ДУ "Інститут гігієни та медичної екології імені О.М. Марзєєва НАМН України" м.Київ
УДК 613:678.046.3
Корчак Г.І.
Дослідження властивостей природного нанооб'єкта - каолину (Nano Kremnevit)
Бурхливий розвиток науки з вивчення властивостей наноматеріалів та нанотехнологій залучає у цей процес все більше кількості різновидів сполук. Серед них відомий з давніх часів каолін (китайська глина), або біла глина (Bolus alba) справедливо розглядається як природний нанооб'єкт, і саме такий підхід дозволив надзвичайно поширити його застосування на новій науковій основі. З фізичної точки зору це передусім використання високодисперсних фракцій глини, а також розробка методів для отримання якомога більшої кількості нанорозмірних частинок в її гранулометричному складі. Звідси походять перспективи використання каоліну у різних галузях нанотехнології з перевагою його як природної сполуки, хімічний склад якої та біоенергетична властивість споріднені з організмом людини. Крім того, глинисті мінерали мають високу адсорбційну та іонообмінну активність, що відповідає вимогам до ентеросорбентів. У сучасній медицині ентеросорбції приділяється велика увага як природному методу зв'язування та видалення з організму екзо-ендотоксинів та інших сполук.
Серед багатьох різновидів глин лише білі каолінітові глини безпечні за своєю структурою та енергетикою для слизової шлунково-кишкового тракту та поверхонь ран. Завдяки своїй м'якій, щадній дії білі глини дозволені Державною фармакопеєю України та інших країн для внутрішнього вживання. Сертифікація білої глини проводиться за радіаційним показником (питома активність Cs137, Sr90 (бк/кг), токсичними елементами (Zn, Cd, Pb, Cu, Mn), мікробіологічними показниками (загальне мікробне число — ЗМЧ, S. aureus, P. aeruginosa, БГКП, Salmonella), технічними показниками (білизна, вологість, наявність Fe, адсорбція).
іла глина — це суміш різних мінералів. Належить до алюмо-силікатів. Її основний компонент — каолініт (85,0-95,0%), в якому співвідношення SiO2 та Al2O3 найменше (близько 2:1). Крім каолініту, глина, як правило, у своєму складі має монтморилоніт, кварц, слюду, а також може містити польовий шпат, іліт, ілменіт, гематит, боксит та інші мінерали у незначних кількостях. Крім кремнію та алюмінію, у хімічному складі білої глини містяться магній, залізо, кальцій, фосфор, цинк, літій, мідь, берилій, кобальт, молібден та деякі інші мікроелементи, необхідні живому організму.
Основна складова каоліну — каолініт, сформований із гірських порід під впливом атмосферних факторів. Має білий, сіро-білий або злегка забарвлений колір. Складається з тонких, гнучких пластинок триклинного кристалу з діаметром 0,2-12 мкм. З урахуванням такої високої дисперсності глину відносять до природних наноматеріалів. Питома поверхня 1 г глини сягає залежно від гранулометричного складу150 м2 та більше. Кристали каоліну складаються з багатьох шарів декількох видів накладання та мають два типи зарядів: позитивний і негативний.
Глина володіє значним катіонним обміном, об'єм якого залежить від розміру часток, водночас швидкість обміну дуже висока, майже миттєва. Крім того, високодисперсні фракції значно підвищують загальну площу часток. Каолін активно сорбує невеликі молекули, такі як лецитин, хінолін, паракват, дикват, а також протеїни, поліакрилонітрил, бактерії і віруси. Адсорбовані речовини і мікроорганізми можуть бути легко видалені з більшості видів глин, оскільки адсорбція здійснюється поверхневими структурами часток глини.
Глина належить до універсальних лікувальних факторів, які застосовували з давніх-давен при різноманітних захворюваннях поверхневих покривів людини, опірнорухового апарату, внутрішніх органів соматичного та інфекційного походження.
Глину застосовують у вигляді зовнішніх аплікацій, розводних ван та шляхом прийому всередину як ентеросорбента.Глина виконує не тільки роль детоксиканта, а й постачальника кремнію та багатьох мікроелементів.
У наш час білу глину розглядають також як складову нанокомпозитів завдяки малим розмірам та наявності пор між контактуючими частинками каолініту. Прикладом може бути композит з наночастинками срібла. Адсорбція бактерицидних елементів (Ag, Cu, Co, Zn) на кристалічних поверхнях часток глини надає їй антимікробні властивості.
Для створення нанокомпозитів перспективним є використання препаратів високодисперсної глини, які отримують розробленими технологічними прийомами. Важливе також зменшення у них таких домішок, як кварц та гідрослюда, що сприяє поширенню показників для їх внутрішнього застосування. Так, препарат "Кремневіт" має переважний розмір часток у діапазоні 60-100 нм, а вміст кварцу (мас %) — 1,24, гідрослюди — 0,92.
Специфічність взаємодії мікроорганізмів і часток адсорбенту залежить від багатьох факторів: величини заряду, просторової орієнтації і характеру структурних груп обох об'єктів. Оскільки кристали каолініту, як було вказано, мають два заряди (позитивний і негативний), то це забезпечує адсорбцію глиною багатьох різновидів бактерій. У літературі є відомості про адсорбцію вірусів. Так, спостерігалася задовільна адсорбція фагів Т7 смектитовою глиною, переважно дрібнодисперсними фракціями. Бактеріофаги MS2 і Phix 174 добре адсорбувалися кремнієм і бентонітом в умовах статики і динаміки за температури (4+1)С і (25+1)С. Автори зробили висновок, що глини перспективні для видалення вірусів із водних розчинів. Ширше використання глин для очистки води представлено у монографії Ю.І. Тарасевича.
Глини як прекрасні адсорбенти проявляють фізичну і хімічну взаємодію з мікроорганізмами. При цьому потрібно розмежувати глини, які є антибактеріальними і неантибактеріальними. Під час взаємодії часток глини з поверхнею мікробної клітини відбувається передусім фізичний процес адсорбції — це виявлення дії електростатичних сил. Цей процес зворотний, і мікроорганізм зберігає свою життєздатність. Але така взаємодія може призвести й до порушення життєво важливих функцій мікроба (утруднити пасивне й активне поглинання необхідних поживних речовин, пошкодити клітинну оболонку, послабити вихід метаболітів). У дослідженнях [мікроорганізми не гинули у разі простої фізичної взаємодії з глиною. Коли сухі глини накладали на колонії мікроорганізмів, вони залишалися життєздатними. Але деякі з досліджених глин ставали антибактеріальними, якщо були гідратовані: E. coli гинули від взаємодії розчинних складових глини, токсичних для бактерій. За даними літератури, лише деякі родовища містять бактерицидні глини. Кожне родовище антибактеріальних глин відрізняється за мінералогічним складом, але в усіх є загальне — наявність розчинних мінералів і збагачення залізом. Середній діаметр кристала антибактеріальних глин <200 нм, що на порядок менше за стандартні еталонні зразки.
Автори відзначають складність хімічних і біохімічних реакцій, які призводять до загибелі мікроорганізмів. Метали, які входять до складу глини і розчинені у глиняних суспензіях, мають різну біодоступність. Процес переносу елементів глини через клітинну мембрану супроводжується численними хімічними реакціями і формуванням високореактивних проміжних радикалів, які залежать від мінералогії і будови оболонки клітини. Один з механізмів бактерицидності полягає у тому, що бактерицидні глини постачають додатковий іон Fe2+ у бактеріальну клітину, де відбувається його окислення, і це супроводжується продукцією гідроксильних радикалів, які викликають деструктивні зміни у клітині.
Продукування гідроксильних радикалів може бути посилене далі через біохімічне відновлення Fe3+. Kolanski та ін. показали, що продукування внутрішньоклітинних гідроксильних радикалів є основним механізмом загибелі клітин за дії синтетичних антибіотиків. Зроблено припущення, що глини діють подібним чином.
Williams L.B., Haydel S.E. et al. також відзначають, що бактерицидний механізм глин не є фізичним, а хімічним (перенос електронів, хімічна реакція тощо). Хімічні зміни все ще перебувають у стадії вивчення. Зокрема, експерименти з катіонного обміну (одна з важливих властивостей глини) показали, що антибактеріальний ефект глини може бути зміненим, якщо використовувати взаємозамінні катіони. У результаті автори роблять висновок, що рН та окисновідновні реакції, які відбуваються у суспензії глини і клітинній оболонці бактерій, є ключовими у механізмі антимікробної дії.
Більшість антибактеріальних глин спричиняє деструктивну дію на широкий спектр бактерій: E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. typhimureum та їхні антибіотикостійкі варіанти. Так, спостерігали загибель E. coli з широким спектром беталактамази, а також S. aureus, стійкого до метициліну. Чутливість антибіотикорезистентних бактерій до антимікробних глин робить їх застосування у медицині досить перспективним, зокрема для лікування ран. Регенерація тканини за одночасної дії антибактеріальної глини залишається досі нез'ясованою. Перспективним є використання таких глин для лікування інфекцій, до яких немає ефективних антибіотиків, наприклад виразки Бурулі, а також при інфекціях, що викликані не тільки антибіотикорезистентними збудниками, а більш широко — у разі багатьох інфекційних процесів, особливо якщо врахувати відносну дешевизну глини порівняно з антибіотиками, відсутність токсичності і одночасне збагачення організму кремнієм і багатьма мікроелементами.
Таким чином, вказане спонукає до більш глибокого вивчення багатогранних властивостей глин та їх застосування не лише у народній медицині, але й в офіційній.
ЛІТЕРАТУРА
1. Грим Р.Э. Минералогия и практическое использование глин пер. с англ. / Под ред. В.И. Петрова.—М:Мир,2007.—511с.
2. McLaren A.D. The adsorption and reactions of enzymes and proteins on clay minerals. IV. Kaolinite and montmorillonite / A.D. McLaren, G.H. Peterson, I. Barshad // Soil. Sci. Soc. Am. Proc. — 1958. — No 22. — Р. 239-243.
3. Mortensen J.L. Adsorption of hydrolyzed polyacrylonitrile on kaolinite // Clays Clay Miner. — 1961. — No 9. — Р. 530-545.
4. Adamis Z. Investigations of the effects of quartz, aluminium silicates and colliery dusts on peritoneal macrophages / Z. Adamis, M. Timar // The in vitro effects of mineral dusts / R.C. Brown, I.P. Gamely (eds.). — London : Academic Press, 1980. — P. 13-18.
5. The influence of temperature and time on the adsorption of paraquat, 2,4D and prometone by clays, charcoal, and an anionexchange resin / J.B. Weber, A.D. McLaren, G.H. Peterson, I. Barshad // Soil. Sci. Soc. Am. Proc. — 1965. — No 29. — Р. 678-688.
6. Steel R.F. The interaction between kaolinite and Staphylococcus aureus / R.F. Steel, W. Anderson // J. Pharm. Pharmacol. — 1972. — No 24 (Suppl.). — P. 1-129.
.........
З повним текстом дослідження можна ознайомитись у додатку.
