Стойкость и коагуляция коллоидных систем

Коллоидные растворы малоустойчивые во времени сравнительно с молекулярными растворами. Мицела представляет собой агрегат, который состоит из более-менее простых молекул, строение и свойства агрегата характерные для данного золю только в данный момент и для точно определенных условий. На грани деления фаз дисперсных систем есть избыточная поверхностная энергия, за счет которой может происходить взаимодействие либо с растворителем, либо между отдельными частицами дисперсной фазы. В случае лиофильних растворов растворитель хорошо сольватирует поверхность дисперсной фазы, и нет избытка поверхностной энергии; напротив, в ліофобних коллоидных системах сольватація поверхности частиц растворителем происходит очень слабо, и значительная часть поверхностной энергии остается некомпенсированной. Поэтому частицы дисперсной фазы ліофобних дисперсных систем могут слипаться в более крупные агрегаты.

Под воздействием разных факторов (температуры, света, электричества, изменения концентрации, механического влияния, присутствия мизерно малых количеств посторонних примесей), а иногда даже и без видимых причин в коллоидных системах протекает ряд своеобразных необратимых процессов, что приводят к изменению частиц дисперсной фазы и их выпадения в осадок. Изменение свойств коллоидной системы, которое происходит в результате самопроизвольного процесса укрупнения частиц и уменьшения их количества в единице объема, называют старением. Поэтому стойкость дисперсных систем – один из центральных вопросов коллоидной химии, которое имеет большое теоретическое и практическое значение в биологии, медицине и фармации.

Стойкость коллоидных растворов.

Стойкость дисперсной системы – это способность ее на протяжении определенного времени сохранять неизменными состав и основные свойства: дисперсность, концентрацию, равномерное распределение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде и характер взаимодействия между частицами.

Коллоидные частицы испытывают действие двух взаимно противоположных сил взаимодействия – притягивание и отталкивание. С одной стороны, благодаря силам притягивания происходит слипание частиц, что находятся в броуновском движении, и их оседания под действием силы притяжения. с другой стороны, силы диффузии и отталкивание противодействуют сближению частиц и их объединению, обеспечивая равномерное распределение частиц во всем объеме системы. Если в данной системе между частицами преобладают силы притягивания, наблюдается коагуляция (от латинского coagulation – свертывание, свертываемость ”), и наоборот, если более силы отталкивания – система стойкая.

М.Песков (1920) ввел в науку о коллоидах понятия кинетической и агрегативної стойкости. Кинетическая (седиментаційна) стойкость дисперсных систем оказывается в сбереженные равномерного распределения частиц во всем объеме системы, то есть в противодействии силам притяжения, которые вызывают оседание частиц (седиментацію). Основное условие кинетической стойкости – это высокая дисперсность и участие частиц дисперсной фазы в броуновском движению. Именно грубодисперсные системы являются кинетически неустойчивыми, в отличие от молекулярных систем. Кинетическая стойкость коллоидов тем больше, чем меньший размер частиц. Она увеличивается и за повышение температуры, поскольку увеличение энергии броуновского движения препятствует оседанию частиц.

Агрегативная стойкость дисперсных систем – это способность противодействовать слипанию (агрегации) частиц и этим удерживать определенную степень дисперсности. Учитывая это, термодинамически стойкими являются молекулярные ліофільні системы (растворы высокомолекулярных и поверхностно-активных веществ), образование которых происходит самостоятельно и сопровождается уменьшением энергии Гиббса. Лиофобные системы (золи, суспензии, эмульсии) являются принципиально термодинамически неустойчивыми системами, поскольку имеют большой запас свободной поверхностной энергии. Поэтому нарушение агрегативной стойкости путем слипания частиц в более крупные агрегаты (коагуляция) является термодинамически выгодным и самопроизвольным процессом, ибо приводит к уменьшению поверхности деления фаз. Повышение температуры, с одной стороны, увеличивает кинетическую стойкость, а с другого – способствует более частым и более эффективным столкновениям частиц, их слипанию, то есть нарушению агрегативной стойкости.

Факторы стойкости дисперсных систем.

Большинство ліофобних золів есть агрегативно стойкими в течение длительного времени. Эта стойкость обусловлена действием нескольких факторов, главными из которых есть электростатический и адсорбціонно-сольватний.

Электростатический барьер создает силы отталкивания между одноименно заряженными коллоидными частицами. Эти силы растут с увеличением потенциала поверхности частиц и особенно электрокинетического потенциала. Именно от величины электрокинетического потенциала в значительной мере зависит стабильность клеточных зависей, и любые факторы, которые вызывают уменьшение электрокинетического потенциала, убыстряют коагуляцию коллоидов и агглютинацию суспендованих частиц. Чтобы произошла агрегация, необходимое сближения частиц на достаточно малое расстояние. Однако при сближении одноименно заряженные частицы отталкиваются, что препятствует их агглютинации и седиментації.

Адсорбционно-сольватний фактор стойкости оказывается в том, что против ионы диффузного слоя соль ватуються и создают защитную іонно-сольватну оболочку, которая является механическим барьером, что препятствует коагуляции. Кроме того, сольватні слои из молекул дисперсионной среды или молекул или ионов стабилизатора уменьшают между фазовый поверхностный натяг и энергию Гиббса поверхности деления фаз и тем предоставляют системе стойкости. Чем больше против ионов находится в диффузном слое. Тим большая толщина соль ватной оболочки и тем более стойкий золь.

Стойкость золів увеличивают и процессы ліофілізації. Например, природные глины при смачивании водой настолько интенсивно гид ратуються, что распадаются на отдельные частицы, образовывая агрегативно стойкие системы. Стойкость золів также повышается путем образования сольватно-адсорбционных слоев, при добавлении в раствор поверхностно-активных веществ или высокомолекулярных соединений. Они имеют высокую адсорбционную способность и обеспечивают ліофілізацію поверхности.

Названные факторы стойкости связаны между собой, поскольку увеличение заряда и потенциала поверхности создает условия для адсорбции стабилизатора и содействует развитию сольватних оболочек. Таким образом, предоставление коллоидным системам стойкости нуждается в специальных методах стабилизации.

Коагуляция гидрофобных золей.

Коагуляция – это процесс уменьшения дисперсности системы за счет укрупнения частиц дисперсной фазы. Повлечь коагуляцию гідрофобних золів может любой фактор, что нарушает агрегативну стойкость системы: резкое изменение температуры (нагревание или замораживание), интенсивное стряхивание, перемешивания, центрифугирования, действие света и разного типа излучений, электрических разрядов и особенно электролитов. Все эти факторы либо уменьшают силы отталкивания, либо увеличивают силы притягивания между коллоидными частицами. самым важным фактором коагуляции золів является действие электролитов. Последние очень быстро и резко влияют на толщину двойного электрического слоя и величину электрокинетического потенциала, который является одним из главных факторов стойкости гідрофобних коллоидных систем.

Рассмотрим основные закономерности коагуляции электролитами – правила коагуляции.

С заметной скоростью коагуляция происходит лишь при определенном количестве введенного электролита. Минимальную концентрацию электролита в ммоль, которая способна повлечь коагуляцию 1 л золю, называют порогом коагуляции или критической концентрацией.

Начало явной коагуляции определяют за такими признаками:зміною расцветка системы, возникновением мути.

Величину, обратную к порогу коагуляции, называют коагулирующей способностью. Коагулирующая способность – это объем золю, для коагуляции которого нужно 1 ммоль электролиту.

Коагулирующую действие выявляет не вся молекула электролита, а лишь тот его ион, знак которого противоположный к заряду гранулы. Эти ионы электролита называют коагулируя мы или іонами-коагуляторами. Такая закономерность была установлена М.Гарди у 1900 года.

Процесс коагуляции обусловлен тем, что увеличение концентрации ионов, что имеют заряд, противоположный знаку потенциал определяющих ионов, приводит к сжатию диффузной части двойного электрического слоя и уменьшения заряда гранулы. При достижении пороговой концентрации электролита электростатические силы отталкивания между частицами ослабевают, частицы при приближении объединяются в более крупные агрегаты и выпадают в осадок. Минимальное значение электрокинетического потенциала, за которого золь стойкий, называют критическим.

По правилу Шульце, коагулируя способность иона тем больше, чем больший его заряд. Поэтому наименьший порог коагуляции будут иметь электролиты, что содержат многозарядный іон-коагулятор.

Такая зависимость наблюдается и для агглютинации (склеивание) клеток. Например, агглютинацию эритроцитов и бактериальных клеток убыстряют соли многозарядных катионов: Алюминию, Торию, Лантану. Указанные ионы адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности клеток и уменьшают величину электрокинетического потенциала.

У неорганических ионов (катионов и анионов) одинакового заряда коагулируя активность растет с уменьшением степени гідратації и увеличением радиуса иона.

Это объясняется тем, что менее гідратований ион легче адсорбируется и сильнее притягивается заряженной частицей. Такие ряды ионов называют ліотропними.

Ионы органических соединений выявляют лучшую коагулирующую активность сравнительно с неорганическими. Это объясняется тем, что органические ионы характеризуются большой специфической адсорбционной способностью и легче входят во внутреннюю часть двойного электрического слоя коллоидных частиц.

При коагуляции гідрофобних золів смесями электролитов может наблюдаться одно из трех явлений: адитивність, антагонизм и синергизм электролитов.

Адитивнисть оказывается в грустящее коагулирующей способности электролитов. Такое явление наблюдается, когда іони-коагулятори имеют одинаковую зарядність и близкая степень гідратації.

Антагонизм электролитов заключается в том, что в коагулирующей смеси содержание каждого электролита значительно превышает его собственную пороговую концентрацию.

Синергизм – это усиление коагулирующего действия электролита другим, и поэтому для коагуляции золю смеси нужно меньше, чем по правилу адитивності.

Явление привыкания золів. Иногда коагуляция зависит от способа добавления електроліту-коагулятора. Если электролит добавлять небольшими порциями через определенные промежутки времени, то коагуляция наступает при большей его суммарной концентрации, чем при одноразовом добавлении. Это явление называют привыканием золів. Причиной привыкания золів является повышение заряда частиц адсорбции ионов, заряженных одноименно с частицей.

Коагуляция в биологических системах. Как уже отмечалось, большинство биологических жидкостей ( кровь, лимфа, плазма, спинномозговая жидкость, моча и др.) является колоїдно-дісперсними системами. Кровь является системой, в которой дисперсной фазой являются форменные элементы (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты), а дисперсионной средой – плазма. Плазма является высокодисперсной системой, где в воде растворены белки, ферменты, гормоны.

Обследование больных с разной патологией включает в первую очередь общий анализ крови: изучение количественного и качественного состава форменных элементов, скорости оседания эритроцитов, времени зсідання крови и др. Эти показатели крови здорового человека являются достаточно стабильными, и поэтому разные их колебания могут иметь диагностическое значение.

Как было отмечено выше, эритроциты в сосудах имеют отрицательный электрический заряд, что предопределяет их взаимное отталкивание. Если кровь уместить в пробирку с антикоагулянтом, то эритроциты начинают оседать, а затем происходит их агломерация – соединение в агрегаты, которые еще быстрее оседают. Скорость оседания эритроцитов определяют за методом Стокса – Панченкова. В норме скорость оседания эритроцитов (ШОЕ) составляет у женщин 8 – 15 мм/год, а у мужчин 8 – 10 мм/год. Изменение ШОЕ указывает на наличие патологических, воспалительных процессов в организме человека. ШОЕ увеличивается, если в крови растет содержание глобулинов, фібриногену, некоторых муко полисахаридов, которые способствуют агломерации эритроцитов. Замедление ШОЕ характерное для состояний, что сопровождаются свертываемостью крови (увеличение массы эритроцитов, повышения вязкости крови), увеличением содержания альбуминов и желчных кислот.

В гигиенической практике определяют скорость оседания пыли, дыма и других отходов производства.

В организме человека кровь находится в жидком состоянии как следствие постоянного физического равновесия между системами зсідання и протизсідання. Зсідання является сложным ферментативним процессом, в котором принимают участие 13 плазменных и 12 тромбоцитарних факторов. Коагулирующей фазой этого процесса является образование кровяного сгустку – коротких нитей фибрина из фібриногену крови под влиянием тромбину. Следовательно, остановка кровотечения (гемостаз) осуществляются через последовательно действующие механизмы, что защищают организм от больших кровопотерь. Причиной склонности к кровотечениям (геморрагический синдром) является уменьшение активности или полное отсутствие любого фактора зсідання крови.

К плазменным факторам процесса зсідання крови принадлежат ионы Кальция, поэтому при консервировании крови их устраняют добавлениям натрий цитрату или катіонітним методом. Основными антикоагулянтами крови есть гепарин иди кумарин. При создании искусственных кровеносных сосудов, клапанов и желудочков сердца особенного внимания предоставляется антитромбогенним свойствам полимерных материалов.

Стабильность клеточных суспензий зависит как от сил отталкивания, что определяются величиной электрокинетического потенциала, так и силами сцепления, которые склеивают клетки при их достаточном сближении. Так можно объяснить действие иммунных веществ – аглютинінів. При выработке иммунитета в крови образуются специальные вещества – аглютиніни, которые адсорбируются на поверхности определенных бактерий и увеличивают силы сцепления клеток. Такие бактерии не способны выявлять болезнетворного действия. Кроме увеличения сил сцепления, аглютиніни уменьшают величину электрокинетического потенциала поверхности клеток ниже критического, что приводит к агглютинации бактерий и их быстрому оседанию.

Мембраны клеток злокачественных опухолей теряют структуры, которые обеспечивают механическое и химическое сцепление. В опухолях растут силы отталкивания между клетками и уменьшается содержание Кальция сравнительно с нормой в 2 раза. Поэтому клетки опухолей подвижнее, плывут с течью жидкости и образуют метастазы.

Стабилизация золей.

В результате взаимодействия со средой на поверхности частиц дисперсной фазы возникают сольватні слои. Однако в большинстве ліофобних золів сольватний слой незначительный и поэтому недостаточной для обеспечения агрегативної стойкости золю. Увеличения сольватної оболочки ліофобних золів достигают добавлением речовин-стабілізаторов, которые способствуют увеличению межфазовой взаимодействию . Такими стабилизаторами могут быть ПАР или ВМС, что ліофілізують дисперсные системы.

Явление увеличения стойкости ліофобних золів путем добавления небольших количеств ВМС называют коллоидной защитой, а вещество, что его вызывает, - защитным веществом.

Коллоидная защита имеет большое значение для биологии, медицины и фармации. Роль защитных веществ в живых организмах играют разные белки, полисахариды, сапоніни (у растений), пектины. Кровь, моча является защищенными коллоидами. Именно белки защищают гідрофобні частицы кальций карбоната и кальций фосфата, холестерина, капельки жира и других малорастворимых веществ от коагуляции. При этом содержание защитных веществ в биологических жидкостях постоянное. Однако, при некоторых заболеваниях, а также при условии старения организмов содержание защитных белков в крови уменьшается, что приводит к нарушению лецитино-холестериновой равновесия, откладыванию холестерина на стенках сосудов, образованию нерастворимых солей и камням в почках, печенке, проливах пищеварительных желез, возникновения подагры.

Способность крови удерживать в связанном состоянии большое количество газов (кислорода и углекислоты) также обусловленная защитным действием белков. В данному разе белки обволакивают микропузырьки газов и предотвращают их слияние.

Другим примером является защитное действие белков молока, которые укрывают капельки жира защитной оболочкой, а также обеспечивают высокое содержание кальций фосфата в молоке.

Властивості розчинів біополімерів.

Ізоелектрична точка білка.

Високомолекулярними сполуками (ВМС) називають речовини складної хімічної будови з молекулярною масою порядку 10⁴ – 10⁶ атомних одиниць маси. Структурними одиницями ВМС є макромолекули, що складаються з великого числа окремих груп атомів (елементарних ланок), зв’язаних між собою ковалентними хімічними зв’язками.

Значення високомолекулярних сполук у

медицині та біофармації

Клітини організмів та міжклітинна рідина побудовані з високомолекулярних сполук – білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів та змішаних біополімерів (глюкопротеїдів, ліпопротеїдів тощо).ВМС входять до складу сполучної (колаген) та м’язової (актин, міозин) тканин, виконують структурні функції (полісахариди).

Завдяки специфічним властивостям біополімери, що утворюються під час біосинтезу у клітинах живих організмів, виконують цілий ряд функцій:

• каталізують та регулюють біохімічні реакції (ферменти та гормони);

• зберігають та передають генетичну інформацію дезоксирибонуклеїнова кислота);

• є резервними поживними речовинами (крохмаль, глікоген, інулін);

• відіграють захисну роль (антигенні полімери, цукрі, камеді та сліз рослин);

• виконують структурну та опорну функції (колаген, фіброїн, кератин).

З вишенаведенного зрозуміло, що ВМС мають велике значення життєдіяльності людини.

До високомолекулярних сполук належать майже всі живі та рослинні матеріали, зокрема бавовна, вовна, шкіра, шовк, натуральний каучук тощо, а також різні синтетичні матеріали – каучук, пластмаси, лавсан, капрон, найлон та ін.

Синтетичні полімери набули широкого застосування у медицині та фармації. У хірургії їх використовують для внутрішнього та зовнішнього протезування (виготовлення корпусів та деталей штучних шлуночків та стимуляторів серця, протезів кровоносних судин, замінників тканин кісток, очних лінз); для виготовлення різних медичних інструментів та пристосувань, тканинних клеїв, кровоспинних губок тощо; їх широко застосовують у стоматології. ВМС використовують як мембрани, які селективно пропускають окремі компоненти крові під час гемодіалізу.

Великих успіхів досягнуто у дослідженні фармакологічно активних полімерних речовин. До них належать ВМС, що мають властивість пролонгувати дію лікарських речовин в організмі , а також розчини полімерів, які застосовують як крово- та плазмозамінники (полівінілпіролідон, полівініловий спирт, декстран, желатина та ін.). Різні модифікації целюлози застосовують для виготовлення бинтів і вати з кровоспинними та антимікробними властивостями. Волокна з синтетичних полімерів використовують у хірургічній практиці як шовний матеріал.

Деякі полімери (поліакрилова, поліметакрилова кислота та ін.) сприяють утворенню в організмі специфічного білка – інтерферону, який сповільнює розвиток вірусів і захищає клітини від мікроорганізмів.

Антимікробні волокна, виготовлені на основі природних полімерів (целюлози, альгінатів), або синтетичні ВМС (полівініловий спирт) мають властивість затримувати ріст різних мікроорганізмів.

Це є далеко не повний перелік прикладів застосування ВМС у сучасній медицині та біофармації.

Вивчення структури і фізико-хімічних властивостей ВМС необхідне для пізнання важливих біологічних процесів. Установлення будови складних структурних утворень організмів і узагальнення їх властивостей можливе лише завдяки сучасним досконалим фізико-хімічним методам дослідження.