Процессы самоорганизации и гелеобразования в цистеин-серебряном растворе с участием хитозана и электролита

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

В работе с помощью методов УФ-спектроскопии, динамического светорассеяния, рН-метрии, вискозиметрических испытаний, сканирующей электронной микроскопии изучены процессы самосборки и гелеобразования в низкоконцентрированных водных растворах на основе аминокислоты L-цистеин и нитрата серебра, так называемого цистеин-серебряного раствора, низкомолекулярного водорастворимого хитозана (ХЗ) и инициатора гелеобразования CuSO4. Установлено, что процесс гелеобразования в цистеин-серебряном растворе – гель-прекурсоре – под влиянием ХЗ и сульфата меди протекает в узком концентрационном диапазоне: Схз = 0.0100–0.0150 мг/мл, CCuSO4 = 0.4–0.6 мМ, при этом CL-Cys – 3.00 мМ, CAgNO3 – 3.75 мМ, молярное соотношение Ag+/Cys равняется 1.27. Гидрогели различного композиционного состава: ЦСР-ХЗ, ЦСР-ХЗ-CuSO4, ЦСР-CuSO4 – не обладают высокой механической прочностью, однако устойчивы во времени. Структурные элементы ЦСР – кластерные цепочки цвиттер-ионов меркаптида серебра – имеют положительный заряд, поэтому образование полиэлектролитных комплексов в ЦСР-ХЗ и ЦСР-ХЗ-CuSO4 гидрогелях не происходит, так как рН цистеин-серебряного раствора – 2.6. Введение в ЦСР-ХЗ образцы сульфата меди способствует формированию более прочного гидрогеля за счет ассоциации кластеров меркаптида серебра и молекул ХЗ с сульфат-анионом и координации ионов Cu(II) с депротонированными карбоксильными группами различных кластеров.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Г. Зеников

ФГБОУ ВО “Тверской Государственный Университет”

Autor responsável pela correspondência
Email: zenikov.german@mail.ru
Rússia, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

С. Хижняк

ФГБОУ ВО “Тверской Государственный Университет”

Email: zenikov.german@mail.ru
Rússia, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

А. Иванова

ФГБОУ ВО “Тверской Государственный Университет”

Email: zenikov.german@mail.ru
Rússia, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

П. Пахомов

ФГБОУ ВО “Тверской Государственный Университет”

Email: zenikov.german@mail.ru
Rússia, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

Bibliografia

  1. Jagrosse M.L., Agredo P., Abraham B.L., Toriki E.S., Nilsson B.L. Supramolecular phenylalanine-derived hydrogels for the sustained release of functional proteins // ACS Biomater. Sci. Eng. 2023. V. 9. № 2. P. 784–796. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.2c01299
  2. Alam N., Sarma D. Thixotropic supramolecular metallogel with 2D sheet morphology: Iodine sequestration and column based dye // Soft Matter. 2020. V. 16. № 47. P. 10620–10627. https://doi.org/10.1039/D0SM00959H
  3. Du X., Zhou J., Shi J., Bing Xu B. Supramolecular hydrogelators and hydrogels: From soft matter to molecular biomaterials // Chem. Rev. 2015. V. 115. № 24. P. 13165–13307. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00299
  4. Pramanik B. Short peptide‐based smart thixotropic hydrogels // Gels. 2022. V. 8. № 9. P. 569. https://doi.org/10.3390/gels8090569
  5. Liangchun L., Rongqin S., Renlin Z., Yi H. Anions-responsive supramolecular gels: A review // Materials & Design. 2021. № 205. P. 109759. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109759
  6. Qin L., Wang P., Guo Y., Chen C., Liu M. Self-assembled soft nanomaterials via silver(I)-coordination: Nanotube, nanofiber, and remarkably enhanced antibacterial effect // Advanced Science. 2015. V. 2. № 11. P. 1500134. https://doi.org/10.1002/advs.201500134
  7. Ma Y., Shi L., Liu F., Zhang Y., Pang Y., Shena X. Self-assembled thixotropic silver cluster hydrogel for anticancer drug release // Chemical Engineering J. 2019. V. 362. P. 650–657. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.01.096
  8. Vandera K-K.A, Pague C., Omar J., González-Gaitano G., Twana M.W, Khutoryanskiy V.V., Dreiss C.A. Formation of supramolecular gels from host-guest interactions between PEGylated chitosan and -cyclodextrin // Macromol. Mater. Eng. 2023. V. 308. № 6. P. 2200646. http://dx.doi.org/10.1002/mame.202200646
  9. Furlani F., Marfoglia A., Marsich E., Donati I., Sacco P. Strain hardening in highly acetylated chitosan gels // Biomacromolecules. 2021. V. 22. № 7. P. 2902–2909. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00293
  10. Azam A., Ziafat S., Anjum F., Faseeh H., Ban, R., ur Rehman A., Bashir A. Application of chitosan-based polysaccharide biomaterials in tissue engineering: Chitosan-based polysaccharide biomaterials // Pakistan Journal of Health Sciences. 2023. V. 4. № 9. P. 10–16. https://doi.org/10.54393/pjhs.v4i09.1038
  11. Liu H., Wang C., Li C., et al. A functional chitosan-based hydrogel as a wound dressing and drug delivery system in the treatment of wound healing // RSC Advances. 2018. V. 8 № 14. P. 7533–7549. https://doi.org/10.1039/C7RA13510F
  12. Kaur M., Sharma A., Puri V., et al. Chitosan-based polymer blends for drug delivery systems // Polymers. 2023. V. 15. № 9. P. 2028. https://doi.org/10.3390/polym15092028
  13. Paradowska-Stolarz A., Milkulewicz M., Laskowska J, Karolewicz B., Owczarek A. The importance of chitosan coatings in dentistry // Mar. Drugs. 2023. V. 21. № 12. P. 613. https://doi.org/10.3390/md21120613
  14. García-Cabezón C., Godinho V., Salvo-Comino C., Torres Y., Martín-Pedrosa F. Improved corrosion behavior and biocompatibility of porous titanium samples coated with bioactive chitosan-based nanocomposites // Materials. 2021. V. 14. № 21. P. 6322. https:// doi.org/10.3390/ma14216322
  15. Bashir S., Teo Y.Y., Ramesh S., Ramesh K., Khan A.A. N-succinyl chitosan preparation, characterization, properties and biomedical applications: A state of the art review // Reviews in Chemical Engineering. 2015. V. 31. № 6. P. 563–597. http://dx.doi.org/10.1515/revce-2015-0016
  16. He R., Sun S., Wang Z., Hu S. Synthesis and performance study of pH/magnetic dual response chitosan based emulsifiers // 2023 9th International Conference on Applied Materials and Manufacturing Technology (ICAMMT-2023) 24/04/2023-26/04/2023 Qingyuan, China. 2023. V. 2587. P. 012019. https://doi.org/10.1088/1742–6596/2587/1/012019
  17. Lee S., Shanti A. Effect of exogenous pH on cell growth of breast cancer cells // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 18. P. 9910. https://doi.org/10.3390/ijms22189910
  18. Tenorio-Barajas A.Y., Olvera M.L., Romero-Paredes G., Altuzar V., Garrido-Guerrero E., Mendoza-Barrera C. Chitosan, chitosan/IgG-loaded, and N-trimethyl chitosan chloride nanoparticles as potential adjuvant and carrier-delivery systems // Molecules. 2023. V. 28. № 10. P. 4107. https://doi.org/10.3390/molecules28104107
  19. Begum R., Shenbagarathai R., Lavanya U., Bhavan K. Synthesis, characterization, and antimicrobial activity of extracted chitosan-based silver nanoparticles // Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2023. V. 12. № 5. P. e4215. https://doi.org/10.55251/jmbfs.4215
  20. Pakhomov P.M., Ovchinnikov M.М., Khizhnyak S.D., Roshchina O.A., Komarov P.V. A supramolecular medical hydrogel based on L-cysteine and silver ions // Polym. Sci. Ser. A. 2011. V. 53. № 9. P. 820–826. http://dx.doi.org/10.1134/S0965545X11090094
  21. Khizhnyak S., Komarov P., Ovchinnikov M., Zherenkova L., Pakhomov P. Mechanism of gelation in low-concentration aqueous solutions of silver nitrate with L-cysteine and its derivatives // Soft Matter. 2017. V. 30. № 13. P. 5168–5184. https://doi.org/10.1039/C7SM00772H
  22. Komarov P., Ovchinnikov M., Khizhnyak S., Alekseev V., Mikhailov I., Pakhomov P. On molecular gelation mechanism of L-cysteine based hydrogel // Nanoscience and Nanoengineering. 2013. V. 1. № 1. P. 23–35. http://dx.doi.org/10.13189/nn.2013.010104
  23. Бабуркин П.О., Комаров П.В., Малышев М.Д., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Компьютерное моделирование структурообразования в водных растворах L-цистеина и нитрата серебра под влиянием соли-инициатора // Коллоидн. журн. 2017. Т. 79. № 5. С. 534–543. https://doi.org/10.7868/S0023291217050020
  24. Овчинников М.М., Червинец В.М., Червинец Ю.В., Михайлова Е.С., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Новые катионные антисептики на основе композиций L-цистеин-серебряного раствора и хитозана // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2016. № 1. С. 140–151.
  25. Зеников Г.Р., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Супрамолекулярные гидрогели на основе аминокислоты L-цистеин, нитрата серебра и хитозана // Вестник Тверского государственного университета. Cерия: Химия. 2021. Т. 4. № 46. С. 131–141.
  26. Андрианова Я.В., Вишневецкий Д.В., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Исследование процессов гелеобразования в цистеин-серебряном растворе при добавлении сульфатов металлов // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2023. Т. 3. № 53. С. 21–29.
  27. Андрианова Я.В., Вишневецкий Д.В., Иванова А.И., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Процессы гелеобразования в водном растворе L-цистеин/AgNO3 под влиянием солей металлов различной валентности // Известия Академии Наук. Серия Химическая. 2023. Т. 72. № 9. С. 2171–2179.
  28. Brunel F., El Gueddari N.E., Moerschbacher B.M. Complexation of copper(II) with chitosan nanogels: Toward control of microbial growth // Carbohydrate Polymers. 2013. V. 92. № 2. P. 1348–1356. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.10.025
  29. Mekahlia S., Bouzid B. Chitosan-Copper (II) complex as antibacterial agent: Synthesis, characterization and coordinating bond- activity correlation study // Physics Procedia. 2009. V. 2. № 3. P. 1045–1053. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2009.11.061
  30. Malyshev M.D, Khizhnyak S.D., Zherenkova L.V., Pakhomov P.M., Komarov P.V. Self-assembly in systems based on L-cysteine–silver-nitrate aqueous solution: Multiscale computer simulation // Soft Matter. 2022. V. 18. № 39. P. 7524–7536. https://doi.org/10.1039/D2SM00846G
  31. Shen J.-S., Li D.-H., Zhang M.-B., Zhou J., Zhang H., Jiang Y.-B. Metal-metal-interaction-facilitated coordination polymer as a sensing ensemble: A case study for cysteine sensing // Langmuir. 2011. V. 27. № 1. P. 481–486. https://doi.org/10.1021/la103153e
  32. Odriozola I., Casuso P., Loinaz I., Cabanero G., Grande H.J. Designing neutral metallophilic hydrogels from di- and tripeptides // Org. Biomol. Chem. 2011. V. 9. № 14. P. 5059–5061. http://dx.doi.org/10.1039/c1ob05520h

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Structural formula of chitosan.

Baixar (49KB)
Metadados
3. Fig. 2. Photo of TsSR-ChZ-CuSO4 hydrogels 5 days after synthesis. Content of chitosan and CuSO4 in samples (V ml/1 ml TsSR): 0 – TsSR (control); 1 – Схз = 0.0075 mg/ml, CCuSO4 = 0.3 mM; 2 – Схз = 0.0100 mg/ml, CCuSO4 = 0.4 mmol; 3 – Схз = 0.0125 mg/ml, CCuSO4 = 0.5 mmol; 4 – Схз = 0.0150 mg/ml, CCuSO4 = 0.6 mmol; 5 – Схз = 0.0175 mg/ml, CCuSO4 = 0.7 mmol. Chilled oxide and electrolyte were added to the samples in equal volumes – 1:1.

Baixar (119KB)
Metadados
4. Fig. 3. Dependence of dynamic viscosity on storage time for hydrogels a, b – CSS-KhZ [25]; c, d – CSS-KhZ-CuSO4; d, e – CSS-CuSO4. Concentration of KhZ and CuSO4 in samples: a, c, d – Схз= 0.0100 mg/ml, CCuSO4=0.4 mM; b, d, e – Схз=0.0125 mg/ml, CCuSO4=0.5 mM. 1 – 30 min after synthesis, 2 – 3 days after synthesis, 3 – 6 days after synthesis, 4 – 10 days after synthesis.

Baixar (422KB)
Metadados
5. Fig. 4. Electronic spectra of samples depending on: composition (a) – CSS (1), CSS-KhZ (2), CSS-KhZ-CuSO4 (3), CSS-CuSO4 (4) Схз=0.0100 mg/ml, CCuSO4=0.4 mM, cuvette thickness – 1 mm, 2 days after synthesis; on the concentration of KhZ (b) – (0 (1), 0.0100 (2), 0.0150 (3) mg/ml) (3), cuvette thickness – 2 mm, 7 days after synthesis; on composition (c) – CSS (1), CSS-KhZ-CuSO4 (2), CSS-CuSO4 (4), Схз = 0.0150 mg/ml, CCuSO4 = 0.6 mM; cuvette thickness – 2 mm, 7 days after synthesis.

Baixar (247KB)
Metadados
6. Fig. 5. Distribution of scattering particles by size: a) CSS (1) after addition of sulfate anion depending on time: 2 – 5, 3 – 30, 4 – 120 min; CL-Cys – 0.750 mM, CAgNO3 – 0.953 mM, CCuSO4 – 0.025 mM. b) in CSS (1), 2 – KhZ (2), 3 – CSS-KhZ (3), CL-Cys – 0.750 mM, CAgNO3 – 0.938 mM, Схз=0.0019 mg/ml [25].

Baixar (187KB)
Metadados
7. Fig. 6. SEM micrographs of samples: a – CSR; b, d – CSR-CuSO4; c – CSR-KhZ-CuSO4; d – CSR-KhZ.

Baixar (548KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024