Связнодисперсные системы

Взаимодействие частиц дисперсной фазы в свободнодисперсной системе может в определенных условиях приводить к их агрегации с образованием сплошной пространственной сетки, в которую заключена дисперсионная среда. Возникающая связнодисперсная система получила название геля.

Гель - связнодисперсная система, содержащая сплошную пространственную сетку из частиц дисперсной фазы, в ячейках которой заключен растворитель.

Гель можно рассматривать как коллоидный раствор ВМС, который под воздействием внешних факторов потерял свою текучесть. Но гель может образоваться и в процессе ограниченного набухания. Для каждого полимера существует определенная точка гелеобразования, которая соответствует тому пороговому значению концентрации раствора, при превышении которой раствор переходит в гель. Для водного раствора агар-агара при комнатной температуре точка гелеобразования соответствует концентрации 1,2%, а для желатина - 0,5%.

Понижение температуры уменьшает подвижность макромолекул и способствует гелеобразованию. Наиболее легко гелеобразование протекает при рН, соответствующем изоэлектрической точке, когда макромолекула белка по всей длине содержит противоположно заряженные функциональные группы, склонные к образованию межмолекулярных связей. Способствует гелеобразованию также прибавление к раствору электролитов, чьи ионы, связывая воду, частично дегидратируют полимер.

Гелями в организме являются мозг, кожа, хрящи, глазное яблоко.

Для большинства гелей характерна эластичность. При резком механическом воздействии на гель происходит его разжижение, но этот процесс обратим, и в состоянии покоя образовавшийся раствор снова превращается в гель. Это явление называется тиксотропией. Тиксотропия наблюдается при сотрясении мозга и последующем восстановлении его структур.

При длительном стоянии геля происходит необратимый процесс его старения, который выражается в дальнейшем упорядочении структуры, сжатии геля и выделении из него растворителя. Этот процесс называется синерезисом. Старению геля способствуют низкая температура, высокая концентрация полимера, кислотность, соответствующая изоэлектрической точке, и длительный покой в системе. С процессом синерезиса, протекающем в живых тканях, связан процесс уплотнения мяса старых животных и утончение их костей.

Дисперсные системы живого организма

В любом живом организме представлены практически все виды коллоидных систем – лиофобные и лиофильные, связнодисперсные и свободнодисперсные.

Лиофильные системы представлены белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами. Они могут находиться как в виде растворов (кровь, лимфа, спинномозговая жидкость), так и в виде связнодисперсных систем (цитоплазма, вещество мозга, водянистое содержимое глазного яблока, мышцы). Растворы белков содержат отдельные частицы, как истинные растворы, однако размер этих частиц близок к коллоидным, поэтому они обладают многими свойствами коллоидных систем.

В состав лиофобных дисперсных систем входят труднорастворимый фосфат кальция (участвующий в образовании аденозинтрифосфата, костного матрикса, неорганической основы зубов), холестерин (сложные эфиры которого входят в липидную часть клеточных мембран), фосфолипиды (из которых образованы клеточные мембраны и оболочки нервных волокон) и другие вещества.

Согласно современным представлениям, слюну также можно представить как биологическую жидкость, состоящую из мицелл, окруженных плотными структурированными водно-белковыми оболочками. Отдельные шарообразные мицеллы, тесно соприкасаясь, взаимно отталкивают и тем поддерживают друг друга в растворе.

Основу слюны составляют мицеллы фосфата кальция. Роль потенциалопределяющих ионов выполняют гидрофосфат-анионы, противоионами служат катионы кальция. Состав мицелл можно представить следующей схемой:

{[mCa₃(PO₄)₂] nHPO₄^2- (n – x) Ca²⁺}^2х- xCa²⁺

При подкислении слюны состав мицеллы изменяется. В кислой среде потенциалопределяющими становятся дигидрофосфат-ионы, заряд гранулы уменьшается, а следовательно, уменьшается толщина диффузного слоя и устойчивость мицеллы:

{[mCa₃(PO₄)₂] nH₂PO₄^- 0,5(n – x) Ca²⁺}^х- 0,5xCa²⁺

Ионы дигидрофосфата, не образующие с кальцием труднорастворимых соединений, не участвуют в процессе реминерализации, поэтому для поддержания мицеллы в устойчивом состоянии частично растворяется эмаль зубов. Вследствие расходования кислоты на этот процесс среда приближается к нейтральной, что приводит к постепенному восстановлению строения мицеллы, после чего вновь начинается реминерализация растворившейся эмали.

Подщелачивание слюны также приводит к изменению строения мицелл; в этом случае роль потенциалопределяющих ионов принадлежит фосфат-ионам:

{[mCa₃(PO₄)₂] nPO₄^3- 1,5(n – x) Ca²⁺}^3х- 1,5xCa²⁺

Эта мицелла неустойчива, поскольку ионы кальция и фосфата взаимодействуют друг с другом с образованием трудно-растворимого фосфата кальция, что приводит к активизации процесса камнеобразования.

На поверхности коллоидных частиц слюны адсорбируются высокомолекулярные соединения – белки альбумины, муцины и др. Они создают на поверхности коллоидных мицелл барьер, не позволяющий им сближаться и объединяться в более крупные агрегаты. Благодаря такой защите слюна как коллоидный раствор сохраняет устойчивость даже в условиях высоких концентраций ионов Са²⁺ и РО₄^3-, значительно превышающих ПР фосфата кальция.

Очень широко и разнообразно представлены коллоидные растворы в крови. В ней присутствуют наряду с истинными молекулярными растворами сахаров, электролитов, аминокислот, белков и коллоидные растворы – золи фосфатов кальция, холестерина, билирубина, уратов, жиров, фосфолипидов; к дисперсным системам крови относятся также газовые эмульсии кислорода, азота и диоксида углерода и суспензии эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов.

В последние годы в медицинской практике наблюдается увеличение случаев тромбозов и эмболий, связанных с коагуляцией крови в кровеносных сосудах. В норме форменные элементы крови и интима (внутренняя поверхность кровеносных сосудов) имеют ДЭС с отрицательным значением ζ-потенциала. Повреждение стенок сосудов, введение лекарственных средств развитие атеросклероза или артериита приводит к перезарядке ДЭС, вследствие чего происходит прилипание отрицательно заряженных тромбоцитов и отложение белка фибрина на поврежденной стенке сосуда, т.е. образуются пристеночные тромбы. Аналогично формируются и эритроцитные тромбы.

Снижение содержания веществ, стабилизирующих дисперсные системы, приводит к патологиям не только в крови, но и в других биологических жидкостях организма – желчнокаменной и мочекаменной болезням, кальцинозу, холестенозу и др. Анафилактический шок связан с нарушением равновесия коллоидных дисперсных систем в организме и их агрегацией в более крупные частицы – коллоидоплазией.