Оценка сорбционных возможностей ионотропных альгинатных гидрогелей по данным элементного анализа

  • Лариса Латыпова Harbin Institute of Technology, Harbin https://orcid.org/0000-0001-9149-8593
  • Мария Антоновна Казанцева Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН, Казань, МИЭМ НИУ «Высшая школа экономики», Москва https://orcid.org/0009-0005-1269-1536
  • Юрий Федорович Зуев Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН, Казань https://orcid.org/0000-0002-6715-2530
  • Марина Геннадьевна Холявка Воронежский государственный университет, Воронеж, Севастопольский государственный университет, Севастополь https://orcid.org/0000-0002-1390-4119
  • Тахар Хаир Казанский государственный энергетический университет, Казань https://orcid.org/0009-0003-3832-668X
  • Ольга Стефановна Зуева Казанский государственный энергетический университет, Казань https://orcid.org/0000-0001-8733-0595
Ключевые слова: ионотропные гидрогели, альгинат натрия, элементный анализ, физическая и химическая сорбция

Аннотация

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование сорбционных возможностей ионотропных гидрогелей, приготовленных на основе биополимерных полисахаридных цепей альгината натрия и сшитых двухвалентными катионами различных металлов. Микроструктуру и элементный анализ гидрогелей изучали методами электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа с привлечением методов комбинаторики. Установлено наличие двух типов сорбционных эффектов, которые могут возникать в гидрогелях альгината натрия, стабилизированных щелочно-земельными металлами. Возможности химической сорбции тяжелых металлов, связывающихся с альгинатными цепями за счет координационно-ковалентного взаимодействия, определены экспериментально и рассчитаны с помощью методов комбинаторики. На основе данных элементного анализа гидрогелей оценен вклад физической сорбции ионных ассоциатов, которые могут удерживаться вблизи альгинатных цепей за счет более слабых взаимодействий. На примере альгината стронция показано, что добавление углеродных нанотрубок в структуру гидрогеля изменяет их сорбционные возможности, приводя, в первую очередь, к увеличению физически адсорбируемых молекул.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Лариса Латыпова, Harbin Institute of Technology, Harbin

д.х.н., Research Associate, Harbin Institute of Technology, School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin, China

Мария Антоновна Казанцева, Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН, Казань, МИЭМ НИУ «Высшая школа экономики», Москва

лаборант лаборатории биофизической химии наносистем Казанского института биохимии и биофизики КазНЦ РАН, Казань, Россия; студентка Московского государственного института электроники и математики НИУ «Высшая школа экономики», Москва, Россия

Юрий Федорович Зуев, Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН, Казань

д.х.н., профессор, зав. лабораторией биофизической химии наносистем Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казань, Россия

Марина Геннадьевна Холявка, Воронежский государственный университет, Воронеж, Севастопольский государственный университет, Севастополь

д.б.н., профессор кафедры биофизики и биотехнологии Воронежского государственного университета, Воронеж, Россия, профессор кафедры «Физика» Севастопольского государственного университета, Севастополь, Россия

Тахар Хаир, Казанский государственный энергетический университет, Казань

аспирант кафедры «Физика» 2 года обучения Казанского государственного энергетического университета, Казань, Россия

Ольга Стефановна Зуева, Казанский государственный энергетический университет, Казань

д.х.н., профессор кафедры «Физика» Казанского государственного энергетического университета, Казань, Россия

Литература

Bi D., Yang X., Yao L., Hu Z., Li H., Xu X., Lu J. Potential Food and Nutraceutical Applications of Alginate: A Review. Mar. Drugs. 2022; 20: 564. https://doi.org/10.3390/md20090564

Mohammed A.S.A., Naveed M., Jost N. Polysaccharides; Classification, Chemical Properties, and Future Perspec-tive Applications in Fields of Pharmacolo-gy and Biological Medicine (A Review of Current Applications and Upcoming Poten-tialities) J. Polym. Environ. 2021; 29: 2359-2371. https://doi.org/10.1007/s10924-021-02052-2

Mahmood A., Patel D., Hickson B., DesRochers J., Hu X. Recent Progress in Biopolymer-Based Hydrogel Materials for Biomedical Applications Int. J. Mol. Sci. 2022; 23: 1415. https://doi.org/10.3390/ijms23031415

Mamedov E.I., Dergunova Е.S., Kalmykova E.N. Possibilities for the bio-medical application of modified pectins Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2021; 21(1): 77-85. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3222

Inoue K., Parajuli D., Ghimire K.N., Biswas B.K., Kawakita H., Oshima T., Ohto K. Biosorbents for Removing Haz-ardous Metals and Metalloids. Materials. 2017; 10: 857. https://doi.org/10.3390/ma10080857

Kong C., Zhao X., Li Y., Yang S., Chen Y.M., Yang Z. Ion-Induced Synthesis of Alginate Fibroid Hydrogel for Heavy Metal Ions Removal. Front. Chem. 2020; 7: 905. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00905

Mironenko N.V., Selemenev V.F., Ishchenko U.S., Shkutina I.V. Equilibrium of sorption of Tribulus Terrestris steroid saponins on a natural polymer sorbent – chitosan Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2024; 23(4): 667-680. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11573

Nurmukhametova K.R., Lebedeva E.L., Petrova Yu.S., Neudachina L.K. A study of arginine sorption by sulfoethylated chitosan followed by a capillary electrophoresis Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2022; 22(6): 856-868. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10892

Brezhneva T.A., Mironenko N.V., Shkutina I.V., Selemenev V.F. Sorption interactions in system «saponin Qullaja Sa-ponaria Molina-hitozan» Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2015; 15(1): 74-84. (In Russ.)

Studenikina L.N., Korchagin V.I., Iushin V.O., Melnikov A.A. Influence of the filler nature on the properties of the composite "polyvinyl alcohol: polysaccha-ride" Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2021; 21(1): 111-118. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3226

Bogdanova L.R., Zelenikhin P.V., Makarova A.O. Alginate-Based Hydrogel as Delivery System for Therapeutic Bacte-rial RNase Polymers. 2022; 14: 2461. https://doi.org/10.3390/polym14122461

Bogdanova, L.R.; Makarova, A.O.; Zueva, O.S.; Zakharova, L.Y.; Zuev, Y.F. Encapsulation of diagnostic dyes in the polysaccharide matrix modified by carbon nanotubes Russ. Chem. Bull. 2020; 69(3): 590-595. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2803-x

Makarova A.O., Derkach S.R., Khair T., Kazantseva M.A., Zuev Y.F., Zueva O.S. on-Induced Polysaccharide Ge-lation: Peculiarities of Alginate Egg-Box Association with Different Divalent Cati-ons. Polymers. 2023; 15: 1243. https://doi.org/10.3390/polym15051243

Zueva O.S., Khair T., Derkach S.R., Kazantseva M.A., Zuev Y.F. Ions-Induced Alginate Gelation According to Elemental Analysis and a Combinatorial Approach. J. Compos. Sci. 2023; 7: 0286. https://doi.org/10.3390/ijms242216201

Zueva O.S., Khair T., Kazantseva M.A., Latypova L., Zuev Y.F. Ions-Induced Alginate Gelation According to Elemental Analysis and a Combinatorial Approach. Int. J. Mol. Sci. 2023; 24: 16201. https://doi.org/10.3390/ijms242216201

Usov A.I. Alginic acids and algi-nates: analytical methods used for their es-timation and characterisation of composi-tion and primary structure. Russ. Chem. Rev. 1999; 68(11): 957-966. https://doi.org/10.1070/RC1999v068n11ABEH000532

Gómez-Ordóñez E., Rupérez P. FTIR-ATR spectroscopy as a tool for poly-saccharide identification in edible brown and red seaweeds. Food Hydrocoll. 2011; 25: 1514-1520. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2011.02.009

Park J., Lee S.J., Lee H., Park S.A., Lee J.Y. Three dimensional cell printing with sulfated alginate for improved bone morphogenetic protein-2 delivery and oste-ogenesis in bone tissue engineering. Car-bohydr. Polym. 2018; 196: 217-224. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.05.048

Hecht H., Srebnik S. Structural Characterization of Sodium Alginate and Calcium Alginate. Biomacromolecules. 2016; 17: 2160-2167. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00378

Zueva O.S., Gubaidullin A.T., Makarova A.O., Bogdanova L.R., Zakha-rova L.Ya., Zuev Yu.F. Structural features of composite protein-polysaccharide hy-drogel in the presence of a carbon nano-material. Russ. Chem. Bull. 2020; 69(3): 581-589. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2802-y

Bogdanova L.R., Rogov A.M., Zue-va O.S., Zuev Y.F. Lipase enzymatic mi-croreactor in polysaccharide hydrogel: structure and properties. Russ. Chem. Bull. 2019; 68(2): 400-404. https://doi.org/10.1007/s11172-019-2399-1

Grant G. T., Morris E. R., Rees D. A., Smith P. J. C., Thom D. Biological in-teractions between polysaccharides and divalent cations: The egg-box model. FEBS Lett. 1973; 32: 195-198. https://doi.org/10.1016/0014-5793(73)80770-7

Sikorski P., Mo F., Skjåk-Bræk G., Stokke B.T. Evidence for Egg-Box-Compatible Interactions in Calcium-Alginate Gels from Fiber X-ray Diffrac-tion. Biomacromolecules 2007; 8: 2098-2103. https://doi.org/10.1021/bm0701503

Hecht H., Srebnik S. Sequence-dependent association of alginate with so-dium and calcium counterions. Carbohydr. Polym. 2017; 157: 1144-1152. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.10.081

Cao L., Lu W., Mata A., Nishinari K., Fang Y. Egg-box model-based gelation of alginate and pectin: A review. Carbo-hydr. Polym. 2020; 242: 116389. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116389

Hu C., Lu W., Mata A., Nishinari K., Fang, Y. Ions-induced gelation of algi-nate: Mechanisms and applications. Int. J. Biol. Macromol. 2021; 177: 578–588. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.02.086

Agulhon P., Markova V., Robitzer M., Quignard F., Mineva T. Structure of Alginate Gels: Interaction of Diuronate Units with Divalent Cations from Density Functional Calculations. Biomacromole-cules 2012; 13:1899-1907. https://doi.org/10.1021/bm300420z.

Brus J., Urbanova M., Czernek J., Structure and Dynamics of Alginate Gels Cross-Linked by Polyvalent Ions Probed via Solid State NMR Spectroscopy. Biom-acromolecules. 2017; 18: 2478-2488. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.7b00627

Perry T.D., Cygan R.T., Mitchell R. Molecular models of alginic acid: Interac-tions with calcium ions and calcite surfac-es. Geochim. Cosmochim. Acta. 2006; 70: 3508-3532. https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.04.023

Hassan R.M. Prospective and com-parative Novel technique for evaluation the affinity of alginate for binding the alkaline-earth metal ions during formation the coor-dination biopolymer hydrogel complexes. Int. J. Biol. Macromol. 2020; 165: 1022-1028. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.155

Zhang X., Wang L., Weng L., Deng B. Strontium ion substituted alginate-based hydrogel fibers and its coordination bind-ing model. J. Appl. Polym. Sci. 2020; 137: 48571. https://doi.org/10.1002/app.48571

Montanucci P., Terenzi S., Santi C., Pennoni I., Bini V., Pescara T., Basta G., Calafiore R. Insights in Behavior of Varia-bly Formulated Alginate-Based Microcap-sules for Cell Transplantation. Biomed Res. Int. 2015; 2015: 965804. https://doi.org/10.1155/2015/965804

Zueva O.S., Makarova A.O., Zuev Yu.F. Materials Science Forum. 2019; 945: 522-527. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.945.522

Gubaidullin A.T., Makarova A.O., Derkach S.R. Carbon Nanotubes in Com-posite Hydrogels Based on Plant Carbohy-drates. Polymers. 2022; 14: 2346. https://doi.org/10.3390/polym14122346

Makarova A.O., Derkach S.R., Kadyirov A.I. Supramolecular Structure and Mechanical Performance of κ-Carrageenan–Gelatin Gel. Polymers. 2022; 14: 4347. https://doi.org/10.3390/polym14204347

Alshehri R., Ilyas A.M., Hasan A., Arnaout A., Ahmed F., Memic A. Carbon Nanotubes in Biomedical Applications: Factors, Mechanisms, and Remedies of Toxicity. J. Med. Chem. 2016; 59: 8149-8167. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5b01770

De la Cruz E.F., Zheng Y., Torres E., Li W., Song W., Burugapalli K. Zeta Potential of Modified Multi-walled Carbon Nanotubes in Presence of poly (vinyl alco-hol) Hydrogel. Int. J. Electrochem. Sci. 2012; 7: 3577. https://doi.org/10.1016/s1452-3981(23)13979-4

Bajpai S.K., Sharma S. Investiga-tion of swelling/degradation behaviour of alginate beads crosslinked with Ca2+ and Ba2+ ions. React. Funct. Polym. 2004; 59: 129-140. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2004.01.002

Опубликован
2024-10-22
Как цитировать
Латыпова, Л., Казанцева, М. А., Зуев, Ю. Ф., Холявка, М. Г., Хаир, Т., & Зуева, О. С. (2024). Оценка сорбционных возможностей ионотропных альгинатных гидрогелей по данным элементного анализа. Сорбционные и хроматографические процессы, 24(4), 542-555. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2024.24/12409

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)