XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка биологически активных форм макро- и микроэлементов, как инновационной добавки для зубных паст
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время одной из важнейших задач парфюмерно-косметической отрасли стала разработка инновационных продуктов по уходу за полостью рта с повышенными гигиеническими и профилактическими свойствами [1,2]. Для решения данной задачи подходят средства, модифицированные биологически активными веществами, которые улучшают уже имеющиеся свойства продуктов и при этом добавляя новые [3-5].
Перспективными материалами для создания средств с улучшенными свойствами, а в частности – зубных паст, могут выступать добавки на основе макро- и микроэлементов [6]. Дело в том, что эти жизненно необходимые элементы, играют важную в росте и развитии зубов [7]. Так, биологически активные вещества, включающие в свой состав оксид цинка обладают повышенными антибактериальными свойствами, которые препятствуют возникновению заболеваний и инфекций [8]. А дополнение парфюмерно-косметических средств по уходу за полостью рта кремнием, кальцием и фосфором позволяет сформировать вторичный источник минеральных элементов, которые необходимы для укрепления зубов [7].Таким образом, композиты на основе наночастиц подобных макро- и микроэлементов позволят не только объединить имеющиеся физико-химические, медико-биологические и стоматологические свойства каждого компонента, но и получить новые, такие как возможность регенерации поврежденных участков зубов.
Цель работы: Разработка импортозамещающих зубных паст на основе биологически активных форм макро- и микроэлементов.
Задачи: установить, что стабилизация силиката кальция аминокислотой L-метионином сопровождается образованием связи между кремнием и аминогруппой L-метионина.
Гипотеза: Я предполагаю, что зубная паста, содержащая фтор, не всегда положительно влияет на эмаль зубов.
-
Теоретическая часть
1.1. Синтез наночастиц силиката кальция
Синтез наночастиц силиката кальция осуществляли методом химического осаждения в водной среде. В качестве прекурсоров кальция использовали: хлорид, нитрат и ацетат кальция, а в качестве осадителя – силикат натрия. На первом этапе с помощью метода точной навески готовили растворы силиката натрия и кальцийсодержащего прекурсора с концентрацией 0,8 М.
Синтез наночастиц силиката кальция, стабилизированных бифункциональными органическими молекулами – незаменимыми аминокислотами
Синтез наночастиц силиката кальция, стабилизированных аминокислотами, осуществляли методом химического осаждения в водной среде (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема синтеза наночастиц силиката кальция, стабилизированных аминокислота
В качестве прекурсора кальция использовали и ацетат кальция, а в качестве осадителя – силикат натрия. Стабилизатором выступали аминокислоты: L-валин, L-лейцин, L-изолейцин, L-метионин, L-треонин, L-лизин, L-фенилаланин, L-триптофан. На первом этапе с помощью метода точной навески готовили растворы силиката натрия и кальцийсодержащего прекурсора с концентрацией 0,8 М. Далее, в раствор силиката натрия добавляли 0,27% масс. стабилизатора. На следующем этапе в систему добавляли раствора кальцийсодержащего прекурсора. Полученные золи отмывали методом центрифугирования. Далее, отмытые осадки высушивали в сушильном шкафу при температуре 80°С.
Синтез наноразмерных биологически активных форм эссенциальных макро- и микроэлементов – остеогенного тройного нанокомпозита Me3(PО4)2-MeSiO3-MeCO3 (Me – Zn, Ca, Mg)
Перед началом синтеза остеогенного тройного нанокомпозита (ОТН) проводили контроль качества используемых реактивов, а также подготовка используемого сырья к синтезу. Нанокомпозит получали с помощью метода химического осаждения в водной среде. Металлсодержащими прекурсорами выступали: ацетат кальция (Ca(CH3COO)2·H2O), ацетат цинка (Zn(CH3COO)2·2H2O) и нитрат магния (Mg(NO)3·6H2O), осадителями являлись: ортофосфат калия (K3PO4·7H2O), метасиликат натрия (Na2SiO3·7H2O) и карбонат аммония ((NH4)2CO3), а растворителем выступала дистиллированная вода.
Метод получения остеогенного тройного нанокомпозита включает в себя следующие стадии:
-
на первой стадии создавали 0,5М водные растворы осадителей и металлсодержащих прекурсоров;
-
на следующем этапе отдельно создавали общий раствор прекурсоров путем смешивания 30 мл 0,5М ацетата кальция, 17 мл 0,5М ацетата цинка и 8 мл 0,5М нитрата магния;
-
также отдельно создавали раствор осадителей путем смешивания 20 мл 0,5М ортофосфата калия, 17 мл 0,5М метасиликата натрия и 8 мл карбоната аммония;
-
далее при комнатной температуре вливали общий раствор прекурсоров в общий раствор осадителей и перемешивали в течение 30 минут;
-
полученный гель отмывали 3 л дистиллированной воды методом вакуумной фильтрации с использованием воронки Бюхнера и колбы Бунзена;
-
на заключительном этапе, полученный образец высушивали при температуре 90 °C.
На рисунке 2 представлена блок-схема синтеза наноразмерных биологически активных форм эссенциальных макро- и микроэлементов – остеогенного тройного нанокомпозита.
Рисунок 2 – Блок-схема синтеза наноразмерных биологически активных форм эссенциальных макро- и микроэлементов – остеогенного тройного нанокомпозита
Синтез остеогенного тройного нанокомпозита осуществляли при постоянном перемешивании и без изменения температуры и давления окружающей среды.
Метод получения зубных паст на основе наноразмерных биологически активных форм эссенциальных макро- и микроэлементов
На следующем этапе получили зубные пасты, модифицированные ОТН. Схема синтеза представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема получения модифицированных зубных паст
Синтез зубной пасты осуществляли при комнатной температуре и постоянном перемешивании со скоростью 800 об/мин.
1.2. Методы и приборы исследований
Исследование фазового состава образцов проводили с помощью рентгенофазового анализа методом порошковой дифрактометрии на рентгеновском дифрактометре «PANanytical Empyrean».
Исследование структуры и элементного состава наночастиц силиката кальция и ОТН проводили с помощью растровой электронной микроскопии на приборе MIRA-LMH с системой определения элементного состава AZtecEnergy Standart / X-max 20 (standard) фирмы Tescan.
Для изучения колебаний связей функциональных групп в полученных образцах использовали ИК-спектроскопию. ИК-спектры получали на ИК-спектрометре ФСМ-1201 с преобразованием Фурье.
Температурные превращения полученных образцов исследовали методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии на приборе NETZSCH STA 449 F5 Jupiter (Германия). В качестве программного обеспечения использовался пакет программ «NETZSCH Proteous - Thermal Analysis», v. 6.1.0.
Реологические параметры образцов зубной пасты исследовали с помощью вискозиметрии на приборе IKARotaVisclo-vi(Германия).
Статистическую и математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием программного обеспечения Origin 2018 и Excel 2013.
Компьютерное квантово-химическое моделирование процесса стабилизации наночастиц силиката кальция, а также компонентов остеогенного тройного нанокомпозита проводили в программе QChem с использованием молекулярного редактора IQmol. Расчет осуществлялся на оборудовании центра обработки данных (Schneider Electric) ФГАОУ ВО Северо-Кавказского федерального университета.
1.3. История создания зубной пасты
В мире самая древняя формула зубной пасты была обнаружена у египтян. Чтобы создать чистящий порошок, они размельчали каменную соль, мяту, сухие цветы ириса, перец и перемешивали их вместе.
Благодаря исследованиям было обнаружено, что древние египтяне изобрели стоматологическую пасту ещё в 3000–5000гг.
до н. э. Этот крем включал в себя порошкообразный пепел отмирры, копыт волов, пемзы, воды и растертой яичной скорлупы. Несмотря на то, что крем был малоприятным на вкус, он боролся с налетом на зубах и обеспечивал зубам минимальный уровень чистки.
Позднее в Риме и Греции обнаружили больше абразивов, которые успешно добавляли в порошковую смесь: раковины устриц и раздробленные кости, соль, мел, корешки растений и зола. Они лучше очищали зубы от вредных бактерий и налета.
Древние методы чистки зубов доступны были не всем. Богатые люди легко бы могли позволить себе зубной порошок, душистые средства зубной гигиены и жевательные палочки, сделанные из экстракта душистой смолы и коры мастикового дерева. До того как зубная паста приобрела привычный сегодня для нас вид, прошло не одно столетие. Зубная паста была порошком до 1850. В наше время много людей применяют пищевую соду для чистки зубов. Этой практике уже сотни лет.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Характеристика наночастиц силиката кальция, стабилизированных аминокислотами
На первом этапе исследовали влияние типа кальцийсодержащего прекурсора на структуру наночастиц силиката кальция методом сканирующей электронной микроскопии. Результаты представлены на рисунке 4.
а б в
Рисунок 4 – СЭМ-микрофотографии наночастиц силиката кальция, полученных из: а – ацетата кальция, б – хлорида кальция, в – нитрата кальция
Как видно из рисунка 4, форма, размеры и структура получаемых частиц силиката кальция зависит от кальцийсодержащего прекурсора. Так использование ацетата кальция в качестве прекурсора, позволяет получать образцы силиката кальция имеющие пластинчатую структуру. Применение хлорида кальция в качестве прекурсора, позволяет получать кристаллиты с размерами от 100 до 300 нм. Использование нитрата кальция позволяет получать агрегаты неправильной формы, состоящие из кубического силиката кальция с размерами от 0,3 до 2 мкм. Таким образом установлено, что оптимальным кальцийсодержащим прекурсором является ацетат кальция.
На следующем этапе исследовали температурные превращения наночастиц силиката кальция, полученного из ацетата кальция, методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии. Результаты исследования представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Дериватограмма силиката кальция, полученного из ацетата кальция
Анализ полученных результатов показал, что на ДТА-кривой образца CaSiO3, полученного из ацетата кальция, в интервале от 450 до 600 °C присутствуют минимумы, которые соответствуют эндотермическим процессам удаления молекул воды из гидратных оболочек, а также из решеток кристаллогидратов силиката кальция. В области от 675 до 1500 °C происходят фазовые переходы CaSiO3 из низкотемпературных модификаций (волластонит) в высокотемпературные (параволластонит, псевдоволластонит). Так, при нагревании свыше 1125 °C волластонит обратимо превращается в псевдоволластонит [12].
Далее исследовали фазовый состав наночастиц силиката кальция, полученного из ацетата кальция, методом рентгенофазового анализа. Результаты представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Дифрактограмма силиката кальция, полученного из ацетата кальция
Анализ дифрактограммы силиката кальция, полученного из ацетата кальция показал, что в образце наблюдаются низкоинтенсивнные полосы на 2θ= 26,21; 29,38 и 49,92°. В свою очередь, использование в качестве кальцийсодержащего прекурсора ацетата кальция сопровождается аморфизацией структуры CaSiO3.
На следующем этапе работы, проводили исследование по влиянию типа аминокислоты на микроструктуру наночастиц силиката кальция. Образцы исследовали с помощью СЭМ-микроскопии. Результаты представлены на рисунке 7.
а б в
г д е
ж з и
Рисунок 7 – СЭМ-микрофотографии силиката кальция, стабилизированного:
а – L-валином, б – L-лейцином, в – L-изолейцином, г – L-метионином,
д – L-треонином, е – L-лизином, ж – L-фенилаланином, з – L-триптофаном,
и – без стабилизатора
Анализ полученных результатов показал, что поверхность образцов CaSiO3 как без стабилизатора, так и с аминокислотами представлена пластинчатыми структурами, собранными в агрегаты. Установлено, что добавление аминокислоты в наночастицы силиката кальция не оказывает значительного влияния на структуру образцов.
На следующем этапе проводили компьютерное квантово-химическое моделирование с целью определения оптимальной конфигурации взаимодействия силиката кальция с различными аминокислотами. Определяли для каждой модели взаимодействия полную энергию, распределение поверхностного потенциала, энергию высшей заселённой молекулярной орбитали (HOMO) и низшей свободной молекулярной орбитали (LUMO). Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты моделирования силиката кальция с аминокислотами
|
Молекулярная система |
Тип взаимодействия |
E, ккал/моль |
∆E, ккал/моль |
EHOMO, эВ |
ELUMO, эВ |
η, эВ |
|
CaSiO3 |
– |
-1185,674 |
– |
-0,268 |
0,033 |
0,151 |
|
CaSiO3–L-валин |
Аминокислота |
-402,112 |
– |
-0,249 |
0,016 |
0,133 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому валина |
-1661,171 |
1259,059 |
-0,171 |
0,045 |
0,108 |
|
|
CaSiO3–L-лейцин |
Аминокислота |
-441,397 |
– |
-0,260 |
0,006 |
0,133 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому лейцина |
-1700,028 |
1258,631 |
-0,191 |
0,029 |
0,110 |
|
|
CaSiO3–L-изолейцин |
Аминокислота |
-441,394 |
– |
-0,247 |
0,018 |
0,133 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому изолейцина |
-1700,108 |
1258,714 |
-0,165 |
0,029 |
0,097 |
|
|
CaSiO3–L-метионин |
Аминокислота |
-800,251 |
– |
-0,232 |
0,006 |
0,119 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому метионина |
-2058,497 |
1258,246 |
-0,189 |
0,033 |
0,111 |
|
|
CaSiO3–L-треонин |
Аминокислота |
-438,015 |
– |
-0,248 |
0,006 |
0,127 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому треонина |
-1696,802 |
1258,787 |
-0,168 |
0,029 |
0,099 |
|
|
CaSiO3–L-лизин |
Аминокислота |
-496,481 |
– |
-0,177 |
-0,024 |
0,077 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому лизина |
-1754,871 |
1258,39 |
-0,140 |
0,043 |
0,092 |
|
|
Через аминогруппу, присоединённую к C6 атому лизина |
-1755,223 |
1258,742 |
-0,138 |
0,042 |
0,090 |
|
|
CaSiO3–L-фенилаланин |
Аминокислота |
-554,424 |
– |
-0,240 |
0,002 |
0,121 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому фенилаланина |
-1812,504 |
1258,08 |
-0,156 |
0,037 |
0,097 |
|
|
CaSiO3–L-триптофан |
Аминокислота |
-685,684 |
– |
-0,195 |
-0,035 |
0,080 |
|
Через аминогруппу, присоединённую к C2 атому триптофана |
-1943,146 |
1257,462 |
-0,162 |
0,035 |
0,099 |
|
|
Через вторичную аминогруппу индола в триптофане |
-1942,821 |
1257,137 |
-0,168 |
0,021 |
0,095 |
|
а |
б |
|
в |
|
|
г |
д |
Рисунок 8 – Результаты моделирования молекулярной системы CaSiO3–L-метионин, в которой взаимодействие происходит через аминогруппу, присоединённую к C2 атому метионина: а – модель молекулярного комплекса, б – распределение электронной плотности, в – градиент распределения электронной плотности, г – высшая заселённая молекулярная орбиталь HOMO, д – низшая свободная молекулярная орбиталь LUMO
При анализе данных обнаружено, что энергия молекулярных систем CaSiO3-аминокислота значительно ниже, чем энергия отдельных молекул аминокислот. Данный факт свидетельствует о энергетически выгодном образовании химической связи между молекулой аминокислоты и силикатом меди.
В результате анализа данных установлено, что наиболее энергетически выгодной системой является система «CaSiO3–L-метионин», величина энергии которой составила -2058,497 ккал/моль. Взаимодействие между поверхностью наночастицы CaSiO3 и
L-метионином осуществляется через аминогруппу, присоединённую к C2 атому метионина.
Для подтверждения данных квантово-химического моделирования образцы исследовали методом ИК-спектроскопии. Результаты исследования представлены на рисунке 9.
Рисунок 9 – ИК-спектры: 1 – силиката кальция; 2 – силиката кальция, стабилизированного L-метионином; 3 – L-метионина
Анализ ИК-спектра L-метионина показал, что в области от 500 до 1800 см-1 наблюдается присутствие полос деформационных колебаний связей: на 530 и 625 см-1 – связи -CH, в области от 708 до 804 см-1 – скелетные колебания связи –CH2, на 874 см-1 –колебания связи –С-С-, на 874 см-1 –колебания связи –SH, на 953 и 984 см-1 симметричные деформационные колебания карбоксильной группы COО-, на 1025 см-1 – колебания связи
-CH2, на 1072 см-1 – деформационные маятниковые колебания ионизированной аминогруппы NH3+, область полос от 1121 до 1152 см-1 соответствует колебаниям связи
-CH, на 1273 см-1 – веерные колебания связи -CH2, на 1352 см-1 – деформационные колебания ионизированной аминогруппы NH3+, на 1406 см-1 – симметричные колебания карбоксильной группы COО-, на 1449 см-1 колебания связи -CH2, а область полос от 1515 до 1656 см-1 соответствует симметричным колебаниям ионизированной аминогруппы NH3+.
На том же участке от 500 до 1800 см-1 в ИК-спектре силиката кальция, стабилизированного L-метионином, присутствуют полосы, которые характерны для деформационных колебаний: на 665 см-1 – связи Ca-O, на 883, 848 и 876 см-1 – симметричным колебаниям связи O-Si-O, область от 972 до 1177 см-1 соответствует асимметричным колебаниям связи O-Si-O, на 1340 см-1 – связи Si-O-Si, на 1415 см-1 – связи –CH3, а на 1645 см-1 колебаниям связи Si-N.
На участке от 500 до 1800 см-1 в ИК-спектре силиката кальция наблюдается присутствие полос деформационных колебаний связей: на 538 и 658 см-1 – связи Ca-O, на 818 см-1 – симметричным колебаниям связи O-Si-O, область от 929 до 1080 см-1 соответствует асимметричным колебаниям связи O-Si-O, на 1346 и 1412 см-1 – связи
Si-O-Si, область от 1564 до 1645 см-1 характеризует колебания связи Si-O.
В результате анализа ИК-спектров установлено что в спектре
L-метионина в области от 1515 до 1656 см-1 наблюдается падение интенсивности полос, которые соответствуют симметричным колебаниям ионизированной аминогруппы NH3+. В ИК-спектре силиката кальция в области от 1564 до 1645 см-1 также наблюдается падение интенсивности полос, которые, в свою очередь, характеризуют колебания связи Si-O. Исходя из представленных выше данных можно сделать вывод, что взаимодействие аминокислоты L-метионина с поверхностью частицы силиката кальция происходит при связывании кремния с аминогруппами в молекуле аминокислоты. Полученные результаты согласуются с данными компьютерного квантово-химического моделирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в результате работы исследовали влияния кальцийсодержащего прекурсора на структуру наночастиц силиката кальция. Анализ данных показал, что оптимальным прекусрором для получения наноразмерного CaSiO3 является ацетат кальция. Это обусловлено тем, его использовании поверхность образцов приставлена аморфными скоплениями, имеющими пластинчатую структуру. Также исследовали фазовый состав и температурные превращения образцов наночастиц силиката кальция, полученного из Ca(CH3COO)2. Также, анализ полученных данных показал, что образцы находятся в наноразмерном состоянии и обладают аморфной структурой.
На следующем этапе исследовали влияние типа аминокислоты на структуру поверхности наночастиц силиката кальция. Анализ полученных данных показал, что внедрение аминокислоты незначительно влияет на структуру силиката кальция, причем поверхность всех образцов представлена также скоплениями, обладающие пластинчатой структурой.
С целью определения оптимальной аминокислоты для стабилизации наночастиц силиката кальция, провели компьютерное квантово-химическое моделирование. Анализ результатов моделирования показал, что наиболее энергетически выгодным взаимодействием является конфигурация «CaSiO3–L-метионин», величина энергии которой составила -2058,497 ккал/моль. Примечательно, что взаимодействие между поверхностью наночастицы CaSiO3 и L-метионином осуществляется через аминогруппу, присоединённую к C2 атому метионина. Для подтверждения полученных данных, образцы наночастиц силиката кальция, стабилизированные аминокислотами исследовали методом ИК-спектроскопии. Таким образом установлено, что стабилизация силиката кальция аминокислотой L-метионином сопровождается образованием связи между кремнием и аминогруппой L-метионина. Полученные результаты согласуются с результатами компьютерного квантово-химического моделирования.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
-
Воронцова Н. Н. Усовершенствование технологии и разработка новых видов рецептур зубных паст //Москва. – 2008.
-
Елисеева Н. Б. Гигиена полости рта-инновационные технологии //Клиническая стоматология. – 2015. – №. 2. – С. 46-49.
-
Богдан И. А. Биологически активные добавки в зубных пастах //Б 63 Биологически активные соединения в жизни человека–2017: сб. материалов университетской студенческой науч.-практ. конф., Брест, 14 декабря 2017 г./Брест. гос. ун-т им. АС Пушкина; под общ. ред. НЮ Колбас.–Брест: БрГУ, 2018.–127 с. – С. 10.
-
Cvjetinovic A. et al. Chemical additives in toothpastes to inhibit calculus formation //Swiss dental journal. – 2020. – V. 130. – N. 6. – P. 503-513.
-
Schlüter N., Klimek J., Ganss C. Effect of a chitosan additive to a Sn2+-containing toothpaste on its anti-erosive/anti-abrasive efficacy—a controlled randomised in situ trial //Clinical oral investigations. – 2014. – V. 18. – P. 107-115.
-
Флейшер Г. Применение биологически активных добавок в стоматологиии. – Litres, 2022.
-
Kumar R. et al. Antimicrobial properties of ZnO nanomaterials: A review //Ceramics International. – 2017. – V. 43. – N. 5. – P. 3940-3961.