Поверхностно-активные вещества в золь-гель технологии
..pdfляется обратимым, и липосомы вновь формируются, если детергент удалить из мицеллярного раствора. Самосборку мембран путем удаления солюбилизирующего детергента обычно применяют для встраивания интегральных мембранных белков в липидный бислой, называя этот процесс реконструкцией, аполучаемые при этомбелоксодержащиелипосомы− протеолипосомами.
В настоящее время липосомы находят широкое применение в фундаментальных научных исследованиях (рис. 28).
Рис. 28. Применениелипосомвфундаментальных научныхисследованиях
С помощью липосом были установлены основные закономерности транспорта веществ через мембрану, показана важная роль фазовых переходов в функционировании мембран, определены молекулярные параметры липидного бислоя и его динамические характеристики, изучены процессы слияния мембран, в реконструированных системах были охарактеризованы индивидуальные мембранные белки и целые белковые ансамбли.
41
Применение липосом в медицине не ограничивается традиционной химиотерапией. Липосомы более перспективны
всочетании с новым поколением лекарств, созданных благодаря успехам белковой и генетической инженерии. Использование липосом, содержащих лечебные гены, может оказаться полезным для терапии наследственных заболеваний, которые обусловлены дефектами генов, кодирующих жизненно важные белки. В ближайшие годы следует ожидать резкого возрастания количества генотерапевтических разработок, достигших стадии клинических испытаний. Можно надеяться, что через 5–10 лет генотерапия станет стандартным методом лечения отдельных форм рака, инфекционных и аутоиммунных заболеваний. Весьма серьезные работы ведутся по созданию гемоглобинсодержащих липосом (гемосом) с целью получения искусственных заменителей крови.
Самая продвинутая в коммерческом отношении область практического применения липосом – косметика. В 1987 году французские фирмы «Кристиан Диор» и «Л'Ореаль» выпустили
впродажу липосомный гель «Каптюр» и крем для кожи под названием «Ниосомы». В последующие годы в продаже появилось несколько сот аналогичных продуктов. Основу всех этих препаратов составляет водная дисперсия липосом, как правило многослойных, которые благодаря способности удерживать воду являются прекрасным увлажняющим агентом. Для усиления полезных эффектов в рецептуру вводят добавки различных биологически активных веществ, таких, как витамины, антибиотики, белковые экстракты, фруктовые кислоты.
Липиды в виде жиров являются одним из основных компонентов почти любого продукта питания. Способность липосом солюбилизировать (делать растворимыми) вещества в воде, защищать их от неблагоприятных факторов среды и высвобождать эти вещества в нужное время и предсказуемым образом
42
может быть использована в технологических процессах пищевой промышленности.
Исследование японских ученых из Kyushu University «Избирательная экстракция одноцепочечной ДНК при помощи обратных мицелл» было опубликовано в журнале Chemical Communications. Tatsuo Maruyama и его коллеги предложили один из вариантов решения проблемы специфичного узнавания и выделения фрагментов нуклеиновых кислот заданной длины и последовательности. Для этого они использовали специфичную экстракцию олигонуклеотидов ДНК из водной фазы при помощи обратных мицелл (микроэмульсий «вода в масле»). Чтобы обеспечить специфичность экстракции, были использованы короткие одноцепочечные молекулы ДНК, к одному из концов которых пришита гидрофобная группа. Поскольку сама ДНК гидрофильна, в итоге были получены амфифильные молекулы, названные «ДНК-ПАВ». Одноцепочечная ДНК из ДНК-ПАВ способна распознать и связать ДНК, нуклеотидная последовательность которой комплементарна данной. Такой процесс узнавания одноцепочечными ДНК своих точных партнеров называется ДНКгибридизацией и широко применяется в современной молекулярной биологии.
Для специфичного выделения фрагментов ДНК из водного раствора была использована фосфолипидная система с добавлением ДНК-ПАВ (рис. 29). В результате в органическую фазу переходило около 60 % целевой ДНК, если она была в точности комплементарна последовательности ДНК-ПАВ.
43
Наличие всего лишь одного, а тем более трех несовпадений резко снижало степень экстракции олигонуклеотида из водного раствора (6 и 2 % соответственно), что говорит о высокой селективности метода. Для того чтобы перевести ДНК из органической фазы обратно в водную, оказалось достаточным добавить бутан-2-ол и нагреть смесь до 80 °С. В итоге обратно в раствор переходит около 50 % исходной ДНК.
В данной работе диаметр мицелл составил 16,7 нм, что вносило ограничения по размеру выделяемых молекул ДНК (более длинные олигонуклеотиды выделялись менее эффективно). В настоящий момент ученые работают над улучшением методики путем варьирования размера мицелл и гидрофобности ДНК-ПАВ.
Одним из наиболее перспективных методов получения наночастиц золота (Au-НЧ) является их синтез в растворах обратных мицелл (рис. 30), которые представляют собой сферические
|
микрокапли воды (пулы), стабили- |
|||
|
зированные поверхностно-актив- |
|||
|
ными веществами в органическом |
|||
|
растворителе. При смешении 2 та- |
|||
|
ких растворов, один из которых |
|||
|
в водной |
фазе содержит HAuCl4, |
||
|
а другой |
– |
восстанавливающий |
|
|
агент, в результате межмицелляр- |
|||
|
ного обмена можно получить мик- |
|||
|
роэмульсию с Au-НЧ. Частица ме- |
|||
|
талла формируется в пуле мицел- |
|||
|
лы, который ограничивает ее раз- |
|||
|
мер и стабилизируется оболочкой |
|||
|
из молекул ПАВ [13]. Изменяя |
|||
Рис. 30. Схемасинтеза |
диаметр |
пула |
или концентрации |
|
исходных реагентов, можно управ- |
||||
Au-НЧвобратныхмицеллах |
||||
|
лять размером растущей частицы. |
44
Бензол, толуол, гексан, октан и другие углеводные растворители солюбилизируются мицеллами ПАВ довольно хорошо, и «разбухшие» мицеллы, благодаря масляной «начинке» (рис. 31), уже начинают напоминать капли эмульсии; такие дисперсии, все еще лиофильные, называют микроэмульсиями.
Рис. 31. Схематическоеизображениемицеллыкатионного поверхностно-активноговеществаикаплимикроэмульсии:
~○– катионПАВ; ■○– молекуласпирта; x– – противоток; – углеводородное«ядро»
В обычных эмульсиях размер частиц составляет от 0,1– 1 мкм и выше, а в микроэмульсиях размер частиц гораздо меньше и обычно находится в интервале 10–70 нм. Микроэмульсии типа масло – вода («прямые» микроэмульсии) относятся к числу наиболее сложных, но важных в практическом отношении организованных растворов.
Микроэмульсии − многокомпонентные жидкие коллоидные системы, образующиеся самопроизвольно при смешивании двух жидкостей с ограниченной растворимостью в присутствии мицеллообразующих ПАВ. Основные характеристики микроэмульсий следующие:
45
1)микроэмульсии– термодинамическиустойчивыесистемы;
2)частицы дисперсной фазы (микрокапли) имеют размеры
10–100 нм;
3)микроэмульсии – высокодинамичные системы с большой внутренней поверхностью;
4)образуются при высоком содержании ПАВ;
5)межфазные пленки масло – вода могут иметь большую кривизну.
Коллоидные ПАВ могут образовывать мицеллярные растворы не только в воде. В «масле» (неполярных растворителях)
образуются обратные, или обращенные, мицеллы. Такие ми-
целлы способны солюбилизировать до 500 молекул воды на 1 мицеллу. Возникающие таким образом в органическом растворителе (гексане, циклогексане, октане, толуоле и т.д.) мельчайшие частички воды образуют обращенную микроэмульсию
(рис. 32).
аб
Рис. 32. Обращеннаямицелла(а) иобращеннаякаплямикроэмульсии(б) (внутрикаплинаходитсявода)
Возникновение термодинамически стабильной фазы основано на принципах самоорганизации ПАВ, поэтому микроэмульсии сходны с мицеллярными растворами и жидкокристаллическими фазами. Для образования микроэмульсий обычно недостаточно введения одного ПАВ. Стабильные фазы во многих случаях образуютсятолько привведениивторого ПАВиэлектролита.
46
На рис. 33 показаны фазовые соотношения в системе, состоящей из масла, воды и неионогенного ПАВ (НПАВ) при соотношении объемов масла и воды 1:1. Микроэмульсия, находящаяся в равновесии с избытками воды и масла, устойчива в интервале температур Т1–Т2. Температурная область существования этой микроэмульсии сильно зависит от концентрации ПАВ. При высоком содержании ПАВ микроэмульсия находится в равновесии с ламеллярной жидкокристаллической фазой.
Рис. 33. Фазоваядиаграмматройнойсистемывода– масло– НПАВ присоотношениивода: масло= 1:1; μem − микроэмульсия; lam − жидкокристаллическаяламеллярнаяфаза
Диаграмма на рис. 34 иллюстрирует взаимосвязь между температурой и относительным количеством масла и воды при постоянной концентрации НПАВ, равной 7 %. Область существования микроэмульсии на диаграмме очень ограниченная. Система сбалансирована при температуре 28 °С. При изменении температуры выделяются вода или масло. При промежуточных температурах, как при высокой, так и при низкой массовой доле масла, выделяется ламеллярная фаза НПАВ.
47
Рис. 34. Фазоваядиаграммасистемывода– масло– НПАВ припостояннойконцентрацииНПАВ, равной7 %
При низком содержании ПАВ (см. рис. 33) микроэмульсия может быть в равновесии:
1)с избытком масла (система Винзора Ι);
2)избытком воды (система Винзора ΙΙ);
3)избытком обеих фаз (система Винзора ΙΙΙ).
Для неионогенных ПАВ переход происходит при повышении температуры. Для ионогенных – при увеличении концентрации электролита.
Микроэмульсии не всегда представлены структурами капельного типа. При определенных условиях микроэмульсии, так же как и мицеллярные растворы, способны образовывать связные, биконтинуальные структуры. Различают два типа структур при исследовании самодиффузии молекул масла и воды.
Особенности диффузии в основных структурах микроэмульсий:
48
1.В структуре, представленной капельками воды в масле, коэффициенты диффузии воды намного меньше коэффициентов диффузии масла; коэффициент диффузии масла близок к значению, характерному для чистого масла. Диффузия воды и ПАВ соответствует диффузии капелек с коэффициентом диффузии порядка 10–11 м2/с или меньше
2.В структуре, представленной капельками масла в непрерывной среде воды (рис. 35, а), наблюдается обратное соотношение коэффициентов диффузии двух растворителей.
3.Биконтинуальные микроэмульсии (рис. 35, б), в которых растворители образуют домены, связанные на макроскопических расстояниях, характеризуются высокими коэффициентами диффузии обоих растворителей. Диффузия ПАВ в биконтинуальных микроэмульсиях происходит с коэффициентами диффузии порядка 10–10 м2/с, т.е. гораздо быстрее, чем в микроэмуль-
сиях капельного типа, так как диффузия пространственно не ограничена, просто происходит медленнее, чем в молекулярных растворах.
4. В молекулярно дисперсных или бесструктурных системах все компоненты диффундируют быстро.
а |
б |
Рис. 35. |
Диффузиякомпонентоввмикроэмульсиях: |
а– набухшиевследствиесолюбилизациимицеллыиликапельки микроэмульсиитипа«масловводе»; б– биконтинуальныеструктуры. Точкипредставляютмеченыемолекулывначальныймоментвремени ичерезнекотороевремя
49
У сбалансированной микроэмульсии, т.е. у системы, в которой микроэмульсия образуется при самой низкой концентрации ПАВ и равных объемах масла и воды, микроструктура обычно биконтинуальная.
Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой относятся к лиофильным (в частности, когда дисперсионной средой является вода – к гидрофильным), если их диспергирование
вданной жидкой среде есть процесс самопроизвольный, энергетически выгодный. Такие дисперсные системы, находящиеся
всостоянии термодинамического равновесия, являются термодинамически устойчивыми.
Общепринятым критерием лиофильности коллоидных систем является самопроизвольность диспергирования в данной жидкой среде. Наряду с этим П.А. Ребиндер и Е.Д. Щукин предложили несколько иной критерий лиофильности, исходя из того, что самопроизвольное отщепление от макрофазы частиц с линейным размером d оказывается возможным, если работа, затрачиваемая на образование новой поверхности раздела фаз, компенсируется выигрышем энергии за счет участия образующихся частиц в тепловом движении. Применение критерия Ре- биндера–Щукина для частиц в лиофильных дисперсиях приводит к значениям σ до 0,01–0,001 мДж/м2. Такая незначительная избыточная поверхностная энергия и объясняет высокую ста-
бильность систем. Мицеллообразование может наблюдаться в водных растворах дифильных соединений при длине их углеводородного радикала от 7–8 атомов углерода и больше.
Молекулярная растворимость ионных ПАВ невелика иприблизительно равна ККМ, но благодаря образованию агрегатов, в которых гидрофобный углеводородный радикал «скрыт» от воды гидрофильными «головками», возникает возможность практически неограниченного растворения ПАВ вформе мицелл. Эти структуры термодинамически устойчивы инаходятся в состоянии постоянного обмена с мономерными ПАВ, присутствующими в растворе. После стадии превращения сферических мицелл в цилиндрические и пла-
50