ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ ОКСИДОВ С БИОМОЛЕКУЛАМИ

Диоксид кремния в различных модификациях широко используется в медицине, биотехнологии и пищевой промышленности. Экспериментальные исследования пирогенного кремнезема и его применение на практике описаны в других главах этой книги. Из анализа приведенных данных следует, что для повышения информативности исследований взаимодействия кремнеземов с биообъектами, синтеза эффективных сорбентов и оптимального их использования необходим глубокий теоретический анализ проблем, выявление движущих сил и механизмов наблюдаемых адсорбционных явлений.
При теоретическом анализе адсорбционных явлений на поверхности высокодисперсных кремнеземов (ВДК) следует учитывать, что для последних, как и для других пирогенных оксидов, характерна многоступенчатая структурная иерархия. В процессе высокотемпературного синтеза (больше1300 К) ВДК используется тетрахлорид кремния, который гидролизуется, взаимодействуя с водой, образующейся при сгорании водорода в кислороде (механизм реакции более сложен, так как возможно и прямое окисление SiCl4, но мы не будем останавливаться на этом вопросе подробно), и в активной зоне пламени образуются проточастицы (-1 нм). Последние слипаются и покрываются новыми слоями оксида. В результате формируются первичные обычно непористые частицы (средний размер 5— 50 нм в зависимости от условий синтеза). В процессе столкновений первичных частиц, покинувших активную зону пламени, и их слипания с образованием силоксановых и/или водородных и других межчастичных связей образуются достаточно прочные агрегаты (100—500 нм). При остывании и взаимодействии с парами воды гидратированность поверхности первичных частиц ВДК возрастает в результате появления дополнительных гидроксильных групп, формирующихся при диссоциативной адсорбции молекул воды на напряженных структурах, и молекулярно адсорбированной воды. Далее межчастичные взаимодействия обусловливают формирование агломератов размером более 1 мкм, которые могут образовывать флокулы видимых размеров. Кажущаяся плотность агрегатов составляет около 30 стинной, а для агломератов и флокул она на порядок меньше — 3—7 Удельная поверхность ВДК зависит от размера первичных частиц (~d~x) и может составлять до 500 м2/г. При попадании в воду агломераты частично разрушаются, но даже после часовой обработки суспензии пирогенного кремнезема ультразвуком некоторая их часть сохраняется или снова образуется.
Длительное механическое воздействие на суспензию ВДК, например, в шаровой мельнице (5—7 ч) или ультразвуковой ванне (3—9 ч), приводит к почти полному разрушению агломератов и частичному — агрегатов; основная масса частиц соответствует небольшим агрегатам размером 20—60 нм. Мощная (-500 Вт) импульсная ультразвуковая обработка водных суспензий ВДК (-5 мин) ведет к почти монодисперсному распределению частиц с эффективным диаметром Дф = 50—70 нм. При длительном хранении концентрированных (5—8 водных суспензий ВДК происходит медленная коагуляция частиц, однако дисперсии хорошо ресуспендируются. В целом такие суспензии обладают достаточно высокой агрегативной устойчивостью, которую можно интерпретировать на основании многочастичных электростатических взаимодействий одноименно заряженных частиц с вкладом водородных и дисперсионных связей. Понижение концентрации оксида при разбавлении суспензий водой или приближение pH к точке нулевого заряда, обусловливающие уменьшение плотности заряда на поверхности частиц, ведет к снижению устойчивости дисперсий и Дф возрастает на порядок или более.
Многоступенчатая структурная иерархия пирогенного кремнезема сказывается и на диффузии частиц в водной среде, и на адсорбционных взаимодействиях с молекулами различных размеров. Наличие (и строение) агрегатов и тем более агломератов ВДК менее существенны при адсорбции малых молекул, чем структура первичных частиц. В то же время при взаимодействии с биополимерами очень важную роль играет интегральное распределение частиц ВДК (особенно агрегатов и агломератов) по размерам и условия их коагуляции или разрушения при взаимодействии с молекулами полимера и растворителя .
В случае больших расстояний между частицами кремнезема и биомолекулами или клеточными мембранами характер их взаимодействия зависит в основном от электростатических сил, определяемых распределением зарядов в системе, pH, диэлектрическими свойствами и ионной силой раствора. Особенности взаимодействий между частицами ВДК и биомолекулами или лекарственными препаратами, водой, электролитами, растворенными ионами влияют на конечную эффективность энтеросорбента. Теоретические расчеты таких взаимодействий с учетом структурной иерархии оксидов могут быть выполнены в рамках классических приближений, например Дебая—Хюккеля или молекулярной механики (ММ). Взаимодействия при малых расстояниях, приводящие к изменениям электронной и пространственной структуры поверхностного слоя оксидных частиц и молекул адсорбата, могут быть рассчитаны только в пределах квантовохимических методов. Однако любая биосистема слишком сложна для ее моделирования в рамках квантовой химии, поэтому с этой целью используются упрощенные модели. Так, теоретическое изучение взаимодействия между поверхностью ВДК и белками можно начать с взаимодействия аминокислот или небольших пептидов с кластерными моделями твердого тела.
Поскольку значительная часть этой книги посвящена экспериментальным исследованиям, применению оксидных сорбентов и носителей, то теоретическое рассмотрение проблемы мы начнем с краткого описания основ используемых теоретических подходов.

Спонсор статьи предлагает техническое обслуживаниеи клининг