Извлечение микроэлементов и органических веществ сыворотки крови окисленными углеродными и гидролизованными фторуглеродными материалами
Автор: Левченко Л.М., Головизина Т.С., Митькин В.Н., Князькова Л.Г., Козырева В.С., Заякина С.Б., Керженцева В.Е.
Рубрика: Экология труда и качество жизни
Статья в выпуске: 1-7 т.12, 2010 года.
Бесплатный доступ
Изучены процессы сорбции микроэлементов и органических компонентов сыворотки крови окисленными углеродными и гидролизованными фторуглеродными материалами. Показана эффективность сорбентов при извлечении тяжелых металлов и мочевой кислоты, креатинина.
Сыворотка крови, фторуглеродные материалы, мочевая кислота, креатинин, тяжелые металлы
Короткий адрес: https://sciup.org/148100324
IDR: 148100324 | УДК: 614
Extraction of trace and organic substances from blood serum by oxidized carbon and hydrolized fluorocarbon materials
Processes of sorption the trace substances and organic components of blood serum by oxidized carbon and hydrol-ized fluorocarbon materials are studied. Efficiency of sorbents is shown at extraction of heavy metals and urinary acid, creatinine.
Текст научной статьи Извлечение микроэлементов и органических веществ сыворотки крови окисленными углеродными и гидролизованными фторуглеродными материалами
Заякина Светлана Борисовна, доктор технических наук, старший научный сотрудник
Керженцева Вера Евгеньевна, ведущий инженер-технолог
Одним из наиболее широко используемых методов активной детоксикации является гемосорбция – метод лечения, направленный на удаление из крови различных токсичных продуктов и направленный на регуляцию гемостаза путем контакта крови с сорбентом. Исторически в качестве гемосорбентов используются углеродные сорбенты (СКН, СУГС и т.п.). Требования, предъявляемые к углеродным гемосорбентам – это химическая чистота, хорошая смачиваемость водой, гладкость поверхности гранул, высокая адсорбционная емкость, отсутствие пылеобразо-вания, совместимость с кровью, нетоксичность, апирогенность, безопасность в области травмирования форменных элементов [1-7]. Исследования в этом направлении связаны с созданием новых типов более эффективных и безопасных гемосорбентов. Из класса пористых углеродных материалов особый интерес представляют механически прочные синтетические композиционные углеродные материалы марки Техносорб, разработанные в Институте катализа СО РАН и выпускаемые ИППУ СО РАН [1-3]. Известно, что углеродный композиционный материал Тех-носорб (в дальнейшем УМ) получают осаждением продуктов пиролиза бутан-пропановой смеси при 800-900оС на гранулированную сажу в реакторе кипящего слоя с последующей активацией в присутствии СО2 или паров воды. Ранее нами [810] было показано, что УМ является перспективной матрицей для разработки модифицированных сорбентов с заданными свойствами. Перспективность матрицы для создания на ее основе гемосорбента заключалась в высокой механической прочности, химической устойчивости при рН 0-14, неспособности к пылеообразованию при хранении и эксплуатации в потоках газов и жидкостей, низкой зольности, а также способности к регенерации [10, 11].
Цель данной работы: изучение процессов извлечения микроэлементов и органических компонентов сыворотки крови модифицированными углеродными и фторуглеродными материалами.
Материалы и методы. Объектами исследования была сыворотка крови (4 разных образца), состав которых приведен в табл. 1, окисленные углеродные (УМ-О) и гидролизованные фторуглеродные (ФС-ОН, ФУКМ-ОН) материалы. Первоначально УМ обрабатывали 1 М HCl, результаты по определению содержания микропримесей в исходном УМ и после обработки HCl приведены в табл. 2.
Таблица 1. Состав сывороток и нормы содержания различных компонентов
|
Компоненты сыворотки |
Сыворотка 1 |
Сыворотка 2 |
Сыворотка 3 |
Сыворотка 4 |
Норма |
|
Cd, ppm |
0,64 ∙ 10-4 |
0,97∙ 10-3 |
0,11∙ 10-3 |
0,0001 |
0,0002±0,00007 |
|
Cr, ppm |
0,88 ∙ 10-3 |
0,52 |
0,26 |
0,15 |
0,31±0,09 |
|
Mn, ppm |
0,018 |
0,0001 |
0,001 |
0,0017 |
0,007±0,002 |
|
Mo, ppm |
0,014 |
0,00099 |
0,0005 |
0,0001 |
0,0003±0,0001 |
|
Ni, ppm |
0,003 |
0,06 |
0,26 |
0,08 |
0,01-0,28 |
|
Pb, ppm |
0,004 |
0,003 |
0,0038 |
0,0028 |
0,002±0,0007 |
|
Ti, ppm |
0,004 |
0,002 |
0,02 |
0,013 |
0,03±0,02 |
|
Zn, ppm |
0,004 |
1,4 |
1,0 |
0,22 |
1,1±0,1 |
|
креатинин, мкМ/л |
101,0±1,0 |
143,0±4,0 |
93,5±1,5 |
95,0±1,3 |
55-100 |
|
мочевина, мМ/л |
7,0±0,1 |
11,6±1,4 |
7,3±0,5 |
8,0±0,1 |
2,5-8,3 |
|
мочевая кислота, мкМ/л |
273,0±3,8 |
441,0±5,0 |
441,0±25 |
300,0±16,0 |
200-420 |
|
билирубин общий, мкМ/л |
9,3±0,8 |
18,7±1,3 |
30,5±2,1 |
14,3 ± 0,7 |
3,4-20,5 |
Способ получения окисленных углеродных материалов заключался в следующем: навеску УМ окисляли 10% раствором H 2 O 2 (соотношение УМ: Н 2 О 2 =1 г: 10 мл) при комнатной температуре в течение 6, 12 и 24 часов с последующей промывкой дистиллированной водой до нейтральной реакции и сушили в сушильном шкафу 5 часов при 1000С [12]. Окисленные образцы обозначались, как УМ-О, с указанием времени окисления (например, УМ-О-6). Микропримес-ный состав всех объектов исследования определяли методом атомно-эмиссионного спектрального анализа с применением двухструйного плазматрона и техники регистрации МАЭС.
Фторуглеродные материалы были представлены сверхстехиометрическим фторуглеродным материалом марки ФС (CF1,25±0,05) и фторуглеродной катодной массой марки ФУКМ, которые были получены на основе УМ. Процесс гидролиза ФС и ФУКМ проводили в растворах КОН при температуре 65оС, в течение 25 часов, по двум параллельным сериям. Навески 20 г смачивали EtOH до получения кашицы и заливали 500 мл 10% раствором КОН. Содержание F- и рН определяли в пробах (5 мл), которые отбирали через каждые 2 часа. Количество фторид-иона в растворе определяли ионоселективным электродом марки ЭЛИС-131F на приборе «Анион-410». Объем раствора поддерживали постоянным добавлением дистиллированной воды той же температуры. Полученные после гидролиза образцы ФС-ОН и ФУКМ-ОН промывали дистиллированной водой до рН=7, высушивали в течение 3-х часов при 100оС. В случае ФУКМ перед проведением процесса гидролиза осуществляли нагрев образцов при температуре 350оС в течение 4-х часов. Было установлено, что процесс замещения фтора происходит на 5-10% для ФС и на 25-35% для ФУКМ. ФС-ОН и ФУКМ-ОН представляли собой порошки с размером частиц 0,1 мм. Характеристика образцов УМ-О, ФС-ОН и ФУКМ-ОН представлена в табл. 3. Пикнометрическую плотность образцов определяли по толуолу [13], количество кислорода определяли титриметрической методикой Боэма [12]. Количество углерода и водорода определяли на CHN-анализаторе Euro EA-3000.
Таблица 2. Микропримесный состав УМ
|
Эле-менты |
Количество микропримесей в УМ, ppm |
Количество микропримесей после обработки HCl, ppm |
|
Ba |
0,5 ± 0,1 |
0,4 ± 0,1 |
|
Ca |
9,8 ± 1,4 |
5,3 ± 1,3 |
|
Cd |
0,06 ± 0,01 |
0,05 ± 0,01 |
|
Cr |
0,7 ± 0,1 |
0,8 ± 0,1 |
|
Cu |
1,3 ± 0,2 |
0,7 ± 0,1 |
|
Fe |
4,4 ± 0,6 |
4,4 ± 0,7 |
|
Mg |
1,1 ± 0,08 |
0,9 ± 0,1 |
|
Mo |
5,0 ± 0,9 |
4,1 ± 0,5 |
|
Ni |
3,8 ± 0,3 |
3,1 ± 0,4 |
|
Pb |
1,8 ± 0,4 |
1,9 ± 0,2 |
|
Si |
6,0 ± 0,5 |
5,0 ± 2,0 |
|
Ti |
1,6 ± 0,2 |
1,6 ± 0,3 |
|
Zn |
3,4 ± 0,2 |
3,0 ± 0,1 |
Сорбционную способность УМ сравнивали с гемосорбентом СКН. Эксперименты по сорбции токсичных компонентов проводили на сыворотке крови кардиологических пациентов. Опыты проводили in vitro статическим методом при комнатной температуре, сорбенты контактировали с сывороткой в соотношении «сорбент : сыворотка = 1 г : 30 мл» в течение 30 мин. Разделение фаз проводили центрифугированием в течение 10 минут. Сорбент после взаимодействия с сывороткой и саму сыворотку (до и после сорбции) подвергали анализу. Количество металлов в сыворотке до и после сорбции определяли методом атомно-эмисионного спектрального анализа. Для этого сыворотку подвергали дополнительной пробоподготовке: 1 мл плазмы наносили на 0,5 г графитового порошка, тщательно перемешивали с добавлением этилового спирта, затем испаряли спирт при 100°С, проводили отжиг при 370°С и направляли на атомно-эмиссионный спектральный анализ. Сорбент после контакта с сывороткой вымывали из пробирок этиловым спиртом, аналогично испаряли спирт при 100°С, затем отжигали при 370°С и определяли в нем содержание металлов. Измерения биохимических показателей сыворотки до и после контакта с сорбентом проводили с использованием автоматического биохимического анализатора “Кone-lab-20”. Сорбционная способность определялась относительно нескольких тяжелых металлов сыворотки крови и относительно таких органических компонентов, как билирубин, мочевина, креатинин и мочевая кислота.
Таблица 3. Характеристика сорбентов
|
Сорбенты |
Пикном. плотность, г/см3 |
С, % |
Н, % |
F, % |
О, % |
|
УМ-О, 6 ч. |
1,6±0,1 |
93,9±1,8 |
0,5±0,1 |
- |
1,9±0,1 |
|
УМ-О, 12 ч. |
1,6±0,1 |
93,7±1,5 |
0,5±0,1 |
- |
1,9±0,2 |
|
УМ-О, 24 ч. |
1,6±0,1 |
93,2±1,4 |
0,6±0,1 |
- |
2,0±0,2 |
|
ФС-ОН |
1,9±0,1 |
35,7±1,9 |
0,4±0,1 |
55,9±3,2 |
2,4±0,2 |
|
ФУКМ-ОН |
2,1±0,1 |
48,9±1,7 |
0,3±0,1 |
45,7±3,9 |
3,2±0,2 |
Результаты и их обсуждение. Сорбционная способность всех изучаемых материалов сравнивалась на основе расчета процента извлечения: D = {(C исх. – С конечн. )/С исх. }∙100%, где С исх. – концентрация компонента в сыворотке до контакта с сорбентом, С конечн. – концентрация компонента в сыворотке после контакта с сорбентом.
Результаты сорбции органических компонентов сыворотки крови человека, представленные в табл. 4, свидетельствуют о том, что сорбенты УМ-О и ФУКМ-ОН эффективны при сорбции креатинина, мочевой кислоты и билирубина. Концентрацию этих компонентов сыворотки УМ-О и ФУКМ-ОН снижали до нормы.
Таблица 4. Сорбция органических компонентов сыворотки крови
|
Компонент сыворотки |
С 1 |
С в сыворотке после контакта с сорбентом и проценты извлечения |
|||||||||
|
СКН |
УМ-О |
ФС-ОН |
ФУКМ-ОН |
||||||||
|
С 2 |
D, % |
С 2 (УМО-6) |
С 2 (УМ-О-12) |
С 2 (УМ-О-24) |
D ср. , % |
С 2 |
D, % |
С 2 |
D, % |
||
|
креатинин, мкМ/л |
101,0± 1,0 |
19,5± 1,5 |
80,7 |
24,0±2,0 |
23,1±1,1 |
24,2±2,1 |
76,4 |
24,1±2,1 |
76,1 |
46,5±2,4 |
54 |
|
билирубин конъюгир., мкМ/л |
3,1±0,1 |
2,2±0,2 |
29,0 |
2,1±0,2 |
2,1±0,3 |
2,2±0,2 |
31,2 |
2,4±0,1 |
22,5 |
2,6±0,5 |
16,1 |
|
мочевина, мМ/л |
7,0±0,1 |
6,6±0,1 |
5,7 |
6,9±0,2 |
6,7±0,3 |
6,8±0,2 |
2,9 |
7,0±0,1 |
0 |
6,2±0,3 |
11,4 |
|
мочевая кислота, мкМ/л |
273,0±3,8 |
22,5±6,5 |
91,8 |
32,5±7,5 |
30,1±6,2 |
30,2±5,9 |
88,6 |
23,5±6,4 |
91,4 |
105±14 |
61,5 |
|
креатинин, мкМ/л |
143,0±4,0 |
25,0±2,0 |
82,5 |
30,0±2,0 |
26,0±1,0 |
29,5±2,5 |
80,1 |
115±1 |
19,6 |
65,5±2,5 |
65,5±2,5 |
|
билирубин конъюгир., мкМ/л |
13,5±0,5 |
11,0±0,3 |
18,5 |
10,8±0,1 |
10,9±0,2 |
10,9±0,2 |
19,5 |
13,0±0,5 |
3,7 |
12,8±0,5 |
12,8±0,5 |
|
мочевина, мМ/л |
11,6±1,4 |
10,5±1,1 |
9,5 |
11,3±0, 1 |
10,8±0,3 |
11,1±0,1 |
4,6 |
10,9±0,1 |
6,0 |
10,8±0,1 |
10,8±0,1 |
|
мочевая кислота, мкМ/л |
441,0±5,0 |
32,2±2,4 |
92,7 |
37,5±3, 5 |
35,0±4,0 |
38,5±0,5 |
91,6 |
318±6 |
27,9 |
208±16 |
208±16 |
Примечание: С1 - концентрация компонента в сыворотке до сорбции; С2 – концентрация компонента в сыворотке по- сле сорбции.
Наиболее эффективным оказался сорбент УМ-О, его сорбционная емкость составила: 0,4 мг/г относительно креатинина (при его концентрации в сыворотке 143 мкМ/л), 2,1 мг/г относительно мочевой кислоты (концентрация в сыворотке 441 мкМ/л), 0,09 мг/г относительно билирубина (концентрация в сыворотке 30,5 мкМ/л) и 2,3 мг/г относительно мочевины (концентрация в сыворотке 11,6 мМ/л). В большинстве случаев сорбционная емкость всех сорбентов увеличивалась с ростом концентрации компонента в сыворотке. Сорбционные емкости ФУКМ-ОН составили: по креатинину 0,26 мг/г, по мочевой кислоте 1,2 мг/г.
В табл. 5 представлены проценты извлечения тяжелых металлов сыворотки крови сорбентами
УМ-О, ФС-ОН и ФУКМ-ОН в сравнении с СКН. Как видно из таблицы, по отношению к большинству металлов наиболее эффективен оказался сорбент УМ-О. По отношению к Cr, Mn и Ti сорбционную способность проявил и ФУКМ-ОН. Наименьшую сорбционную активность проявили сорбенты по отношению к Zn. Однако в случае сорбции Zn эффективен оказался ФС-ОН. Следует отметить известный факт того, что сорбенты извлекают не только токсичные, но и полезные компоненты сыворотки. Вследствие этого нами были проведены дополнительные эксперименты по длительному окислению УМ (12-24 часа), что привело к уменьшению извлечения таких важных микропримесей, как Na, К, Ca, Cu, Fe на 10-15%.
Таблица 5. Извлечение металлов из сыворотки крови
|
Металлы в сыворотке |
С1, ppm |
С в сыворотке после контакта с сорбентом (ppm) и проценты извлечения |
|||||||||
|
СКН |
УМ-О |
ФС-ОН |
ФУКМ-ОН |
||||||||
|
С 2 |
D, % |
С 2 (УМ-О-6) |
С 2 (УМ-О-12) |
С 2 (УМО-24) |
D ср ., % |
С 2 |
D, % |
С 2 |
D, % |
||
|
Cd |
0,64 ∙ 10-4 |
0,62∙ 10-4 |
3,3 |
0,34 ∙ 10-4 |
0,42∙ 10-4 |
0,38∙ 10-4 |
41,4 |
0,6 |
6,3 |
0,60∙ 10-4 |
5,9 |
|
Cr |
0,88 ∙ 10-3 |
0,51∙ 10-3 |
42 |
0,49∙ 10 -3 |
0,44∙ 10-3 |
0,46∙ 10-3 |
47,4 |
0,57∙ 10-3 |
35,6 |
0,34∙ 10-3 |
61,5 |
|
Mn |
0,018 |
0,0027 |
85,2 |
0,0059 |
0,0078 |
0,009 |
57,8 |
0,016 |
10,5 |
0,0082 |
54,5 |
|
Mo |
0,014 |
0,0056 |
60,0 |
0,0063 |
0,0047 |
0,0042 |
63,8 |
0,011 |
22,5 |
0,0090 |
35,5 |
|
Ni |
0,003 |
0,0015 |
50,8 |
0,0023 |
0,0018 |
0,0015 |
38,2 |
0,0028 |
8,3 |
0,0023 |
24,1 |
|
Pb |
0,004 |
0,0023 |
42,7 |
0,0027 |
0,0025 |
0,0033 |
28,9 |
0,003 |
21,5 |
0,0037 |
7,9 |
|
Ti |
0,004 |
0,00158 |
60,5 |
0,002 |
0,0012 |
0,0019 |
56,4 |
0,003 |
25,5 |
0,0015 |
63,1 |
|
Zn |
0,004 |
0,0038 |
4,0 |
0,0036 |
0,0037 |
0,0037 |
8,3 |
0,003 |
24,5 |
0,0034 |
15,7 |
|
Металлы |
Проценты извлечения для сыворотки 2 |
||||||||||
|
СКН |
УМ-О |
ФС-ОН |
ФУКМ-ОН |
||||||||
|
Cd |
8,9 |
42,0 |
7,0 |
6,5 |
|||||||
|
Cr |
53,0 |
41,8 |
26,2 |
58,7 |
|||||||
|
Mn |
71,2 |
53,2 |
5,1 |
33,5 |
|||||||
|
Mo |
53,2 |
57,1 |
33,1 |
24,3 |
|||||||
|
Ni |
55,9 |
32,1 |
15,3 |
28,1 |
|||||||
|
Pb |
49,8 |
35,8 |
15,1 |
13,0 |
|||||||
|
Ti |
65,2 |
61,3 |
34,1 |
69,0 |
|||||||
|
Zn |
12,1 |
9,5 |
22,1 |
18,9 |
|||||||
|
Cd |
Проценты извлечения для сыворотки 3 |
||||||||||
|
12,3 |
28,3 |
5,5 |
6,0 |
||||||||
|
Cr |
45,1 |
46,7 |
29,7 |
55,4 |
|||||||
|
Mn |
75,4 |
55,4 |
3,1 |
42,9 |
|||||||
|
Mo |
52,1 |
60,1 |
25,6 |
31,2 |
|||||||
|
Ni |
65,7 |
27,6 |
24,1 |
30,1 |
|||||||
|
Pb |
24,1 |
39,6 |
19,8 |
19,8 |
|||||||
|
Ti |
53,2 |
55,1 |
18,7 |
59,2 |
|||||||
|
Zn |
5,9 |
3,2 |
17,7 |
27,3 |
|||||||
Выводы: окисленные углеродные и гидролизованные фторуглеродные материалы являются перспективными для дальнейшего изучения и применения в качестве гемосорбентов, особенно при очистке крови от креатинина и мочевой кислоты. При сорбции органических компонентов сыворотки крови человека наиболее эффективен окисленный Техносорб, его сорбционные емкости составили: 0,4 мг/г по креатинину, 2,1 мг/г по мочевой кислоте, 0,09 мг/г по билирубину и 2,3 мг/г по мочевине. В случае сорбции тяжелых металлов из сыворотки крови возможно применение смеси из различных образцов изученных углеродных и фторуглеродных материалов.
Список литературы Извлечение микроэлементов и органических веществ сыворотки крови окисленными углеродными и гидролизованными фторуглеродными материалами
- Коненков, В.И. Селективные наносорбенты для медицины/В.И. Коненков, Ю.И. Бородин, Л.Н. Рачковская, В.А. Бурмистров//Сборник материалов научно-практической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины». -Новосибирск, 2007. С. 88-94.
- Лихолобов, В.А. Сорбция цитокинов и иммуноглобулинов in vitro новым углеродным гемосорбентом/В.А. Лихолобов, Т.И. Долгих, В.В. Мороз и др.//Общая реаниматология. 2007. Т. III, №2. С. 50-52.
- Бакалинская, О.Н. Получение углеродных сорбентов с биоспецифической активностью/О.Н. Бакалинская, Н.М. Коваль, Н.Т. Картель//Эфферентная терапия. 2003. Т. 9, № 2. С. 16-22.
- Горбовицкий, Е.Б. Адсорбенты при внепочечном очищении организма/Е.Б. Горбовицкий, Э.Р. Левицкий//Вестн. Акад. наук СССР. 1978. № 1. С.79-87.
- Петросян, Э.А. Перспективное изучение физико-химических свойств модифицированных и регенерированных сорбентов/Э.А. Петросян, А.А. Сухинин, И.С. Захарченко, В.И. Зеленов//Эфферентная терапия. 2003. Т. 9, № 2. С. 23-26.
- Лопухин, Ю.М. Н. Гемосорбция/Ю.М. Лопухин, М.Н. Молоденков. -М.: Медицина, 1978. 300 с.
- Сергиенко, В.И. Гемосорбенты, модифицированные гипохлоритом натрия в лечении синдрома ишемии -реперфузии конечности/В.И. Сергиенко, Э.А. Петросян, В.И. Оноприев, Х.И. Лайпанов//Общая реаниматология. 2007. Т. III, № 2. С. 46-49.
- Левченко, Л.М. Исследование окисленных и модифицированных углеродных материалов как сорбентов ртути/Л.М. Левченко, В.Н. Митькин, И.М. Оглезнева и др.//Химия в интересах устойчивого развития. 2004. № 12. С. 709-724.
- Шавинский, Б.М. Йодированный углеродный материал как хемосорбент ртути/Б.М. Шавинский, Л.М. Левченко, В.Н. Митькин//Химия в интересах устойчивого развития. 2008. № 16. С. 449-454.
- Левченко, Л.М. Новое поколение модифицированных углеродных материалов для современных сорбционных технологий//Тез. докл. Международной конференции «Физико-химические основы новейших технологий XXI века». -М., 2005. Т. I, Ч. I. С. 63.
- Брин, В.Б. Синэргический эффект усиления экскреции некоторых токсичных элементов при интрагастральном введении никеля и нанокомпозитного углерод-углеродного сорбента/В.Б. Брин, Ж.К. Албегова, В.Н. Митькин и др.//Труды международной научно-практической конференции «Нанотехнологии-производству 2007», Фрязино Московской области, под общей редакцией Концерна «Наноиндустрия». М.: «Янус-К», 2008. С. 262-265.
- Golovizina, T.S. Oxygen-containing Functional Groups on the oxidized surface of a carbon nanomaterial/T.S. Golovizina, L.M. Levchenko, V.N. Mitkin et al.//Inorganic Materials. 2010. V. 46, № 5. P. 480-486.
- Ткачев, А.Г. Технологическое оборудование для переработки газообразных материалов: Лабораторные работы/А.Г. Ткачев, З.А. Михалева, А.А. Баранов, В.Л. Негров. -Тамбов: издательство ТГТУ, 2005. С. 5-7.
