум полосы поверхностного плазмонного резонанса для исследованных содержащих серебро наносистем наблюдается при λ = 400 нм, что свидетельствует об образовании в водном растворе наночастиц серебра в нуль-валентном состоянии [26].

Рис. 1.

УФ-спектры свободных биоактивных полимерных стабилизаторов (БПС) в воде при с_БПС = 0.1 мас. % (1) и соответствующих гибридных наносистем на основе зостерина и метилцеллюлозы (2): содержащих селен (а, в) и серебро (б, г).

Важно отметить, что селен представляет собой гидрофобный неорганический полимер, поэтому стабилизация наночастиц Se⁰ происходит преимущественно за счет их взаимодействий с гидрофобными фрагментами БПС (селенсодержащие гибридные наносистемы формируются по стерическому механизму стабилизации [14]). Напротив, для металлсодержащих систем (в рассматриваемом случае содержащих серебро) на основе зостерина и метилцеллюлозы, которые в щелочной области (рН 10.6–10.8) заряжены, реализуется электростерический механизм стабилизации.

При электростерической стабилизации заряженные функциональные группы БПС вызывают изменение электронной плотности поверхностных электронов наночастиц (схема 1 ), что, в свою очередь, приводит к изменению величины оптической плотности поверхностного плазмонного резонанса.

Схема 1. Изменение электронной плотности поверхностных электронов НЧ при электростерической стабилизации.

Оценка гидродинамического радиуса R_h наночастиц селена методом динамического светорассеяния показала, что в отсутствие полимера образуются крупные частицы селена радиусом ~100 нм (первые сутки), ~180 нм (вторые сутки), характеризующиеся вначале узким унимодальным распределением по размерам. Однако через ~50 ч распределение по размерам становится бимодальным и широким. По истечении двух суток происходит уже видимая агрегация селена. При использовании в качестве стабилизатора наночастиц селена зостерина или метилцеллюлозы в водных растворах при ν = 0.1 формируются наноструктуры с гидродинамическим радиусом $R_{{h1}}^{*}$ < 100 нм (основной пик в табл. 2 и на рис. 2), без тенденции к агрегации в течение нескольких месяцев. Важно отметить, что большие размеры селенсодержащие наносистемы приобретают в случае использования в качестве стабилизатора метилцеллюлозы, характеризующейся большей степенью гидрофобности. Аналогичная ситуация наблюдается для содержащих серебро гибридных полимерных наносистем: при использовании в качестве стабилизатора наночастиц серебра метилцеллюлозы и зостерина формируются наноструктуры с гидродинамическим радиусом $R_{{h1}}^{*}$ < 100 нм (основной пик в табл. 2 и на рис. 2). Максимальные размеры таких систем, как и в случае селенсодержащих систем, наблюдаются при стабилизации наночастиц серебра метилцеллюлозой.

Рис. 2.

Распределение по размерам $R_{{h1}}^{*}$ и $R_{{h2}}^{*}$ гибридных полимерных наносистем зостерин/Se⁰, зостерин/Ag⁰, МЦ/Se⁰ и МЦ/Ag⁰ (МЦ – метилцеллюлоза) в соответствии с относительной интенсивностью I/I₀ динамического светорассеяния.

При учете того, что чем сильнее взаимодействие поверхностных атомов с адсорбированными на наночастицах макромолекулами, тем меньше размер частиц, при котором образуется устойчивая в растворе система [27], были сопоставлены величины гидродинамических радиусов $R_{{h1}}^{*}$ для содержащих серебро и селен гибридных полимерных наносистем при использовании одних и тех же биоактивных полимерных стабилизаторов. Анализ размерных параметров (табл. 2) показал, что содержащие серебро наносистемы имеют меньший радиус $R_{{h1}}^{*},$ чем селенсодержащие системы, что, по-видимому, обусловлено большей степенью гидрофобности наночастиц селена по сравнению с наночастицами серебра.

АСМ-изображения поверхности пленок водных растворов зостерина и метилцеллюлозы на слюде хорошо иллюстрируют существенные различия в морфологии использованных в работе БПС. Так, для пленки зостерина (рис. 3а) характерна тенденция укладки молекулярных клубков в цепочечные агрегаты протяженностью ~0.4–2 мкм. Образуется рыхлая неоднородная пленка с областями повышенной локальной плотности. Согласно профилограмме (рис. 3б) высота этих участков над поверхностью пленки составляет 15–30 нм. Оценка средней арифметической (R_a) и среднеквадратичной (R_q) шероховатости поверхности пленки зостерина дает значения R_a = 6.0 и R_q = 7.7 нм. Поверхность пленки, отлитой из водного раствора метилцеллюлозы, более гладкая (значения шероховатости поверхности пленки на порядок меньше, чем для зостерина: R_a = 0.7, R_q = = 0.9 нм). По оценке профилограммы (рис. 4б) высота рельефа поверхности образца составляет 1.0–2.5 нм.

Рис. 3.

АСМ-изображения (а, в, д) (размер вставки 3 × 3 мкм) и профили выделенных участков (б, г, е) поверхности пленок, отлитых из водных растворов: зостерина (а, б); систем зостерин/Se⁰ (в, г) и зостерин/Ag⁰ (д, е).

Рис. 4.

АСМ-изображения (а, в, д) (размер вставки 3 × 3 мкм) и профили выделенных участков (б, г, е) поверхности пленок, отлитых из водных растворов: метилцеллюлозы (а, б); систем метилцеллюлоза/Se⁰ (в, г) и метилцеллюлоза/Ag⁰ (д, е).

На АСМ-изображениях гибридных полимерных наносистем зостерин/Se⁰ и метилцеллюлоза/Se⁰ (рис. 3в, 3г и 4в, 4г) хорошо видно, что основная популяция наноструктур имеет форму, близкую к сферической. Радиусы наноструктур, оцененные методом АСМ ($R_{{{\text{ACM}}}}^{*}$), хорошо коррелируют с размерами наноструктур, полученными методом динамического светорассеяния ($R_{{{\text{sp}}}}^{*}$ = = 1.29$R_{{h1}}^{*}$ (соотношение, выполняемое для сферической модели наноструктуры)): $R_{{{\text{ACM}}}}^{*}$ = 70–80 и $R_{{{\text{sp}}}}^{*}$ = 86 нм для системы зостерин/Se⁰; $R_{{{\text{ACM}}}}^{*}$ = 80–100 и $R_{{{\text{sp}}}}^{*}$ = 98 нм для системы метилцеллюлоза/Se⁰ (табл. 2). Для систем зостерин/Ag⁰ и метилцеллюлоза/Ag⁰ ситуация не столь однозначна: если содержащие серебро наноструктуры на основе метилцеллюлозы, так же как и в случае с селеном, представляют собой изолированные сферы (рис. 4д, 4е, табл. 2) с близкими размерами в растворе ($R_{{{\text{sp}}}}^{*}$ = 68 нм) и в пленке ($R_{{{\text{ACM}}}}^{*}$ = 60–80 нм), то для системы зостерин/Ag⁰ характерна морфология “гребнеобразных тяжей”, “наполненных” сферическими наноструктурами с размерами $R_{{{\text{ACM}}}}^{*}$ = 50–65 и $R_{{{\text{sp}}}}^{*}$ = 45 нм (рис. 3д, 3е, табл. 2). Рельефная “тяжеобразная” морфология наноструктур зостерин/Ag⁰ приводит к увеличению параметров шероховатости пленки R_a = 4.9 и R_q = = 6.0 нм по сравнению со значениями этих параметров, полученными для других изученных гибридных полимерных наносистем (рис. 5, табл. 2). Важно отметить, что независимо от природы наночастиц более крупные наноструктуры наблюдаются в случае использования в качестве стабилизатора метилцеллюлозы, которая, как уже отмечалось выше, имеет большую степень гидрофобности (табл. 2, рис. 2–4).

Рис. 5.

3D-изображения поверхности пленок, отлитых из водных растворов: а – зостерина; б – систем зостерин/Se⁰; в – зостерин/Ag⁰; г – метилцеллюлозы; д – систем метилцеллюлоза/Se⁰; е – метилцеллюлоза/Ag⁰.

Анализ распределений нанокластеров серебра по размерам, по данным динамического светорассеяния (гидродинамические радиусы $R_{{h2}}^{*},$ соответствующие малым пикам на рис. 2), для систем метилцеллюлоза/Ag⁰ и зостерин/Ag⁰ показал, что наиболее вероятные размеры составляют, соответственно, 12 и 6 нм (табл. 2). Наиболее вероятные размеры нанокластеров селена превосходят размеры нанокластеров серебра и составляют по данным динамического светорассеяния для систем метилцеллюлоза/Se⁰ и зостерин/Se⁰ (табл. 2), соответственно, 16 и 8 нм.

Полученные результаты составляют физико-химическую основу для модификации полимерных материалов с выраженной физиологической активностью биогенными элементами в нуль-валентной форме.

ВЫВОДЫ

Методом УФ-спектроскопии для содержащих серебро и селен гибридных полимерных наностстем на основе зостерина и метилцеллюлозы установлен факт образования в водном растворе наночастиц в нуль-валентном состоянии. Показано, что селенсодержащие наносистемы на основе изученных биоактивных полимерных стабилизаторов формируются по стерическому механизму стабилизации. Напротив, в случае содержащих серебро систем зостерин/Ag⁰ и метилцеллюлоза/Ag⁰ имеет место электростерический механизм стабилизации.

Методом динамического светорассеяния установлено, что при использовании в качестве стабилизатора наночастиц селена и серебра зостерина или метилцеллюлозы в водных растворах при ν = 0.1 формируются наноструктуры с гидродинамическим радиусом в нанометровом диапазоне ($R_{h}^{*}$ < 100 нм).

Методом АСМ показано, что селенсодержащие наноструктуры в случае обоих стабилизаторов характеризуются сферической морфологией. Тип морфологии содержащих серебро наноструктур зависит от природы стабилизатора: в случае системы метилцеллюлоза/Ag⁰ наблюдается морфология сферы, а для системы зостерин/Ag⁰ характерна морфология “гребнеобразных тяжей”, “наполненных” сферическими наноструктурами.

Обнаружено, что содержащие серебро наноструктуры имеют меньшие радиусы $R_{{h1}}^{*}$ и $R_{{{\text{ACM}}}}^{*},$ чем селенсодержащие наноструктуры, что, по-видимому, обусловлено большей степенью гидрофобности наночастиц селена по сравнению с наночастицами серебра. Аналогичная тенденция наблюдается и для содержащих селен и серебро нанокластеров ($R_{{h2}}^{*}$).