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
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.