К. ф.-м. н. Валуева С. В., Боровикова Л. Н., Суханова Т. Е.,

Соколова М. П., Кутин А. А.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений РАН, Санкт-Петербург, Россия

БИОГЕННЫЕ СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИЕ НАНОСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ: КИНЕТИЧЕСКИЕ, РАЗМЕРНЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

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 [1]. Известно также, что в условиях дефицита селена наблюдается развитие миокардиодистрофии, атеросклероза, ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда и хронического гепатита различной этимологии [2, 3].

Ввиду того, что гибридные наносистемы обладают синергизмом свойств исходных компонентов, в настоящей работе в качестве полимерных матриц, стабилизирующих наночастицы аморфного селена, были взяты полиэлектролитные комплексы (ПЭК) додецилсульфата натрия (ДСН) с катионным сополимером П(ВП-К) N-винилпирролидона (ВП) и N,N,N,N-триэтилметакрилоилоксиэтиламмоний йодида (К), которые в зависимости от мольного соотношения заряженных субъединиц g (g=ДСН/К) в комплексе проявляют различную биоактивность [4]. Учитывая тот факт, что указанные выше ПЭК обладают мембранотропными свойствами и резко увеличивают проницаемость липидных бислоев [5], они могут повысить уровень активности селена.

Цель работы заключалась в синтезе наночастиц нуль-валентного аморфного селена (Se⁰) в водных растворах ПЭК при различной величине g и изучении кинетических, размерных и спектральных характеристик формирующихся наносистем.

Для стабилизации наночастиц селена в работе использовали ПЭК при разном мольном соотношении заряженных субъединиц g: g=0.5 и 4.0, молекулярные массы ПЭК составляли: М_w=117´10³ (g=0.5) и М_w=385´10³ (g=4.0). Массовое соотношение (ν) селен/ПЭК варьировали в широком диапазоне от 0.025 до 0.2.

Измерения оптической плотности проводились на спектрофотометре «Specord M40» (Карл Цейс Йена, Германия) в диапазоне длин волн 230 – 770 нм, с толщиной фотометрического слоя 1 см. Величины константы скорости k* процесса самоорганизации селенсодержащих наносистем представлены в таблице. Расчет k* был проведен по формуле [6] k* = ln(D_k/(D_k – D_i))/t_i , где D_k – оптическая плотность, характеризующая конец процесса (в нашем случае 24 часа), D_i – оптическая плотность в данный момент времени t_i. Для измерения рН (таблица 1) среды использовался милливольтметр И-160МИ.

Таблица.

Кинетические и структурно-морфологические характеристики наносистем ПЭК-Se⁰ при варьировании ν.

γ	ν	k^*× 10 ^3, с^-1	pH	Rh^*, нм	RПЭМ^*, нм
0.5	0.025	0.30	5.09	90	65-90-сф.
	0.05	0.63	3.87	60	-
	0.1	0.90	3.78	40	-
	0.15	5.32	2.97	40	-
	0.2	5.33	3.33	60	-
4.0	0.025	0.12	4.94	60	30-50-сф.
	0.05	0.36	4.29	65	-
	0.1	1.0	3.73	60	-
	0.15	5.25	3.04	60	-
	0.2	5.30	3.28	55	-

Методом динамического светорассеяния (ДСР) [7] определяли средние гидродинамические радиусы наноструктур R_h^* (таблица), которые рассчитывали из значений коэффицентов диффузии (D^*) по уравнению Эйнштейна – Стокса R_h^* = kT/6πη₀D^* (η₀ – вязкость растворителя). Оптическая часть установки для измерения динамического рассеяния света укомплектована гониометром ALV-SP (Германия) (источник света - гелий-неоновый (He-Ne) лазер Spectra-Physics с длиной волны l = 632.8 нм, мощностью ~ 20 mV). Корреляционную функцию интенсивности рассеянного света получали с помощью коррелятора Photo Cor-FC с числом каналов 288 (изготовитель – ЗАО “Антекс”, Россия). Анализ корреляционной функции осуществляли с помощью программы обработки данных динамического светорассеяния Dynals (фирма “Гелиос”, Россия).

Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на электронном микроскопе BS-500 (фирмы Tesla, Чехия) при ускоряющем напряжении U = 60 кВ, в диапазоне увеличений ×10000-30000. Перед исследованием раствор наносистемы наносили на медную сеточку покрытую формваровой пленкой и сушили на воздухе.

Константы скорости k^* для наносистем ПЭК-Se⁰ при g = 0.5 и 4.0 в условиях полного насыщения адсобционной емкости наночастиц селена (ν = 0.1) [8] составили соответственно 0.9´10 ^–3 с^-1 и 1.0´10 ^–3 с^-1 (таблица 1, рис. 1), т.е. скорость реакции при ν = 0.1 не зависит от g для использованных значений g. В тоже время для селенсодержащих наносистем на основе ВП-К и ДСН величина константы скорости несколько меньше, чем для наносистем ПЭК-Se⁰ и составляет соответственно 0.6´10 ^–3 с^-1 и 0.7´10 ^–3 с^-1 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость константы скорости образования k^*наносистемы ПС - Se⁰ от ν для различных полимерных стабилизаторов (ПС):1 – ПЭК (γ = 0.5), 2 – ПЭК (γ = 4.0), 3 – ДСН, 4 – ПК, 5- ПВП^*, 6 – ПДМАЭМ^* (^*- данные работы [9]).

Следует отметить, что, несмотря на различия в строении и ММ всех исследованных полимерных стабилизаторов (ПС), константы скорости k^* слабо отличаются по величине до точки ν < 0.1. После этой точки значения k^* различны (рис. 1). Однако, если для ПЭК при γ = 0.5 и 4.0, величина константы скорости сильно возрастает при ν ≥ 0.1, то для остальных ПС (ПК, ДСН, ПВП, ПДМАЭМ, которые являются фактически компонентами ПЭК), рост не столь значителен. Зависимости k^*(ν) для ПВП-Se⁰ и ПДМАЭМ-Se⁰ были получены нами ранее в работе [9]. Кроме того, несмотря на различие в составе и пространственной организации ПЭК при разных значениях γ, величины k^* практически совпадают. Это свидетельствует о том, что константа скорости самоорганизации наносистемы является аддитивной величиной, зависящей от структуры ПС и его ММ, а также параметров среды, например, pH. На рис. 2 приведены зависимости рН среды и k^* от массового соотношения селен/ПЭК, которые демонстрируют антибатное поведение этих параметров.

а)	б)

Рис. 2. Зависимости рН среды (1) и константы скорости k^*образования наносистемы ПЭК - Se⁰ (2) от ν: а) – ПЭК при γ = 0.5, б) – ПЭК при γ = 4.0.

Влияние pH среды на процесс образования наночастиц Se⁰ четко прослеживается на спектрах поглощения коллоидного селена при разных концентрациях селена, которые были сняты на вторые сутки после получения коллоидного раствора (рис. 3а кривые 1-5). На спектрах при ν = 0.025 и 0.05 наблюдаются характерные пики при λ = 265 нм, что соответствует коллоидному селену [10].

а)	б)

Рис. 3. Зависимость оптической плотности D от длины волны λ для коллоидного селена при варьировании ν: 1 – 0.025; 2 – 0.05; 3 – 0.1; 4 – 0.15; 5 – 0.2 (а); для коллоидного селена (c_Se = 0.005%) при разных рН: 1 - 3.4: 2 - 3.8; 3 -4.4; 4 - 4.6; 5 - 4.8 (б).

Изменение спектральной картины при варьировании pH проводили при фиксированной концентрации растворов по селену c_Se = 0.005%; рН среды изменяли предварительным введением в водный раствор гидроокиси натрия. При увеличении рН среды от рН = 3.4 до 4.8 происходило значительное увеличение времени стабильности коллоида - с 3-х до 6-и суток, а на зависимости оптической плотности D от длины волны λ при этом наблюдалось увеличение интенсивности характерного для коллоидного селена пика при λ_мах = 265 нм (рис. 3б).

На рис. 4 а и б приведена зависимость оптической плотности D от длины волны λ для синтезированных наносистем ПЭК-Se⁰ при варьировании ν. Как видно из рис. 4, кривые 1 и 2, полученные при γ = 0.5 и 4.0 различаются между собой по положению пика максимума поглощения и по его амплитуде: так, при γ = 0.5 положение максимума соответствует λ = 266 нм, а при γ = 4.0 оно составляет λ = 263 нм. Следует отметить, что при фиксированном ν величина рН зависит от γ: рН = 5.09 (γ = 0.5) и 4.94 (γ = 4.0) при ν = 0.025; рН = 3.87 (γ = 0.5) и 4.29 (γ = 4.0) при ν = 0.05.

а)	б)

Рис. 4. Зависимость оптической плотности D от длины волны λ

для наносистемы ПЭК - Se⁰ при γ = 0.5 (а) и при γ = 4.0 (б), где 1-ν = 0.025, 2 – ν = 0.05, 3 – ν = 0.1, 4 – ν = 0.15, 5 – ν = 0.2.

Анализ данных рис. 1, 2, 4 и таблицы показывает, что существует два диапазона значений ν (ν < 0.1 и ν ≥ 0.1), которые существенно различаются по величине параметров k^*, рН и по спектральной картине. При возрастании ν от 0.025 до 0.1 для наносистем ПЭК-Se⁰ при γ = 0.5 наблюдается значительное (в 3 раза) увеличение значений k^*, при этом рН уменьшается. В этой области также наблюдаются максимумы на зависимостях D(λ). При γ = 4.0 качественно картина такая же, однако эффект увеличения k^* от ν значительно более выражен. В области ν ≥ 0.1 при γ = 0.5 и 4.0 явных различий в указанных характеристиках не наблюдается.

Оценка гидродинамического радиуса R_h наночастиц селена методом ДСР показала, что в отсутствие ПС образуются крупные частицы с радиусом ~ 150 нм (при ν = 0.025), ~ 110 нм (при ν = 0.05), ~ 180 нм (при ν = 0.1), с узким унимодальным распределением по размерам. По истечении двух суток происходит визуально видимая агрегация наночастиц селена, выпадающих в осадок. При ν > 0.1 осадок наблюдается уже на первые сутки. При использовании в качестве полимерного стабилизатора ПЭК, в водных растворах формируются наноструктуры с размером < 100 нм (таблица) во всем диапазоне варьирования ν; наносистемы характеризуются узким унимодальным распределением по размерам и высокой стабильностью.

На рис. 5 (а, б) приведены зависимости гидродинамических радиусов R_h^* (кривые 1) и рН среды (кривые 2) образующихся наносистем ПЭК-Se⁰ от массового соотношения ν. Видно, что для наносистемы ПЭК-Se⁰ при γ = 0.5 зависимость рН(ν) имеет убывающий характер, в то время как зависимость R_h^*(ν) проходит через минимум, соответствующий «особой точке» при ν = 0.1 (рис. 5 а). При γ = 4.0 (рис. 5 б) зависимость R_h^* от ν очень слабо выражена, а зависимость рН(ν), как и в предыдущем случае, имеет убывающий характер.

а)	б)

Рис. 5. Зависимости R_h^* (1) и рН среды (2) для наносистемы ПЭК - Se⁰от ν: а) γ = 0.5, б) γ = 4.0.

Для выяснения деталей морфологического строения наноструктур ПЭК–Se⁰ при фиксированном ν и различных γ использовали метод ПЭМ. Поскольку максимальные различия в физических параметрах наносистем в растворах наблюдались в области ν < 0.1, для исследований методом ПЭМ были выбраны наносистемы, синтезированные при минимальном массовом соотношении ν = 0.025. На микрофотографиях наносистемы ПЭК–Se⁰ при γ = 0.5 (рис. 6а) наблюдаются две популяции наноструктур – бинарные наноструктуры эллиптической формы с максимальным размером ~ 300 нм и сферические одиночные наноструктуры радиусом R_ПЭМ^* = 65-90 нм, имеющие уплотненный поверхностный слой толщиной порядка 40-50 нм. Образовавшиеся наноструктуры погружены в полимерную матрицу (на микрофотографиях она выглядит оптически более плотной, чем формваровая подложка - серого цвета), образующую «островковую» пленку. При этом каждый «островок» субмикронного размера содержит несколько селеновых наноструктур.

Для наносистемы ПЭК–Se⁰ с ν = 0.025 при γ = 4.0 (рис. 6б) на ПЭМ микрофотографиях видны однородные изолированные наноструктуры сферической формы радиусом R_ПЭМ^* = 30-50 нм. Наноструктуры окружены полимерной матрицей, формирующей ореол вокруг каждой наноструктуры с радиусом порядка 100-120 нм.

а)	б)

Рис. 6. ПЭМ микрофотографии наносистемы ПЭК-Se⁰ при ν = 0.025:

а) γ = 0.5, б) γ = 4.0.

Таким образом, с помощью комплекса физических методов показано, что гибридные селенсодержащие наносистемы на основе полиэлектролитных комплексов катионного сополимера N-винилпирролидона и N,N,N,N-триэтилметакрилоилоксиэтиламмоний йодида с додецилсульфатом натрия при разном соотношении заряженных субъединиц γ и разном содержании селена различаются по кинетическим (при ν < 0.1), размерным (R_h^*, R_ПЭМ^*) и спектральным параметрам. Показано, что структура стабилизирующего полимера и концентрация реагентов в реакционной смеси являются определяющими факторами для процесса формирования гибридных наноструктур и оптимизации свойств наносистемы в целом.

Литература:

1. Yoshizawa K., Willett W.C., Morris S.J. Study of prediagnostic selenium levels in toenails and the risc of advanced prostate cancer// J. Natl. Cancer Inst. 1998. V. 20. P. 1219-1224.

2. Абдуллаев Г.М., Зейналлы Э.М., Сафаров, Ю.И. Об изменениях концентрации селена при заболеваниях гепатобилиарной системы// Врачебное дело.1978. №11. С.35-37.

3. Yu, S.Y., Zhu, Y.J., Li, W.G. Chemoprevention trial of human hepatitis with selenium supplementation in China // Biol. Trace Element Res.1997.V. 51. № 1.P.117-124.

4. Валуева С.В., Боровикова Л.Н., Волков А.Я. Биогенные наноразмерные системы на основе наночастиц селена и полиэлектролитных комплексов: самоорганизация, структура, термодинамика//Сборник статей по материалам Международной научно-практической конференции «Дни науки». 27 марта - 5 апреля 2012. Прага, Чехия. с. 24-32.

5. Копейкин В.В. Влияние катионного полиэлектролита и полиэлектролитных комплексов додецилсульфата натрия на проницаемость модельных фосфолипидных мембран// Биологич. мембраны. 1988. Т.5. № 7. С. 728-734.

6. Березин И.В., Клесов А.А. Практический курс химической и ферментативной кинетики. М.: МГУ, 1976. 320 с.

7. Brown W. Dynamic Light Scattering: the Method and Some Application. Oxford: Clarondon Press, 1993. 305 p.

8. Валуева С.В., Боровикова Л.Н., Киппер А.И. Влияние соотношения компонентов комплекса селен:поливинилпирролидон на процесс формирования и морфологические характеристики наноструктур// Журн. физ. химии. 2008. Т.82. №6. С.1131-1136.

9. Валуева С.В., Вылегжанина М.Э., Лаврентьев В.К., Боровикова Л.Н., Суханова Т.Е. Биогенные наноразмерные системы на основе наночастиц селена: самоорганизация, структура и морфология// Журн. физ. химии. 2013. Т.87. №3. с. 484-489.

10. Калориметрические (фотометрические) методы определения неметаллов / Под ред. Бусева А.И. М.: Иностран. литер., 1963.193 с.