Изучение тенологии синтеза углеродных гемосорбентов

АННОТАЦИЯ

В статье изучены условия синтеза углеродных гемосорбентов и их сорбционные свойства. Определены размеры пор, прочность и выход полученных гемосорбентов.

ABSTRACT

The article studies the condition for the synthesis of carbon sorbents and their sorption properties. The pores, strength, and yield of the obtained hemosorbents were determined.

Ключевые слова: углеродные гемосорбенты, ионит, вирус, кровь, зольность, серная кислота, сорбционно-структурные характеристики.

Keywords: carbon hemosorbents, ion exchanger, virus, blood, ash content, sulfuric acid, sorption-structural characteristics.

Сегодня во всем мире более 350 миллионов человек инфицированы хроническим гепатитом B [3]. Поэтому риск цирроза печени и печеночной недостаточности у человека, инфицированного этим вирусом, очень высока [2; 1]. Удаление вирусных частиц из крови пациента или снижение их концентрации – клинически благоприятный эффект. Одним из перспективных способов решения этой проблемы является производство биологически совместимых сорбентов для удаления вирусных примесей из сыворотки крови человека. Повышение активности углеродных гемосорбентов в отношении токсичных биологических молекул с высокой молекулярной массой и сложной структурой является важной задачей.

Синтез данного сорбента основан на его специфических свойствах: химическая чистота, низкая зольность обеспечивает высокую совместимость с кровью и инертность к клеткам крови, а также динамику сорбции [4].

Размер имеющихся микропор обеспечивает эффективное поглощение токсичных веществ с низкой или средней молекулярной массой. В ходе исследования были получены гемосорбенты сферической формы размером 1 мм путем химической и термохимической обработки синтетических ионитов (смола ионообменная, катионит КУ 2-8. Na⁺ форма ГОСТ 20298-74 высокого качества) в водном растворе серной кислоты. Обработка серной кислотой существенно влияет на объем, прочность и пористость продукта, получаемого в процессе получения гемосорбента. Серная кислота взаимодействует с функциональными группами синтетического ионита, используемого для синтеза гемосорбента, и придает специфическую структуру. Были синтезированы образцы сорбентов с высокой химической активностью путем обработки серной кислотой синтетических ионообменных смол с ароматическим кольцом, продукты которых нетоксичны по своим свойствам. Таким образом, эти сорбирующие материалы могут быть использованы в биологии и медицине. Исследования выявили различия в выходе исходного образца и микропористого углеродного гемосорбента.

Экспериментальная часть. Процесс получения углеродного гемосорбента основан на трех стадиях. Исходный продукт – синтетические ионообменные смолы – обрабатывали водными растворами 85 %-ной серной кислоты. Процесс карбонизации проводили до 40–130 °C при скорости повышения температуры 2 °C/час, до 130–260 °C при скорости повышения температуры 4 °C/час, до 260–500 °C при скорости повышения температуры 5 °C/час, при 500 °C удерживают в течение 2 часов и охлаждают до комнатной температуры в инертной среде. В процессе карбонизации на поверхности пор сорбента образуются пыль и смола. Для очистки поверхности пор проводили процесс активации полученного сорбента при температуре 650–700 °С в течение 8–16 часов в зависимости от количества сорбента.

Обсуждение результатов. Чрезмерное повышение температуры приводит к некоторому снижению выхода получаемого сорбента. Установлено, что основные свойства синтезированного гемосорбента (NGX-2) сходны по эффективности с другими медицинскими сорбентами.

Форма, размер и прочность гранул. Гранулированная форма синтетических сорбентов больше подходит для медицинских нужд, поскольку она сферическая, рельеф поверхности гладкий, почти не имеет дефектов. Гранулы сорбентов на основе природного сырья имеют различную форму и микрошероховатый рельеф поверхности. Размер гранул сорбента составляет от 0,1 до 3 мм. Размеры гранул сорбента для гемосорбции практически одинаковы – от 0,5 до 1 мм. Углеродный гемосорбент состоит из гранул размером 0,5–0,6 мм. Доступный размер микропор обеспечивает эффективное поглощение токсичных веществ с низкой или средней молекулярной массой. На рисунке 1 показана морфология поверхности изображения, полученного с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЕM).

Синтезированные сорбенты исследовали на растровом электронном микроскопе MIRA 2 LMU, оборудованном системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350. Аналитическая емкость микроскопа составляет 1 нм, чувствительность детектора INCA Energy составляет 133 эВ/10 мм², что позволяет анализировать элементы от бериллия до плутония.

Рисунок 1. СЭМ-изображение синтезированного углеродного гемосорбента

Из рисунка видно, что на изображении сорбентов, увеличенном в 200 раз, гранулированная форма была сферической, рельеф поверхности был гладким, а часть поверхности была почти безупречной под растровым электронным микроскопом. Методика изучения рельефа и морфологии поверхности заключается в нанесении на образец пленки золота толщиной 10–15 нм. Исследовано 6–10 проб образцов гемосорбента.

Рисунок 2. Зависимость выхода сорбента от концентрации кислоты (H₂SO₄)

На рис. 2 концентрация кислоты была получена в пределах от 1 до 12 % по отношению к количеству сорбента. В начальном процессе видно, что количество кислоты эффективно влияет на выход, при использовании 5 %-ного раствора кислоты по массе сорбента выход составляет 86 %, можно увидеть поры: микро – 0,44 см³/г, мезо – 0,21 см³/г, макро – 0,28 см³/г. При использовании 2 %- и 4 %- ных растворов кислоты прочность сорбента была относительно высокой, но малый объем макро-, микро- и мезопор сорбента привел к снижению сорбционных свойств. При использовании 6 %- и 12 %-ных растворов кислоты существенный рост образования макро-, микро- и мезопор сорбента привел к получению непрочных гранул. Соответственно, оптимальные условия были получены при использовании 5 %-ного раствора кислоты в массовом соотношении сорбента.

Вывод. Процесс синтеза углеродного сорбента проводили в три этапа. Для обработки использовали 5 %-ный раствор серной кислоты. Процесс карбонизации проводили до 500 °C и удерживали 2 часа. Процесс активации проводили при 650–700 °C в течение 8–16 часов в зависимости от количества сорбента.

Список литературы:

1. Guidelines for the Prevention, Care and Treatment of Persons with Chronic Hepatitis B Infection // World Health Organization. – 2015 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://apps.- who.int/iris/bitstream/handle/10665/154590/9789241549059_eng.pdf?sequence=1, 2015 (accessed: 13.04.2019).
2. Hepatocellular carcinoma risk in chronic hepatitis B virus-infected compensated cirrhosis patients with low viral load / D.H. Sinn, J. Lee, J. Goo, K. Kim [et al.] // Hepatology. – 2015. – № 62. – P. 694–701 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1002/hep.27889.
3. MacLachlan J.H., Cowi B.C. Hepatitis B virus epidemiology // Cold Spring Harb. Perspect. Med. – 2015. – № 5 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1101/cshperspect.a021410.
4. Surovikin V.F., P’yanova L.G., Luzyanina L.S. Novye gemo- i ehnterosorbenty na osnove nanodispersnyh uglerod-uglerodnyh materialov // Russ. Khim. Zh. – 2007. – № 51. – P. 159 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.chem.msu.su/rus/journals/ jvho/2007-5/159.pdf. (accessed: 13.04.2019).