Изучение влияния рН раствора на значение максимальной адсорбции
На следующем этапе варьировали рН и определяли при каком значении адсорбция имеет максимальные значения (табл. 3).
Таблица 3. Значение максимальной адсорбции пролина при варьировании рН
| рН | 5,00 | 5,50 | 6,00 | 7,00 | 7,50 | 8,00 |
| Г, моль/кг | 0,250 | 0,300 | 0,350 | 0,250 | 0,200 | 0,250 |
Как видно из табл. 3, для пролина характерна максимальная адсорбция при рН = 6,00 ± 0,05 и составляет Г = 0,350 моль/кг.
Далее была осуществлена обработка данных по моделям Лэнгмюра и Фрейндлиха (табл. 4, рис. 10а, 10б).
а
б
Рис. 10. Линейные изотермы адсорбции, описываемые моделью Лэнгмюра (а) и Фрейндлиха (б), для адсорбции пролина на гидроксилапатите при варьировании рН раствора.
| Таблица 4. Уравнения, описываемые моделями Лэнгмюра и Фрейндлиха, для адсорбции пролина на гидроксилапатите при варьировании рН раствора | |||||
| pH | Г∞, моль/кг | Уравнения по модели | R2 | ||
| Лэнгмюра | Фрейндлиха | Лэнгмюра | Фрейндлиха | ||
| 5,00 | 0,250 |  |  | 0,980 | 0,744 |
| 5,50 | 0,300 |  |  | 0,969 | 0,831 |
| 6,00 | 0,350 |  |  | 0,965 | 0,895 |
| 7,00 | 0,250 | | | 0,980 | 0,744 |
| 7,50 | 0,200 |  |  | 0,989 | 0,662 |
| 8,00 | 0,250 |  | | 0,980 | 0,744 |
Полученные значения Г∞ адекватны, так как все полученные нами практические величины Г меньше Г∞. Как видно из табл. 4, адсорбция аспарагиновой кислоты при всех значения рН имеет хорошую корреляцию в линейных координатах модели Лэнгмюра, а также характерно лучшее значение R2 для изотерм адсорбции.
3.3. Расчет значений свободной энергии Гиббса при адсорбции аминокислот на поверхности гидроксилапатита
Далее был осуществлен расчет изменения энергии Гиббса по формуле (3) (табл. 5):
 | (3) |
где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,314 кДж/(кмоль·К);
К – константа адсорбционного равновесия.
Таблица 4. Значение свободной энергии Гиббса для адсорбции аминокислот
| рН | 5,00 | 5,50 | 6,00 | 7,00 | 7,50 | 8,00 | |
| Глицин | -△ G, кДж/моль | 8,94 | 8,87 | 9,08 | 9,08 | 9,51 | 8,80 |
| Аланин | 6,47 | 7,42 | 6,03 | 6,47 | 7,42 | 7,42 | |
| Аспарагиновая кислота | 8,53 | 8,53 | 8,50 | 8,50 | 8,56 | 8,70 | |
| Глутаминовая кислота | 8,67 | 8,53 | 8,53 | 8,46 | 8,46 | 8,46 | |
| Аргинин | 6,37 | 6,37 | 6,37 | 7,42 | 7,42 | 7,42 | |
| Пролин | 8,56 | 8,70 | 8,89 | 8,56 | 8,47 | 8,56 |
Рассчитанные величины энергии Гиббса указывают взаимодействие аминокислот с поверхностью гидроксилапатита по механизму физической адсорбции за счёт сил электростатического взаимодействия положительно и отрицательно заряженных центров, а также за счет образования водородных связей.
3.4. Десорбционный эксперимент аминокислот на гидроксилапатите и брушите
Проведен десорбционный эксперимент аминокислот на поверхностях гидроксилапатита и брушита.
1. Проведено варьирование рН воды при десорбции аминокислот с поверхности гидроксилапатита. Полученные экспериментальные данные сведены в табл. 6.
| Таблица 6. Результат десорбционного эксперимента аминокислот на поверхности гидроксилапатита | |||||
| рН | |||||
| Глицин | Ср, моль/л | 0,004 | 0,005 | 0,009 | 0,006 |
| Аланин | 0,003 | 0,004 | 0,003 | 0,003 | |
| Аспарагиновая кислота | 0,006 | 0,004 | 0,004 | 0,004 | |
| Глутаминовая кислота | 0,006 | 0,004 | 0,004 | 0,002 | |
| Аргинин | 0,001 | 0,003 | 0,003 | 0,004 |
Сделан перерасчет на процентное содержание (табл. 7).
| Таблица 7. Результат десорбционного эксперимента аминокислот на поверхности гидроксилапатита в % | |||||
| рН | |||||
| Глицин | W, % | 44,44 | 55,55 | 100,0 | 66,67 |
| Аланин | 75,00 | 100,0 | 75,00 | 75,00 | |
| Аспарагиновая кислота | 100,0 | 66,67 | 66,67 | 66,67 | |
| Глутаминовая кислота | 100,0 | 66,67 | 66,67 | 33,33 | |
| Аргинин | 25,00 | 75,00 | 75,00 | 100,0 |
Видно, что значение десорбции достигает предела в значениях рН, которые находятся ближе к изоэлектрической точке аминокислот.
2. Проведена десорбция аминокислот с поверхности брушита при рН равном тому, при котором происходила максимальная адсорбция, также проведен перерасчет на проценты (табл. 8, 9).
| Таблица 8. Результат десорбционного эксперимента аминокислот на поверхности брушита | ||||
| рН | 6,5 | 7,5 | 8,5 | |
| Глицин | Ср, моль/л | 0,016 | 0,016 | 0,015 |
| Аланин | 0,011 | 0,011 | 0,010 | |
| Аспарагиновая кислота | 0,011 | 0,011 | 0,010 | |
| Глутаминовая кислота | 0,017 | 0,016 | 0,016 | |
| рН | ||||
| Аргинин | Ср, моль/л | 0,010 | 0,011 | 0,012 |
| Таблица 9. Результат десорбционного эксперимента аминокислот на поверхности брушита в % | ||||
| рН | 6,5 | 7,5 | 8,5 | |
| Глицин | W, % | 100,0 | 100,0 | 93,75 |
| Аланин | 100,0 | 100,0 | 90,91 | |
| Аспарагиновая кислота | 100,0 | 100,0 | 90,91 | |
| Глутаминовая кислота | 100,0 | 94,12 | 94,12 | |
| рН | ||||
| Аргинин | W, % | 83,33 | 91,67 | 100,0 |
Видно, что десорбция аминокислот достигает в значениях рН, которые находятся ближе к изоэлектрической точке аминокислот.
Выводы
1. Методом РФА установлены фазы твердых осадков до и после процесса адсорбции, они представлены фазой гидроксилапатита. Определены их параметры кристаллических решеток и рассчитаны размеры кристаллитов.
2. Исследована адсорбция пролина на поверхности гидроксилапатита и показано, что максимальная адсорбция происходит при рН = 6,00 ± 0,05. Установлено, что адсорбция пролина описывается моделью Лэнгмюра.
3. Рассчитаны значения свободных энергий Гиббса для аминокислот при адсорбции на гидроксилапатите.
4. Проведена десорбция аминокислот с поверхности гидроксилапатита, установлено, что десорбция достигает предела при рН близком к изоэлектрической точке аминокислоты.
5. Проведена десорбция с поверхности брушита, установлено, что десорбция аминокислот достигает предела в рН раствора, находящихся ближе к изоэлектрической точке.
Список используемой литературы
1. Kay C. Dee, David A. Puleo, Rena Bizios. An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions. ISBN: 978-0-471-25394-5, Wiley 2002. Р. 37-52.
2. O. Takagi, N. Kuramoto, M. Ozawa, S. Suzuki, Adsorption/desorption of acidic and basic proteins on needle-like hydroxyapatite filter prepared by slip casting, Ceram. Int. 30. 2004. P. 139–143.
3. Xiuli Dong, Qi Wang, Tao Wu, and Haihua Pan. Understanding Adsorption-Desorption Dynamics of BMP-2 on Hydroxyapatite (001) Surface. Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou, China. Biophysical Journal. V. 93 August 2007. Р. 750–759.
4. Chen, X., Q. Wang, J. Shen, H. Pan, and T. Wu. 2007. Adsorption of LRAP on hydroxyapatite (001) surface through –COO claws. J. Phys. Chem. C. 111. Р. 1284–1290.
5. Shaw, W. J., J. R. Long, J. L. Dindot, A. A. Campbell, P. S. Stayton, and G. P. Drobny. 2000. Determination of statherin N-terminal peptide conformation on hydroxyapatite crystals. J. Am. Chem. Soc. 122. Р. 1709– 1716.
6. Wallwork, M. L., J. Kirkham, J. Zhang, S. J. Brookes, R. C. Shore, S. R. Wood, O. Ryu, C. Robinson, and D. A. Smith. 2001. Binding of matrix proteins to developing enamel crystals: an atomic force microscopy study. Langmuir. 17. Р. 2508–2513.
7. Huimin Wang ; Guihua Nie ; Kui Fu. Cellular Automata Model of Protein Adsorption on the Surface of Bioceramics. 2008. P. 417-420. (DOI: 10.1109/ICNC.2008.611)
8. Chie Kojima,Kenji Watanabe. Adsorption and Desorption of Bioactive Proteins on Hydroxyapatite for Protein Delivery Systems. J Drug Deliv. 2012. P. 932461. (doi: 10.1155/2012/932461)
9. Солоненко А.П. Исследование влияния условий кристаллзации на физико-химические свойства химически модифицированных фосфатов кальция. Дис. кандидата хим. наук. Омск., 2014. 171 с.