1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 4, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 4, стр. 511-525

Влияние гидродинамических условий синтеза коллоидной системы альгинат натрия–папаин на сорбционные свойства биокомпозита

С. А. Кокшаров 1, О. В. Лепилова 1, С. В. Алеева 1, *, Г. Е. Кричевский 2, Ю. С. Фидоровская 3, Н. Д. Олтаржевская 3

1 Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук
153045 Иваново, ул. Академическая, 1, Россия

2 ООО “НПО Текстильпрогресс Инженерной Академии”
115093 Москва, ул. Павловская, 21, Россия

3 ООО “Колетекс”
115093 Москва, ул. Павловская, 21, Россия

* E-mail: svetlana19750710@gmail.com

Поступила в редакцию 21.04.2023
После доработки 19.05.2023
Принята к публикации 19.05.2023

Аннотация

Исследована специфика образования молекулярных ассоциатов при введении папаина в коллоидный раствор альгината натрия при ламинарном низкоскоростном, переходном и турбулентном режимах перемешивания, прослежена связь с изменением сорбционной емкости биополимерной композиции и кинетическими закономерностями межфазного переноса при сорбционном связывании альбумина – одного из белковых компонентов раневого экссудата, подлежащих ферментативному расщеплению. Состояние дисперсной фазы коллоидных растворов оценено методом динамического рассеяния света. Свойства формируемых биополимерных пленок изучены с применением методов электронной сканирующей микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота и статической сорбции альбумина из растворов ограниченного объема. Данные сорбционных экспериментов проанализированы с использованием диффузионных моделей Бойда, Морриса–Вебера и гелевой диффузии, а также кинетических моделей псевдо-первого порядка Лагергрена и псевдо-второго порядка Хо и Маккея. Получены результаты для обоснования дозировки биополимерной матрицы на ранозаживляющей повязке и эффективного связывания некротических загрязнений раны в течение заданной продолжительности контаминации.

Список литературы

  1. Zhang H., Cheng J., Ao Q. Preparation of alginate-based biomaterials and their applications in biomedicine // Marine Drugs. 2021. V. 19. № 5. P. 264. https://doi.org/10.3390/md19050264

  2. Abourehab M.A., Rajendran R.R., Singh A., Pramanik S., Shrivastav P., Ansari M.J., Manne R., Amaral L.S., Deepak A. Alginate as a promising biopolymer in drug delivery and wound healing: A review of the state-of-the-art // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 16. P. 9035. https://doi.org/10.3390/ijms23169035

  3. Liu Z., Chen X., Huang Z., Wang H., Cao S., Liu C., Yan H., Lin Q. One-pot synthesis of amphiphilic biopolymers from oxidized alginate and self-assembly as a carrier for sustained release of hydrophobic drugs // Polymers. 2022. V. 14. № 4. P. 694. https://doi.org/10.3390/polym14040694

  4. Ilgin P., Ozay H., Ozay O. Synthesis and characterization of pH responsive alginate based-hydrogels as oral drug delivery carrier // J. Polym. Res. 2020. V. 27. P. 251. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02231-0

  5. Roquero D.M., Smutok O., Othman A., Melman A., Katz E. “Smart” delivery of monoclonal antibodies from a magnetic responsive microgel nanocomposite // ACS Appl. Bio Mater. 2021. V. 4. P. 8487–8497. https://doi.org/10.1021/acsabm.1c00994

  6. Roquero D.M., Katz E. “Smart” alginate hydrogels in biosensing, bioactuation and biocomputing: State-of-the-art and perspectives // Sensors and Actuators Reports. 2022. V. 4. P. 100095. https://doi.org/10.1016/j.snr.2022.100095

  7. Zhao Q., Li C., Shum H.C., Du X. Shape-adaptable biodevices for wearable and implantable applications // Lab Chip. 2020. V. 20. P. 4321–4341. https://doi.org/10.1039/d0lc00569j

  8. Biswas A., Bornhoeft L.R., Banerjee S., You Y.H., McShane J. Composite hydrogels containing bioactive microreactors for optical enzymatic lactate sensing // ACS Sens. 2017. V. 2. P. 1584–1588. https://doi.org/10.1021/acssensors.7b00648

  9. Roquero D.M., McCorduck B., Bollella P., Smutok O., Melman A., Katz E. Biomolecule release from alginate composite hydrogels triggered by logically processed signals // ChemPhysChem. 2021. V. 22. № 19. P. 1967–1977. https://doi.org/10.1002/cphc.202100458

  10. Poncelet D. Production of alginate beads by emulsification/internal gelation // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2001. V. 944. P. 74–82. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2001.tb03824.x

  11. Orue I.G., Vizcaíno E.S., Sanchez P., Gutierrez F.B., Anda J.J.A., Hernandez R.M., Igartua M. Bioactive and degradable hydrogel based on human platelet-rich plasma fibrin matrix combined with oxidized alginate in a diabetic mice wound healing model // Mater. Sci. Eng. C. 2022. V. 135. № 1. P. 112695. https://doi.org/10.1016/j.msec.2022.112695

  12. Sivan S.S., Bonstein I., Marmor Y.N., Amit M. Encapsulation of human-bone-marrow-derived mesenchymal stem cells in small alginate beads using one-step emulsification by internal gelation: In vitro, and in vivo evaluation in degenerate intervertebral disc model // Pharmaceutics. 2022. V. 4. № 6. P. 1179. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14061179

  13. Abouzeid R.E., Khiari R., Salama A., Diab M., Beneventi D., Dufresne A. In situ mineralization of nano-hydroxyapatite on bifunctional cellulose nanofiber/polyvinyl alcohol/sodium alginate hydrogel using 3D printing // Int. J. Biol. Macromol. 2020. V. 160. P. 538–547. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.05.181

  14. Sardelli L., Tunesi M., Briatico-Vangosa F., Petrini P. 3D-Reactive printing of engineered alginate inks // Soft Matter. 2021. V. 17. № 8. P. 8105–8117. https://doi.org/10.1039/D1SM00604E

  15. Siwal S.S., Mishra K., Saini A.K., Alsanie W., Kovalcik A., Thakur K. Additive manufacturing of bio-based hydrogel composites: Recent advances // J. Polym. Environ. 2022. V. 30. P. 4501–4516. https://doi.org/10.1007/s10924-022-02516-z

  16. Varaprasad K., Jayaramudu T., Kanikireddy V., Toro C., Sadiku E.R. Alginate-based composite materials for wound dressing application: A mini review // Carbohy-dr. Polym. 2020. V. 236. P. 116025. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116025

  17. Pereira R., Carvalho A., Vaz D.C., Gil M.H., Mendes A., Bártolo P. Development of novel alginate based hydrogel films for wound healing applications // Int. J. Biol. Macromol. 2013. V. 52. P. 221–230. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2012.09.031

  18. Soleimanpour M., Mirhaji S.S., Jafari S., Derakhshankhah H., Mamashli F., Nedaei H., Karimi M.R., Motasadizadeh H., Fatahi Y., Ghasemi A., Nezamtaheri M., Mohadese K., Teimouri M., Goliaei B., Delattre C., Saboury A.A. Designing a new alginate-fibrinogen biomaterial composite hydrogel for wound healing // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 7213. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11282-w

  19. Su Y., Yrastorza J., Matis M., Cusick J., Zhao S., Wang G., Xie J. Biofilms: Formation, research models, potential targets, and methods for prevention and treatment // Adv. Sci. 2022. V. 9. № 29. P. 2203291. https://doi.org/10.1002/advs.202203291

  20. Balakireva A.V., Kuznetsova N.V., Petushkova A.I., Savvateeva L.V., Zamyatnin A.A. Trends and prospects of plant proteases in therapeutics // Curr. Med. Chem. 2019. V. 26. № 3. P. 465–486. https://doi.org/10.2174/0929867325666171123204403

  21. Фидоровская Ю.С., Медушева Е.О., Коровина М.А., Кричевский Г.Е., Олтаржевская Н.Д Особенности технологии получения раневых покрытий с протеолитическим и антимикробным действием // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2021. Т. 395. № 5. С. 137–143. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_5_137

  22. Кокшаров С.А., Алеева С.В., Лепилова О.В., Кричевский Г.Е., Фидоровская Ю.С. Свойства гидроколлоидов альгината натрия при сорбционном связывании папаина // Коллоид. журн. 2021. Т. 83. № 6. С. 660–675. https://doi.org/10.31857/S0023291221060070

  23. Бирштейн T.M. Конформации макромолекул и внутримолекулярные конформационные переходы // Высокомол. соединения. Сер. A. 2019. Т. 61. № 6. С. 542–552.

  24. Derkach S.R., Voron’ko N.G., Sokolan N.I., Kolotova D.S., Kuchina Y.A. Interactions between gelatin and sodium alginate: UV and FTIR studies // J. Dispers. Sci. Technol. 2020. V. 41. № 5. P. 182617031. https://doi.org/10.1080/01932691.2019.1611437

  25. Feng L., Cao Y., Xu D., You S., Han F. The ultrasound technology for modifying enzyme activity // Ultrason. Sonochem. 2016. V. 32. P. 145–150. https://doi.org/10.17268/sci.agropecu.2016.02.07

  26. Boyd G.E., Adamson A.W., Myers L.S. The exchange adsorption of ions from aqueous solutions by organic zeolites. II. Kinetics // J. Am. Chem. Soc. 1947. V. 69. № 11. P. 2836–2848. https://doi.org/10.1021/ja01203a066

  27. Крижановская О.О., Синяева Л.А., Карпов С.И., Селеменев В.Ф., Бородина Е.В., Рёсснер Ф. Кинетические модели при описании сорбции жирорастворимых физиологически активных веществ высокоупорядоченными неорганическими кремнийсодержащими материалами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 5. С. 784–794.

  28. Weber J.W.J., Morris J.C. Kinetics of adsorption on carbon from solution // J. Sanitary Eng. Division. 1963. V. 89. № 2. P. 31–60.

  29. Lagergren S. About the theory of so-called adsorption of soluble substances // Kung Sven Veten Hand. 1898. V. 24. № 4. P. 1–39.

  30. Ho Y.S., Ng J.C.Y., McKay G. Kinetics of pollutant sorption by biosorbents: Review // Sep. Purif. Methods. 2000. V. 29. № 2. P. 189–232. https://doi.org/10.1081/SPM-100100009

  31. Javadian H. Application of kinetic, isotherm and thermodynamic models for the adsorption of Co(II) ions on polyaniline/polypyrrole copolymer nanofibers from aqueous solution // J. Ind. Eng. Chem. 2014. V. 20. № 6. P. 4233–4241. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2014.01.026

  32. Turner B., Henley B.J., Sleap S., Sloan, S.W. Kinetic model selection and the Hill model in geochemistry // Int. J. Environ. Sci. Techn. 2015. V. 12. № 8. P. 2545–2558. https://doi.org/10.1007/s13762-014-0662-4

  33. Hubbe M., Azizian S., Douven S. Implications of apparent pseudo-second-order adsorption kinetics onto cellulosic materials: A review // Bioresources. 2019. V. 14. № 3. P. 7582–7686. https://doi.org/10.15376/biores.14.3.7582-7626

  34. Kornilova N., Koksharov S., Aleeva S., Lepilova O., Bikbulatova A., Nikiforova E. Enterosorbents based on rhubarb biomass with a hybrid polymer-inorganic coating for the immobilization of azaheterocyclic mycotoxins // Coatings. 2023. V. 13. № 4. P. 684. https://doi.org/10.3390/coatings13040684

  35. Кокшаров С.А., Алеева С.В., Лепилова О.В. Влияние строения пектиновых веществ льняных кормовых добавок на абсорбционное связывание азагетероциклических микотоксинов // Рос. хим. журн. 2021. Т. 65. № 1. С. 12–35. https://doi.org/10.6060/rcj.2021651.2

  36. Кокшаров С.А., Алеева С.В., Лепилова О.В. Кинетика сорбции теофиллина в гидрогелях пектинов с различающимися структурными свойствами // Журн. физ. химии. 2022. Т. 96. № 4. С. 562–569. https://doi.org/10.31857/S0044453722040161

  37. Yan Y.D., Clarke J.H.R. In-situ determination of particle size distributions in colloids // Adv. Colloid Interface Sci. 1989. V. 29. P. 277–318. https://doi.org/10.1016/0001-8686(89)80011-9

  38. Кокшаров С.А. О применении метода динамического светового рассеяния для оценки размера наночастиц в бикомпонентном гидрозоле // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 1. С. 33–36.

  39. Chatterjee A., Schiewer S. Multi-resistance kinetic models for biosorption of Cd by raw and immobilized citrus peels in batch and packed-bed columns // Chem. Eng. J. 2014. V. 224. P. 105–116. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.12.017

  40. Kim T., An B. Effect of hydrogen ion presence in adsorbent and solution to enhance phosphate adsorption // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 2777. https://doi.org/10.3390/app11062777

  41. Сазонова В.Ф., Перлова О.В., Перлова Н.А., Поликарпов А.П. Сорбция соединений урана(VI) на поверхности волокнистого анионита из водных растворов // Коллоид. журн. 2017. Т. 79. № 2. С. 219–226. https://doi.org/10.7868/S0023291217020136

  42. Маслова М.В., Иваненко В.И., Герасимова Л.Г. Влияние температуры на кинетику сорбции катионов стронция сорбентом на основе фосфата титана // Журн. физ. хим. 2019. Т. 93. № 7. С. 1002–1008. https://doi.org/10.1134/S0044453719060219

  43. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.Л. Методы исследования ионитов. М.: Химия, 1976.

  44. Viegas R.M.C., Campinas M., Costa H., Rosa, M.J. How do the HSDM and Boyd’s model compare for estimating intraparticle diffusion coefficients in adsorption processes // Adsorption. 2014. V. 20. № 5–6. P. 737–746. https://doi.org/10.1007/s10450-014-9617-9

  45. Moussout H., Ahlafi H., Aazza M., Maghat H. Critical of linear and nonlinear equations of pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models // Karbala Int. J. Modern Sci. 2018. V. 4. P. 244–254. https://doi.org/10.1016/j.kijoms.2018.04.001

  46. Алеева С.В., Лепилова О.В., Кокшаров С.А. Закономерности сорбции паров крезола на высокопористых материалах из биомодифицированной льняной костры // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2022. Т. 58. № 1. С. 16–25. https://doi.org/10.31857/S0044185622010028

  47. Kaszuba M., McKnight D., Connah M.T., McNeil-Watson F.K., Nobbmann U. Measuring sub nanometre sizes using dynamic light scattering // J. Nanopart. Res. 2008. V. 10. P. 823–829. https://doi.org/10.1007/s11051-007-9317-4

  48. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость / Пер. с англ. под ред. К.В. Чмутова. М.: Мир, 1970.

  49. Morris E.R., Powell D.A., Gidley M.J., Rees D.A. Conformations and interactions of pectins: I. Polymorphism between gel and solid states of calcium polygalacturonate // J. Mol. Biol. 1982. V. 155. № 4. P. 507–516. https://doi.org/10.1016/0022-2836(82)90484-3

  50. Maslova M., Ivanenko V., Evstropova P., Mudruk N., Gerasimova L. Investigation on purification of saturated LiNO3 solution using titanium phosphate ion exchanger: Kinetics study // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 13416. https://doi.org/10.3390/ijms232113416

  51. Ermolenko A., Shevelev A., Vikulova M., Blagova T., Altukhov S., Gorokhovsky A., Godymchuk A., Burmistrov I., Offor P.O. Wastewater treatment from lead and strontium by potassium polytitanates: Kinetic analysis and adsorption mechanism // Processes. V. 8. № 2. P. 217. https://doi.org/10.3390/pr8020217

  52. Ma Y., Zhang B., Ma H, Yu M., Li L., Li J. Polyethylenimine nanofibrous adsorbent for highly effective removal of anionic dyes from aqueous solution // Sci. China Mater. 2016. V. 59. № 1. P. 38–50. https://doi.org/10.1007/s40843-016-0117-y

  53. Campos N.F., Barbosa C.M., Rodrıguez-Dıaz J.M., Duarte M.M. Removal of naphthenic acids using activated charcoal: Kinetic and equilibrium studies // Adsorp. Sci. Technol. 2018. V. 36. № 7–8. P. 1405–1421. https://doi.org/10.1177/0263617418773844

  54. Петрова Ю.С., Пестов А.В., Алифханова Л.М.К., Неудачина Л.К. Динамика сорбции меди(II) и серебра(I) материалами на основе N-2-сульфоэтилхитозана с различной степенью сшивки // Журн. физ. химии. 2017. Т. 91. № 4. С. 720–724. https://doi.org/10.7868/S0044453717040239

  55. Koksharov S.A., Aleeva S.V, Lepilova O.V. Description of adsorption interactions of lead ions with functional groups of pectin-containing substances // J. Molecular Liquids. 2019. V. 283. P. 606. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.109

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал