Поверхностно-активные вещества в золь-гель технологии

ляется 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

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

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– 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