Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл

3.2. Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл.

 

Анализ свойств, состава и строение каучуковых глобул натурального каучука (НК) позволяет рекомендовать следующие предварительные требования к биополимерам:

– Для модификации СПИ биополимерами целесообразно использовать микробные белки и фосфолипиды, являющиеся источником коимплекса липидов и белков.

–Микробные клетки, содержащие необходимые биополимеры в своих мембранах должны быть разрушены механическим способом с помощью ультразвука или гидрофобизировать их с помощью детергентов.

На основе комбинаций белков и фосфолипидов разработан принципиальный метод синтеза белков, обладающих повышенной гидрофобностью.

 В качестве объектов исследования, при подборе белково-липидных фракций из промышленных дрожжей и других микробиологических источников были отобраны с целью модификации СКИ – 3 для использования три фракции из промышленных дрожжей (переданы ВНИИсинтезбелок) и один препарат белка из солелюбивых бактерий Hal.Halobium, полученный в лаборатории кафедры биотехнологии (таблица3.2.1)

Таблица 3.2.1.

Состав белково-липидных препаратов

Наименование препарата		Содержание экстрагируемого белка (по Бредфорд),%	Содержание фосфолипидов (по Аллену-Бартлеру),%	Соотношение белок:липид
Дрожжи	Фракция 1	18	18	1:1
	Фракция 2	13	30	1:2
	Фракция 3	10	25	1:2
Бактериородопсин из Hal.halobium		75	25	3:1
Натуральный каучук RSS		1	0,05	100:5

 Основным компонентом липидов из дрожжевых фракций является лецитин, основным компонентом липидов в препарате бактериородопсина – фосфатидилглицерофосфат.

Проведенные во ВНИИСК предварительные исследования показали перспективность таких комбинаций, хотя сам метод их синтеза нуждается в доработке. На основе промышленных продуктов биотехнологического производства : белков (белкозин, гаприн) и фосфолипидов (лецитин, кефалин , микрофобный жир) синтезирован ряд аддуктов и проведено их испытание в качестве модификаторов каучука . Гидрофобизированные белки могут быть использованы на стадии дезактивации « живого » полимеризата СКИ – 3. Показано, что введение комбинации белкозин + микрофобный жир и малеиновый ангидрид в каучук, обеспечивает лучшую когезионную прочность и условное напряжение при 300%-ом удлинении нежели, чем введение в каучук, модифицированный сульфидом натрия, однако при этом значительно снижается пластичность каучука после старения.

Методика введения добавок в СКИ – 3 .

 

Предложено проводить модификацию СКИ – 3 методом обращенных мицелл с использованием фосфолипидов, пренолфосфатов и гидрофобных белков. С целью отработки методики введения и изучения роли отдельных компонентов латекса НК некаучуковой природы в формировании комплекса нужных свойств была принята тактика проведения модельных опытов со строго стандартивированным составом и природой добавок.

В качестве липидных компонентов были выбраны лецитин из яйца и микробные лецитины (ВНИИсинтезбелок).

В качестве белковых модификаторов были опробованы липидно-белковые фракции микробного происхождения (таблица 3.2.1.).

 Был приготовлен ряд образцов СКИ – 3 модифицированных и липидами и белками, в соотношении белок: липид 1:1, 1:2, 3:1, 9:1, на базе липидов из промышленных дрожжей и белков микробиологического и животного происхождения

Указанные препараты были введены в СКИ – 3 в разных соотношениях методом обращенных мицелл.

Методика приготовления образцов.

К 10 % раствору СКИ – 3 в ССl₄ добавляют водно-органический раствор модификатора (до 10% объемных), встряхивают. К полученной гомогенной смеси добавляют воду ( 40 – 50^оС ) в отношении 1:1 по объему и при энергичном перемешивании удаляют в вакууме растворители (температура в бане не выше 40^оС). Отделившийся каучук высушивают в вакууме менее 1 мм. рт. ст., периодически измельчая до постоянного веса при 20 – 30^оС и передают на испытания.

 

Испытания свидетельствуют (таблица 3.2.2.), что лучшие результаты показали образцы, модифицированные смесью кератина и микрофобного лецитина в количестве 1 по весу и содержанием кератина и лецитина в соотношении 9:1.

Препараты микробиологического происхождения (из промышленных дрожжей) дали более низкие показатели, что говорит о необходимости более серьезного фракционирования белков микробного происхождения с целью снижения содержания веществ, клеточной стенки и липидов в препаратах, и проведения затем более подробных исследований.

Подводя итоги этой части работы можно предположительно утверждать, что модификация СКИ – 3 липидами и белками дает положительный эффект при соотношении гидрофобный белок-липид близком к таковому в натуральном каучуке, и при введении около 1% модифицирующей добавки.

 

В лабораторных условиях ВНИИСК, были также созданы, модифицированные СПИ синтетическими аналогами белковых фрагментов, то есть соединениями, моделирующими белок, т.е. имеющими функциональные группы СООН- и NH₂-. (серия образцов ВП – 1 ) и биологическими соединениями ( серия образцов ВПБ ).

Синтетический аналог ВМС – 1 химически связывался с полимером СКИ – 3

Биологические соединения - различные фракции мембранных структур дрожжей и гидролизаты коллагена вводились в немодифицированный СКИ – 3 с помощью обращенных мицелл.

Белковые соединения вводились в полимер в присутствии детергента ПАВ 1019 (ВПБ 1/ 3) , сульфонола НП – 3 (ВПБ – 1/5) и фосфолипидов (ВПБ – 1/7) (таблица 3.2.3.)

Установлено, что образцы серии ВП – 1 , модифицированные продуктом ВМС – 1 , имеют улучшенные когезионные характеристики, а вулканизаты на их основе обладают повышенным сопротивлением раздиру по сравнению с СКИ – 3 .

Испытания второй серии образцов (ВПБ – 1) , содержащих в составе полимера различные природные соединения также показали улучшение когезионных характеристик по сравнению с СКИ – 3, при совместном содержании гидролизата коллагена в полимере в котором присутствовал детергент ПАВ 1019 (ВПБ-1/1) увеличились условная прочность при растяжении и условное напряжение при 300% удлинении. При совместном введении клеточной фракции в полимер с присутствием в нем сульфанола НП-3 и фосфалипида увеличилась условная прочность при растяжении, а условное напряжение при 300% удлинении практически не изменилось. Следует отметить,что характеристическая вязкость модифицированного СПИ (типа ВП – 1 и ВПБ) и исходного СКИ – 3 остается без изменения ( n = 4,2 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Модификация белковыми соединениями СПИ путем иммобилизации их на предварительно активированную матрицу каучука СКИ – 3 , реакционно-способными соединениями.

 

Полученные ранее данные свидетельствуют о том, что модификация может быть эффективной, если подавляющее большинство макромолекул будут содержать белковые фрагменты, прочно связанные с цепью полимера. Серия модифицированных полиизопренов – лабораторные и опытно- промышленные образцы. Модификация была осуществлена введением в СКИ – 3 на стадии полимеризации одной или двух полярных групп (карбокси ,- сульфо, - амино, - нитро и –нитрозо ) , комбинация белков и соединений с полярными группами . В таблице 3.3.1. представлены данные о прсоединении белков к модифицированным различными способами СКИ – 3 по содержанию азота в каучуке. В зависимости от способа выделения показано, что наибольшей степенью модификации белками хярактеризуются каучуки модифицированные NaSO₃ и малеиновым ангидридом. При этом фосфолипидные белки характеризуются большей степенью присоединения, чем белкозин. Следует отметить, что наиболее эффективно использование спиртового способа выделения.

Таблица 3.3.1.

Содержание азота (N,% масс.) в образцах, модифицированных различными способами в сочетании с белками (введено по 0,6% масс.N)

 

Способ выделения	СКИ – 3	Сульфидированный СКИ – 3 – 03	Нитрозированный СКИ – 3 – 03	СКИ – 3 – 03 Содержащий карбоксильные группы
Фосфолипидные белки
спирт	0,37	0,50	0,39	0,48
водная дегазация	0,12	0,33	0,18	0,20
Белкозин водорастворимый
спирт	0,35	0,32	0,13	0,48
водная дегазация	0,03	0,32	0,13	0,24

 

Были проведены исследования свойств, модифицированных СПИ в смесях с наполнителями различной активности. Таблица 3.3.2. содержит результаты определения пласто-эластических свойств модифицированных полиизопренов и резиновых смесей на их основе ( при получении малого объема модифицированного СПИ эти показатели не определялись ) а также когезионные свойства смесей и физико-механические показатели вулканизатов, которые даны как процентное изменение свойств от исходного немодифицированного СКИ – 3 ( который в каждой серии опытов был другим ).

Полученные результаты показывают, что практически во всех случаях модификации, осуществляющийся введением соединений с различными полярными группами белков, значительно увеличивается когезионная прочность резиновых смесей с активными наполнителями.

Наибольшее увеличение когезионной прочности, отмечается в опытной партии СПИ с комбинацией малеинового ангидрида + нитрит натрия + белок. Реакция взаимодействия каучука с МА представлена ниже. Напряжение вулканизатов при 300 % удлинения заметно повышается при введении комбинаций малеиновый ангидрид + нитрит натрия, малеиновый ангидрид + нитрит натрия + белок, МА + белок

Эти же вулканизаты в основном обнаруживают и повышение сопротивления раздиру. (таблица3.3.3.)

Считать наиболее перспективным способом модификации прививку белков через комбинацию полярных групп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.3.3.

Физико-механические свойства смесей и вулканизатов на основе каучука СКИ-3-03 (модификация нитритом натрия, малеиновым ангидридом и балкозином), полученного на Опытном заводе ВНИИСК

 

Модификатор/показатели	Белок+NaNO2	МА+белок	МА+белок+ NаNO2
Пластичность	0,33	0,32	0,30
Эластическое восстановление, мм	2,0	1,73	1,96
Условное удлинение при 300% удлинении резиновой смеси, Мпа	0,43	0,73	0,39
Условная прочность при растяжении резиновой смеси, Мпа	1,33	1,7	1,2
Условное напряжение при 300% удлинения вулканизатов, Мпа	14,6	18,2	16,7
Условная прочность при растяжении вулканизатов, МПа, при 23о С	25,6	23,5	25,4
Условная прочность при растяжении вулканизатов, МПа, при 100о С	18,1	14,6	16,0

Показано, что введение комбинации белкозин + микрофобный жир и малеиновый ангидрид в каучук, обеспечивает лучшуу когезионную прочность и условное напряжение при 300%-ом удлинении нежели, чем введение в каучук, модифицированный сульфидом натрия, однако при этом значительно снижается пластичность каучука после старения. (табл 3.3.4.).

Таблица 3.3.4.

 

Характеристика модифицированных СКИ – 3 .

Модификаторы	Пласти-чность каучука	Эласти-ческое Восст. мм	Свойства сырых наполненных смесей		Содер-жание геля(в гексане) ,%	ИСП	Содер-жание Азота (серы)
			Условное напряже-ние при 300% удлинении МПа	Коге-зионная проч-ность МПа
-	0,42	1,73	0,20	Не разорва-лся	20	87,5	-
БЖ+ +МА	0,35	1,76	0,54	2,14	27,2	16,7	0,09
БЖ+су- льфид натрия	0,37	1,40	0,41	1,43	30,0	61,4	0,07

Обозначения: БЖ - комбинация белкозин – микробный жир

МА – малеиновый ангидрид

4. Выводы.

1.                    Показано, что все исследованные способы модификации, СПИ белковыми компонентами, позволяют получить синтетический полиизопрен с улучшенным комплексом свойств, приближающихся к уровню натурального каучука.

2.                    Установлено, что при введении на стадии выделения каучука гидрофобизированного белка, являющегося продуктом переработки вторичного сырья мясомолочной, пищевой и фармацевтической промышленности, можно существенно улучшить свойства смесей на основе модифицированного таким образом каучука и является экологически и экономически перспективным способом модификации.

3.                    Показано, что когезионная прочность смесей на основе СКИ – 3 в большей степени увеличивалась в случае химической иммобилизации белков на полиизопрене, за счет использования предварительной модификации реакционно-способными соединениями.

5. Список литературы.

1.                       Возниковский А.П., Дмитриева И.П., Клюбин В.П. и др. //Международная конференция по каучуку и резине. М. 1994.
Т. 2. С. 499-506.

2.                       Таnaka, Y. //Inter. Rubber Conf. Cobe. 1995. P. 27-30.

3.                       Соmpoz-Lopez E., Palacios J. //J. of Polymers Sciens. 1976. V. 14.

4.               Golub U.A., Fugua P.S., Bhacea N.S. //J. of the Amer.Chem. Soc. 1962. V. 84. N 24. P. 4981-4982.

5.                       Baba, T., Allen, C.M. //Archs Biochem. Biophys. 1980. N 200. P. 474.

6.               Allen, C.M., Keenan, M.O., Sack, J. //Archs Biochem. Biophys. 1976. V. 61. N 175. P. 236.

7.                       Натуральный каучук. Пер. с англ. //Под ред. А. Робертса. М.: Мир, 1990. Т.1. С. 82.

8.                       В патенте США № 4638028.

9.               Евдокимова О.А., Шестаков А.С., Моисеев В.В. Некоторые особенности биогенеза натурального каучука: Тем. обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1993. С. 18.

10.                     Gorton, A.D.T., Pendle, T.D. //International. Rubber Conference. Kuala Lumpur. 1985.

11.              Ho, C.C., Subramanian, A., Wong, W.,M. //In Proc. Int. Rubber. Conf. Kuala Lumpur. 1975. V. 2. P. 441.

12.                     Cockbain, E.G. //Rubb. Age. 1948. N 62. P. 649.

13.              Pendle T.D. //Recent advances In Latex technology. Seminar Rarers. Hartfort, U.K. 1993. P. 49-56.

14.                     Director’s Report //MRPRA, 55- the Anneal Report. 1993. P. 18-30.

15.              Потапов Е.Э., Шершнёв В. А., Туторский И.А., Евстратов Е.Ф. Каучук и резина , 1985, №8 38-42.

16.                     Микуленко Н. А. ,Полуэктова П. Е., Масагутова Л. В., Евстратов В.Ф., Каучук и резина,1986, №2 ,12.

17.                     Ленинджер А. Биохимия. Пер. с англ. М.: Мир, 1976.

18.                     Баранец И.В., Новикова Г.Е., Марей А.И. физические и механические свойства новых эластомеров. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1978. С.25-30.

19.                     Марей А.И., Новикова Г.Е., Петрова Г.П. и др. //Каучук и резина. 1974. № 2. С. 5-7.

20.              Новикова Г.Е., Смирнов. В.П, и др. Физические и механические свойства новых эластомеров. М. 1978. С. 18-25.

21.                     Lynen, F. //J. Rubber Res. Inst. Malaysia. 1969. V. 21. P. 389-406.

22.              Алатонова О.Н., Быстрицкая Е.В., Крейнес Т.И. и др. //Международная конференция по каучуку и резине. М.: 1994. Т. 5. С. 610-615.

23.                     Евстигнеева Р.Н., Химия липидов. М.: Химия. 1983.

24.                     Ленинджер А. Биохимия. Пер. с англ. М.: Мир, 1976.