Микрокалориметрия - биоматериаловедение - полимеры медицинского назначения
Методология способа микрокалориметрического анализа и его разновидностей достаточно хорошо отработана и детально описана [10]. Nylas и сотр. [33] с высокой точностью измеряли количество тепла, выделяющегося при адсорбции белка плазмы крови на поверхности инородного материала, и исследовали природу и механизм взаимодействия обеих субстанций на границе их фазового разделения. Экзотермию адсорбции белков они определяли с помощью микрокалориметра высокой точности, в котором использован высокочувствительный термистор, улавливающий колебания температуры образца (100мл) на уровне 0,00001 °С. Сообщалось о хорошей воспроизводимости результатов при экзотермии, уровень которой не превышает 1 мкал. В качестве адсорбента было выбрано стекло в виде микропорошка, удельная поверхность которого достигает 9,85 м2/г и, следовательно, создает максимальную площадь соприкосновения обеих сред. Сначала определяли тепловыделение h (SLP) при контактировании изотонического раствора хлорида натрия, содержащего заданный объем 7-глобулина (крови человека), с описанным микропорошком, а затем контрольную экзотермию hi (SLB) изотонического раствора хлорида натрия без 7-глобулина с тем же адсорбентом. Далее по разности полученных величин вычисляли количество тепла, выделяющегося при адсорбции гамма-глобулина:
Наконец, находили корреляцию полученной величины с равновесной адсорбцией (а), которую определяли отдельно при помощи УФ спектроскопии. График такой корреляции представлен на рис. 83.
Рис. 83. Теплота адсорбции глобулина (при 25 °С), стеклянным микропорошком (удельная поверхность 9,85 м2/г).
1 — средняя теплота адсорбции. {h(SLP)2s — hi (SLB25>/6- 2 — дифференцированная теплота адсорбции, A{hi(SLP)25 — hi(SLB)25)/A6.
Кривая средней экзотермии образует острый пик, который свидетельствует о сильнейшем взаимодействии со стеклом мономолекулярного слоя у-глобулина, образовавшегося в самом начале контакта обеих сред. Высокий же пик показывает на возможность конформационных изменений молекул белка.
Изменение молекулярной структуры в результате выделения тепла, по всей вероятности, вызывает дальнейшее расширение области адсорбции белковых молекул, последующее выделение тепла и в конечном счете весьма сильное взаимодействие между полимером и молекулами белка. Резкое падение кривой дифференциальной адсорбции сразу же после пика показывает, что дальнейшая адсорбция белка, которая идет уже после образования его мономолекулярного слоя, чрезвычайно слаба. Кроме того, максимум средней экзотермии адсорбции составляет 1,7-103 ккал/моль, а число аминокислотных остатков глобулина приближается к 1560, поэтому изменение энтальпии должно составить 1,09 ккал/моль остатка. Известно, что выделение тепла при адсорбции фенилаланина и тирозина веществом с низкой поверхностной энергией, неспособны, как стекло, удерживать водородные связи, составляет соответственно 2,78 и 19,6 ккал/моль, откуда совершенно логично предположить, что для захвата и акцептирования всех целиком аминокислотных остатков указанные выше величины явно недостаточны.
Аналогичные эксперименты, но применительно к фибриногену, провели Thiu с сотр. [37].
В реферативном изложении результаты исследования Nyilas с сотр. можно описать следующим образом. Необходимо осуществлять микрокалориметрию на аппаратуре максимальной точности. Использование стеклянного микропорошка предполагает неравномерность распределения свободной поверхности энергии, поэтому крайне трудно по данным одной только микрокалориметрии вывести прямую корреляцию молекулярной структуры полимера со спецификой адсорбционного процесса. Несомненно, микрокалориметрия дает определенную информацию о взаимодействии полимера с белком, но только в плане самых общих корреляций. Получение же количественных данных о конформационных преобразованиях белка наталкивается на очень большие затруднения. Таким образом, микрокалориметрия применительно в биоматериаловедению связана с многочисленными проблемами, требующими разрешения, и работы Nyilas представляют один из значительных шагов в этом направлении.
