Введение к работе
Актуальность темы Одной из проблем современной науки является установление механизма влияния слабых воздействий различной природы на живые организмы. По этой проблеме накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий о действии растворов низких (включая пикомолярные) и сверхнизких (фемтомолярные и ниже) концентраций и слабых полей на биологические процессы, среду обитания человека и его здоровье. Наиболее загадочное и практически важное явление, наблюдающееся в высокоразбавленных растворах - нелинейные концентрационные зависимости физико- химических свойств и биоэффектов. Важность этих явлений для естественных наук и жизнедеятельности человека (рациональное природопользование, создание лекарственных средств нового поколения, биомедицинские технологии) трудно переоценить. Однако до последнего времени физико-химическая причина этих явлений оставалась неизвестной.
Недавно группой исследователей ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН обнаружено ранее неизвестное явление (эффект ультранизких концентраций и электромагнитных полей), изучение которого может дать ключ к решению перечисленных проблем. Это явление состоит в образовании в высокоразбавленных водных растворах масштабных наноразмерных молекулярных ансамблей (до 400 нм), названных наноассоциатами. Формирование наноассоциатов обуславливает возникновение необычных физико-химических свойств растворов низких и сверхнизких концентраций и, что особенно важно, коррелирует с биоэффектами растворов. Наноассоциаты инициируются растворенным веществом при определенных условиях, важнейшим из которых, как показано на примере одного из биоантиоксидантов, является наличие внешних электромагнитных полей (ЭМП).
В этой связи сравнительное изучение самоорганизации, физико-химических свойств растворов низких концентраций биологически активных веществ (БАВ) в естественных условиях и при значительном понижении уровня внешних ЭМП (гипоэлектромагнитные условия) является актуальной задачей, решению которой посвящена тема диссертационной работы.
Цель работы Изучение влияния пониженного уровня внешних ЭМП и строения растворенного биологически активного вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов низких и сверхнизких концентраций, установление взаимосвязи между параметрами наноассоциатов и физико-химическими свойствами растворов, а также физико- химическое обоснование возникновения синергетического эффекта в смешанной системе, содержащей растворенное вещество в низких концентрациях.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать методологический подход, позволяющий установить влияние пониженного уровня внешних ЭМП на самоорганизацию и физико-химические свойства высокоразбавленных растворов, выявить пороговую концентрацию, ниже которой в растворе образуются наноассоциаты.
-
Выбрать ряд объектов исследования, на базе которых возможно выявить действие природы введенных в молекулу вещества заместителей и влияния пространственного строения молекул на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов в широкой области концентраций, включая сверхнизкие. В ряд объектов исследования должны входить БАВ, для растворов которых надежно установлена биологическая активность в области низких концентраций, а также вещества, перспективные для использования в бионанотехнологиях или для создания биомиметических систем, обладающих новыми практически полезными свойствами.
-
Расширить комплекс физико-химических методов, позволяющих достоверно регистрировать изменения свойств растворов и характеристики наноассоциатов.
Научная новизна полученных результатов
В работе предложен и апробирован новый подход для исследования самоорганизации и свойств растворов широкой области концентраций (1-10-20 - 1-10-3 моль-л-1), заключающийся в сравнительном изучении комплексом физико-химических методов концентрационных зависимостей параметров частиц и характеристик растворов, выдержанных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях (в пермаллоевом контейнере).
В результате изучения самоорганизации и свойств растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в широкой области концентраций впервые установлено, что пониженный уровень внешних ЭМП может оказывать воздействие на самоорганизацию и свойства растворов как в области низких (1-10-20 - 1-10-7 моль-л-1), так и в области обычных (1-10-6 - 1-10-2 моль-л-1) концентраций. Характер и степень воздействия гипоэлектромагнитных условий на растворы зависит от химического строения растворенного вещества.
На примере растворов производных 2,6-диалкилфенолов - биоантиоксидантов фенозана калия, ихфана С-10 и а-токоферола, а также амфифильных производных каликс[4]резорцинарена и и-сульфонатокаликс[и]аренов (n=4, 6), изученных в широкой области концентраций, впервые показано, что химическое строение вещества оказывает существенное влияние на интервал концентраций, в котором образуются наноассоциаты, и на их параметры.
Результаты работы обоснованы и достоверны
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
использованием высокоточной и высокочувствительной поверенной измерительной техники;
обработкой экспериментальных данных по стандартным программам;
согласованностью результатов экспериментов, полученных различными физико-химическими методами;
воспроизводимостью результатов.
Практическая и теоретическая значимость полученных результатов
Разработанный подход для изучения самоорганизации и свойств высокоразбавленных растворов в естественных и гипоэлектромагнитных условиях создает принципиально новые возможности для решения проблемы влияния низких концентраций растворенных веществ на водные системы и живые организмы. Полученные результаты являются важной составной частью научного обоснования возникновения нелинейных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и высокой физиологической активности растворов биологически активных веществ низких концентраций, необходимого для создания новых экологически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также разработки лекарственных средств нового поколения (Программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН на 2013-2020 гг., п. 44, 45, 46 и 48).
Работа выполнена в лаборатории Физико-химии супрамолекулярных систем отдела Супрамолекулярной химии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук (ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН) в соответствии с научным направлением «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы» (п. 37) в рамках госбюджетной темы «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос. регистрации 01201157530). Работа поддержана Программой ОХНМ РАН «Химия и физико- химия супрамолекулярных систем и атомных кластеров», Программой фундаментальных научных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 06-03-32402, 10-03-00147).
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 2007-2011); IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures" (Казань, 2006); Всероссийских симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006-2008, 2012); Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2007, 2008); XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007); XIth International Seminar on Inclusion Compounds ISIC-11 (Киев, 2007); 1st International Symposium "Supramolecular and nanochemistry: toward applications" (Харьков, 2008); IVth International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Туапсе, 2008); Научной конференции «Органическая химия для медицины» (Черноголовка, 2008); XVIIth International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (Казань, 2009); VIII Международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2010); Симпозиуме некоммерческого партнерства институтов РАН «ОрХиМед: Разработка лекарственных и физиологически активных соединений на основе природных веществ» (Санкт-Петербург, 2010); Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2011); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); 6th International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Страсбург, Франция, 2012); VI Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2012).
Публикации по работе По материалам диссертации опубликованы 11 статей, все в изданиях, рекомендованных ВАК, и тезисы 20 докладов на конференциях различного уровня.
Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2) и тематически разделенного обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 2 таблицы, 92 рисунка и список литературы из 288 наименований.
