Сорбционно-структурные свойства аэрогельных материалов на основе биополимеров. C. 190-203

УДК

661.183.1

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-6-190-203

Аннотация

В настоящее время для выведения избыточного количества тяжелых металлов и токсинов из живых организмов успешно применяются аэрогельные материалы в качестве энтерои апликационных сорбентов. Неисчерпаемой сырьевой базой для создания аэрогельных материалов являются природные биополимеры альгинат и хитозан, а также различные производные лигнина. На их основе разработано значительное количество сорбционных материалов и раневых покрытий различных типов, что связано не только с широким спектром физико-химических свойств названных полимеров и их уже доказанной медико-биологической активностью, но и с распространенностью и возобновляемостью сырьевых источников для производства данных полимеров, простотой извлечения, возможностью достижения высокой степени очистки и сравнительно невысокой ценой. Ключевой стадией синтеза аэрогельных материалов является формирование прочного гидрогеля – каркаса. Один из технологических приемов – получение интерполиэлектролитного армирующего гидрогеля. В работе предложены 2 упаковочные модели формирования структуры интерполиэлектролитных комплексов на основе пар биополимеров: «альгинат натрия – хитозан» и «лигносульфонат натрия – хитозан». Первая модель – блочная, при которой структура формируется за счет ионных связей между карбоксильными группами альгината натрия и аминогруппами хитозана, а также кооперативной системы водородных связей и дисперсионных взаимодействий. Вторая модель – агрегационно-трубчатая, структура которой образуется посредством ионных связей между сульфогруппами (в составе палочкообразных надмолекулярных структур лигносульфоната натрия) и аминогруппами хитозана, а также водородных связей и дисперсионных взаимодействий. При высушивании интерполиэлектролитных комплексов в сверхкритических условиях формируются прочные фазовые контакты, при этом изменения в структуре геля становятся необратимыми. В результате получены гидрофобные микрои мезопористые 2-компонентные аэрогельные материалы, различающиеся внутренней структурой. Аэрогельные материалы, структура которых образована по 1-й из названных моделей, характеризуются фибриллярной структурой, а по 2-й ‒ структурными элементами сферической формы. Полученные аэрогельные материалы обладают высокой сорбционной активностью по отношению к воде и широкому кругу тяжелых металлов и низкомолекулярных токсинов. Цель работы – исследование структурно-сорбционных свойств аэрогельных материалов, основа которых – биополимеры различной структурной организации. Значительное увеличение сорбционной активности аэрогельных материалов «альгинат натрия – хитозан» в сравнении с «лигносульфонат натрия – хитозан» связано, по-видимому, с их различной надмолекулярной структурой. Действует совокупность механизмов сорбции: намокание, всасывание, диффузия, осмотические явления и химическое взаимодействие, обусловленное высокопористой структурой аэрогельных материалов и наличием сорбционно-активных центров.

Сведения об авторах

О.С. Бровко^1*, канд. хим. наук, вед. науч. сотр., доц.; ResearcherID: AAF-5387-2019, 
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1961-7831
И.А. Паламарчук¹, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: AAF-5454-2019, 
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2947-1370
Н.А. Горшкова¹, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: AAF-5411-2019, 
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2036-2418
Н.И. Богданович², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-4662-2013,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
А.Д. Ивахнов^1,2, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: U-4822-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2822-9192

¹Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова УрО РАН, просп. Никольский, д. 20, г. Архангельск, Россия, 163020; brovko-olga@rambler.ru*, irpalamarchuk@mail.ru, nat.gorshkova@mail.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; n.bogdanovich@narfu.ru, ivahnov-tema@yandex.ru

Ключевые слова

биополимеры, лигносульфонат натрия, альгинат натрия, хитозан, аэрогельные материалы, металлы, краситель, сорбция

Для цитирования

Бровко О.С., Паламарчук И.А., Горшкова Н.А., Богданович Н.И., Ивахнов А.Д. Сорбционно-структурные свойства аэрогельных материалов на основе биополимеров // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 6. С. 190–203. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-6-190-203

Литература

1. Бузинова Д.А., Шиповская А.Б. Cорбционные и бактерицидные свойства пленок хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер.: Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8, № 2. С. 42–46.
2. Вальчук Н.А., Бровко О.С., Паламарчук И.А., Бойцова Т.А., Боголицын К.Г., Ивахнов А.Д., Чухчин Д.Г., Богданович Н.И. Получение материалов аэрогельного типа на основе интерполимерного комплекса альгинат-хитозан с использованием сверхкритических флюидов // Сверхкрит. флюиды: теор. и практ. 2018. Т. 13, № 3. С. 83–89.
3. Вишнякова А.П., Бровко О.С. Применение ультрафильтрации для очистки, концентрирования и фракционирования лигносульфонатов сульфитного щелока // Экология и пром-сть России. 2009. № 8. С. 37–39.
4. Горшкова Н.А., Бровко О.С., Паламарчук И.А., Ивахнов А.Д., Боголицын К.Г., Богданович Н.И., Чухчин Д.Г. Формирование надмолекулярной структуры композиционного аэрогеля на основе альгината натрия и хитозана // Сверхкрит. флюиды: теор. и практ. 2020. Т. 15, № 3. С. 11–20.
5. Изумрудов В.А. Явления самосборки и молекулярного «узнавания» в растворах (био)полиэлектролитных комплексов // Успехи химии. 2008. Т. 77, № 4. С. 401–415.
6. Кабанов В.А. Полиэлектролитные комплексы в растворе и в конденсированной фазе // Успехи химии. 2005. Т. 74, № 1. С. 5–23.
7. Конорев М.Р. Клиническая фармакология энтеросорбентов нового поколения // Вестн. фармации. 2013. № 4(62). С. 79–85.
8. Леванова В.П. Лечебный лигнин. СПб.: Центр сорбц. технологий, 1992. 136 с.
9. Морозов А.С., Бессонов И.В., Нуждина А.В., Писарев В.М. Сорбенты для экстракорпорального удаления токсических веществ и молекул с нежелательной биологической активностью (обзор) // Общ. реаниматология. 2016. Т. 12, № 6. С. 82–107.
10. Мухина О.Ю., Пискунова И.А., Лысенко А.А. Адсорбция красителя метиленового голубого активированными углеродными волокнами // Журн. приклад. химии. 2003. Т. 76, № 6. С. 926–930.
11. Олтаржевская Н.Д., Коровина М.А., Кричевский Г.Е., Щедрина М.А., Егорова Е.А. Возможности применения полисахаридов при лечении ран // Раны и раневые инфекции. Журн. им. проф. Б.М. Костюченка. 2019. Т. 6, № 2. С. 24–31.
12. Паламарчук И.А., Макаревич Н.А., Бровко О.С., Бойцова Т.А. Афанасьев Н.И. Кооперативные взаимодействия в системе лигносульфонат-хитозан // Химия раст. сырья. 2008. № 4. С. 29–34.
13. Пршибил Р. Комплексоны в химическом анализе / под ред. Ю.Ю. Лурье. М.: Иностр. лит., 1960. 580 c.
14. Смирнов Б.М. Аэрогели // Успехи физ. наук. 1987. Т. 152, № 5. С. 133–157.
15. Тунакова Ю.А., Мухаметшина Е.С., Шмакова Ю.А. Оценка сорбционной емкости биополимерных сорбентов на основе лигнина в отношении металлов // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2011. № 9. С. 74–79.
16. Швецов И.С. Аппликационные гемостатические средства. Возможности и перспективы альгината натрия и хитозана // Соврем. наука: актуал. проблемы теории и практики. Сер.: Естеств. и техн. науки. 2021. № 5. С. 230–235.
17. Ali F.M., Boviery M.A. Adsorption Characteristics of Wheat Bran Towards Heavy Metal Cations. Separation and Purification Technology, 2004, vol. 38, iss. 3, pp. 197–207. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2003.11.005
18. Alzaydien A.S. Adsorption of Methylene Blue from Aqueous Solution onto a LowCost Natural Jordanian Tripoli. American Journal of Environmental Sciences, 2009, vol. 5, iss. 3, pp. 197–208. https://doi.org/10.3844/ajessp.2009.197.208
19. Brovkо O.S., Palamarchuk I.A., Boitsova T.A., Bogolitsyn K.G., Valchuk N.A., Chukhchin D.G. Influence of the Conformation of Biopolyelectrolytes on the Morphological Structure of Their Interpolymer Complexes. Macromolecular Research, 2015, vol. 23, iss. 11, pp. 1059–1067. https://doi.org/10.1007/s13233-015-3140-z
20. Gorshkova N., Brovko O., Palamarchuk I., Bogolitsyn K., Ivakhnov A. Preparation of Bioactive Aerogel Material Based on Sodium Alginate and Chitosan for Controlled Release of Levomycetin. Polymers for Advanced Technologies, 2021, vol. 32, iss. 9, pp. 3474–3482. https://doi.org/10.1002/pat.5358
21. Gorshkova N., Brovko O., Palamarchuk I., Bogolitsyn K., Bogdanovich N., Ivakhnov A., Chukhchin D., Arkhilin M. Formation of Supramolecular Structure in Alginate/ Chitosan Aerogel Materials during Sol-Gel Synthesis. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2020, vol. 95, iss. 1, pp. 101–108. https://doi.org/10.1007/s10971-020-05309-9
22. Murata Y., Kodama Y., Hirai D., Kofuji K., Kawashima S. Properties of an Oral Preparation Containing a Chitosan Salt. Molecules, 2009, vol. 14, no. 2, pp. 755–762. https://doi.org/10.3390/molecules14020755
23. Murata Y., Kudo S., Kofuji K., Miyamoto E., Kawashima S. Adsorption of Bile Acid by Chitosan-Orotic Acid Salt, and Its Application as an Oral Preparation. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 2004, vol. 52, iss. 10, pp. 1183–1185. https://doi.org/10.1248/cpb.52.1183
24. Pierre A.C., Pajonk G.M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chemical Reviews, 2003, vol. 34, iss. 4, pp. 4243–4266. https://doi.org/10.1002/chin.200304237
25. Shahidi F., Abuzaytoun R. Chitin, Chitosan, and Co-Products: Chemistry, Production, Applications, and Health Effects. Advances in Food and Nutrition Research, 2005, vol. 49, pp. 93–135. https://doi.org/10.1016/S1043-4526(05)49003-8