3 курс / Фармакология / ФАРМАКОЛОГИЯ_ПРЕПАРАТОВ_НА_ОСНОВЕ_ПРИРОДНЫХ_АЛЮМОСИЛИКАТОВ_И_ИХ

ния, которое происходило в процессе образования глины. В связи с замеще-

нием Al3+ на Mg2+ возникла ненасыщенная валентность, т.е. создался избы-

точный отрицательный заряд в решетке. Когда миллионы лет назад такие ча-

стицы в конечном итоге попадали в водоемы (монтмориллонит образуется при разложении или выветривании вулканических пеплов), то для компенсации отрицательного заряда они адсорбировали из окружающей среды катионы

Na+, Fe2+, K+, Ca2+, Mg2+, которые располагались в межпакетном пространстве монтмориллонита.

Однако присутствие этих катионов в межпакетном пространстве пол-

ностью отрицательный заряд кристаллической решетки монтмориллонита не компенсировало, поскольку отрицательный потенциал октаэдрических слоев в значительной степени экранируется наружным тетраэдрическими слоями. Таким образом, плоские грани или так называемые базальные по-

верхности монтмориллонита заряжены отрицательно (дефицит заряда со-

ставляет 0,41).

Заряд кристаллической решетки монтмориллонитов также зависит от pH и концентрации солей раствора, в котором они находятся. При измене-

нии pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциирует по щелоч-

ному типу:

А1(ОН)3 = А1(ОН)2++ ОН- В щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу:

А1(ОН)3 = А1(ОН)2О- + Н+ В результате этого процесса боковой скол глинистой частицы в кис-

лой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной – отри-

цательно (Кормош Е.В., 2009; Воловичева Н.А., 2009).

Если накопление глины происходило в морских бассейнах, характери-

зующихся высокой концентрацией NaCl, то на глинистых частицах осажда-

лись преимущественно катионы Na+ и K+ (натриевый монтмориллонит или

21

бентонит). В пресноводных бассейнах на глинистых частицах осаждались преимущественно катионы щелочноземельных металлов – Ca2+, Mg2+ (каль-

циевый монтмориллонит или бентонит).

Располагающиеся в межпакетном пространстве катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+ и др., в водном растворе способны к эквивалентному обме-

ну с другими находящимися в растворе катионами, поэтому их называют обменными (Рабухин А.И., Савельев В.Г., 2004; Кормош Е.В., 2009).

Способность глинистых минералов поглощать ионы из окружающей среды и выделять эквивалентное количество других ионов, находящихся в данном минерале в обменном состоянии, называется обменной способно-

стью глин. Показателем обменной способности глин является емкость погло-

щения, которая характеризуется количеством обменных катионов в молях, со-

держащихся в 100 г сухой глины. Моль – это количество вещества, содержа-

щее столько же структурных единиц данного вещества (молекул, атомов,

ионов), сколько атомов в 12 г углерода (6,022·1023) (Ross C.S., Hendrichs S.B.,

1945; Эйриш М.В., Эйриш З.Н., Беззубов В.М. и др., 1980).

Согласно исследованиям Г. Вигнера (1926), вследствие подвижного ха-

рактера кристаллической решетки монтмориллонита для обменных реакций оказываются доступными не только внешняя (экстрамицеллярный обмен), но и все внутренние поверхности частицы (интрамицеллярный обмен). 80% об-

менных катионов располагаются в межпакетном пространстве, а 20 % – на механически обломанных краях (ребрах) кристаллов. Величина емкости об-

мена при сочетании экстра- и интрамицеллярного обмена у монтмориллонита наибольшая из всех представителей слоистых силикатов, и составляет 80·10-3

… 150·10-3 моль / 100 г, т.е. в 100 г сухой глины содержится 4,8·1022 … 9·1022

обменных катионов.

Для гидрослюд обменными являются лишь катионы, расположенные на механически разорванных ребрах (гранях) кристаллической решетки, в

22

связи, с чем обменная емкость (емкость поглощения) гидрослюд составляет всего 10·10-3… 40·10-3 моль/100 г.

У каолинита молекулы воды и катионы не могут проникать в межпа-

кетное пространство, поэтому он трудно диспергируется и имеет малую ем-

кость обмена 3·10-3…15·10-3 моль/100 г, приходящуюся на внешние меха-

нически разорванные грани (разрыв связей Si–O–Si, OH–Al–OH), и очень слабо набухает.

Минимальное структурное образование глины – глинистая частица, со-

стоит из групп элементарных структурных элементов – плейтлетов, имеющих размеры от нескольких десятков до нескольких сотен Нм шириной и длиной, и

от 1 до 1,5 Нм толщиной, которые несут отрицательный заряд, величина кото-

рого в значительной степени определяется изоморфными замещениями в ок-

таэдрическом и тетраэдрическом слоях. Заряд нейтрализуется обменными ка-

тионами, для активации ионообменной способности необходима кислотная активация. Согласно исследованиям, обработка 30% раствором H2SO4 увели-

чивает удельную поверхность глины в 1,73 раза (Кормош Е.В., 2009).

При гидратации и диспергировании монтмориллонита в воде частицы,

на которые он распадается, приобретают определенное строение, называемое

мицеллой, наименьшее количество глинистого вещества, способного к само-

стоятельному существованию (рисунок 2). Часть мицеллы, включающая в себя ядро с двумя слоями неподвижных ионов, называется гранулой. Вокруг гранулы располагается третий слой также положительно заряженных ионов,

но имеющих очень слабую связь с ядром. Между диффузным и неподвиж-

ным слоями катионов существует динамическое равновесие: одни катионы переходят из неподвижного слоя в диффузный, другие – возвращаются из диффузного в неподвижный.

Исследования природы обменных реакций, проведенные в последние годы, показывают, что обмен ионов совершается как в диффузном и адсорб-

23

ционном слоях мицелл, так и кристаллической решетке самих частиц, обес-

печивая тем самым высокие ионообменные свойства монтмориллонитов.

диффузный слой

ядро

гранула

мицелла

Рисунок 2 – Строение мицеллы монтмориллонита

Состав природного монтмориллонита всегда отличается от теоретиче-

ского, вследствие изоморфных замещений Al3+ в октаэдрическом слое на Fe3+, Mg2+, Zn2+, Li+ и др. Изоморфизм – явление, которое широко развито у глинистых минералов и заключается в замещении одних катионов в структу-

ре минерала другими. Изоморфизм развивается в процессе формирования глинистых минералов, а также на стадиях диагенеза и катагенеза глинистых пород (Паценко А.А., 1986).

Еще одной причиной, по которой монтмориллонит всегда отличается от теоретической формулы, является то, что кристаллическая решетка этого минерала вследствие указанных замещений всегда неуравновешенна, что обусловливает замещения ионов разной валентности, как в тетраэдрических,

так и в октаэдрических сетках. Замещения в решетке монтмориллонита сов-

местно с внутренними компенсирующими замещениями приводят к резуль-

тирующему отрицательному заряду решетки, который уравновешивается об-

24

менными катионами, адсорбированными между структурными слоями и во-

круг их краев (Куковский Е. Г., 1996).

C учетом изоморфных замещений формула монтмориллонита выглядит следующим образом: (Са, Na) (Fe, Mg)2 (OH)2 [Si4O10] n H2O. В результате изовалентных и гетеровалентных замещений образуется целый ряд минера-

лов: нонтронит – железистая разновидность монтмориллонита, сапонит –

Mg3(OH)2[Si4O10]∙nH2O – магниевая, гекторит – (Mg, Li)2 (OH)2 [Si4O10]∙nH2O –

литиевая, волконскоит – хромовая, соконит – цинковая и др.

Термин «нонтронит» обозначает богатый железом конечный член монтмориллонитовой группы (Грим Р.Е., 1967). Происхождение нонтрони-

товых глин связано с субаэральным разложением пепла или основных из-

верженных пород в морской воде в разных условиях шельфа (Веденеева Н.Е., Викулова М.Ф., 1952).

Впервые термин «нонтронит» был предложен Бертье в 1827 г в честь месторождения Аррондисмент в Нонтроне, близ деревни Сен-Парду, Фран-

ция.

Нонтронит образуется в основном при экзогенных процессах, при вы-

ветривании богатых железом и магнием пород, преимущественно извержен-

ных, а также в ряде месторождений железосодержащих силикатов различных ультраосновных изверженных и метаморфических горных пород. Формула нонтронита – Fe2(OH)2[Si4O10].

В результате выветривания монтмориллонита, т.е. под влиянием коле-

баний температуры, влажности и химического состава, контактирующих с минералами почвенных растворов, в октаэдрической сетке происходит пол-

ное замещение Al3+ во всех его положениях на Fe3+. Однако последние иссле-

дования свидетельствуют о том, что подобные замещения происходят не только в октаэдрических, но и тетраэдрических сетках. Если говорить о связи железа с глинистыми минералами, то они осуществляются путем изоморф-

ных замещений в кристаллической решетке монтмориллонита, например,

25

А13+ на Fe2+, с одной стороны, и в виде тонких и устойчивых пленок минера-

лов группы железа, расположенных на поверхности глинистых частиц – с

другой (Котельников Д.Д., Конюхов А.И., 1986; Акопджанов Р.Г., 1988).

В результате -резонансной спектроскопии было установлено, что именно наличие в нонтроните двухзарядных катионов железа обусловливает характерную для этого минерала голубовато-зеленую окраску (Roth C.B., Tullock R.J., 1972).

Исследованиями последних лет нонтронитовые бентониты выявлены в древних корах выветривания серпентинитовых массивов Халиловского и Кемпирсайского районов (на Южном и Среднем Урале), в Казахстане, на Ал-

тае, на юге Сибирской платформы и ряде других мест. Обнаружен нонтронит также на горе Магнитной, в Кривом Роге, на Мариупольщине и в других пунктах (Анисина И.Н., 2016; Голубева О.Ю., 2016).

Нонтрониту как типичному представителю группы монтмориллонита присущи такие свойства, как адсорбционная и ионообменная способности

(Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А., 1989).

В большинстве случаев глины называют бентонитами, хотя это весьма узкое понятие. Термин «бентонит» применяют к тонкодисперсным, высоко-

пластичным, глинистым породам.

В конце XIX в. крупные залежи монтмориллонитовых глин были выяв-

лены в США в штатах Вайоминг в свите «форт Бентон», откуда и пошло наименование «бентониты», впервые примененное в 1898 г. В.К. Найтом

(Аввакумов Е. Г., 2014).

По современным представлениям под термином «бентониты» следует понимать тонкодисперсные глины, обладающие высокой связующей способ-

ностью, адсорбционной и каталитической активностью и содержащие не ме-

нее 70 % минерала группы монтмориллонита (Мерабишвили М.С., 1980; Ку-

ковский Е. Г., 1996).

26

По сообщению М.В. Эйриш и др. (1980), значительная часть базальных поверхностей бентонита доступны для сорбции органических катионов в форме полимерных ассоциатов, что характеризует его высокие сорбционные возможности. Сравнение адсорбирующей способности бентонита с универ-

сальным сорбентом силикагелем показало, что бентонит, подобно силикаге-

лю, является активным сорбентом органических соединений (Вадачкория Л.К., Гоголадзе Д.Г., 1971).

В связи с тем, что межслоевое пространство монтмориллонита может увеличиваться от нуля (в случае полностью дегидратированного состояния)

до 140А, монтмориллониты можно использовать для адсорбции не только неорганических ионов, но и различных органических соединений и биологи-

ческих молекул. Структурные особенности монтмориллонита позволяют ис-

пользовать его в качестве носителей ЛВ и систем с пролонгированным выхо-

дом. Так, были проведены исследования с использованием таких препаратов как витамины, антидепрессанты, противораковые препараты, незаменимые аминокислоты, противоаллергические и противодиабетические препараты

(Kollar T., Palinko I., Konya Z. et al., 2003; Dong Y., Feng S.S., 2005; Joshi G.V., Patel H.A., Kevadiya B.D. et al., 2009).

Объем добычи бентонитовых глин в России и странах ближнего зару-

бежья может составлять более 3 млрд. тонн (Слесарев И.К., Пилюк Н.В., 1995; Коков Т.Н., 1998; Водолажченко С.А., 2002; Староверов В.Н., Савко А.Д., 2004; Левахин Г., Дускаев Г., 2006; Солодкий Н.Ф., Шамриков А.С.,

Погребенков В.М., 2009).

Бентонитовые глины находят широкое применение при приготовлении буровых растворов для бурения скважин и переходов, как связующее в фор-

мовочных смесях, как гидроизоляционный и адсорбционный материал. Гли-

нистые минералы также используют в качестве промышленных катализато-

ров (Голубева О.Ю., 2016; Chitnis S.R., Sharma M.M., 1997; Sheldon R.A., Van Bekkum H., Herman H., 2001).

27

Природные алюмосиликаты (монтмориллонитовые глины) являются широко распространенными, экологически безвредными адсорбентами, ко-

торые характеризуются высокой поглотительной способностью, устойчиво-

стью к воздействиям окружающей среды и могут служить прекрасными но-

сителями для закрепления на поверхности различных соединений при их мо-

дифицировании (Годымчук А.Ю., Решетова А.А., 2003; Везенцев А.И., Тру-

бицин М.А., Романщак А.А., 2004).

1.2 Токсикологические характеристики природных алюмосиликатов

Многочисленные комплексные исследования, проведенные в лаборато-

риях Института питания РАМН, Института канцерогенеза ВОНЦ, Института биохимии Сибирского отделения РАМН и другими медицинскими и ветери-

нарными НИВИ, показали, что природные алюмосиликаты не обладают кан-

церогенным, мутагенным, тератогенным и эмбриотоксическим действиями,

они безвредны и экологически безопасны (Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., 1974; Шадрин A.M., Мотовилов К.Я., Михайлова Е.Г., 1986; Шадрин A.M., 2006; Семененко М.П., Антипов В.А., Матюшевский Л.А. и др., 2009).

Алюмосиликаты полностью безвредны, заражённость их микроорга-

низмами исключена (Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г.,1974; Челищев Н.Ф.,

Беренштейн Б.Г., Володин В.Ф., 1987; Семененко М.П., 2002).

В бентонитовых глинах отсутствуют ядовитые вещества – мышьяк,

висмут, ртуть, сурьма и др. (или же их наличие крайне незначительно). Они не обладают кумулятивным действием (Арутюнян Э.Ф., Аракелян Ф.Р., Ка-

малян Р.Г., 1986; Джиордано К., 1989; Коков Т.Н., 1998).

Данные об аллергизирующем, тератогенном и канцерогенном действии бентонитовых глин на организм животных и птиц в литературе отсутствуют

(Оустеркоут Л., 1970; Аракелян Ф.Р., Арутюнян Э.Ф., Бабина Э.Я., 1981; Ма-

тюшевский Л.А., 1985).

28

Случаев отравления и других побочных явлений, даже при включении бентонитов в рацион до 40 %, не зарегистрировано (Оустеркоут Л., 1970;

Аракелян Ф.Р., Камалян Р.Г., 1985; Аракелян Ф.Р., 1986; Сергеева Т.И., Ар-

гунов М.Н., Матюшевский Л.А. и др., 1997).

В ходе проведенных исследований (Беляева А.А., 2000) установлено отсутствие отрицательного влияния гидроалюмосиликатного сорбента на эритропоэз. При скармливании рационов с бентонитовыми глинами интен-

сивность газообмена и теплопродукция у животных не изменялась (Дзагуров Б.А., 1981, 1999).

Добавки бентонита не влияют отрицательно на вкусовые качества кор-

ма, аппетит, деятельность органов пищеварения и общее развитие животных

(Lambertini L., Galassi S., 1985; Lambertini L., Zaghini G., Gallasi S., 1987). При добавлении в рацион коров высоких доз бентонита, состав молока, молярная пропорция ЛЖК в рубце, уровни Са и Р в плазме крови не изменялись в от-

рицательную сторону (Fisher L.J., Mackay V.G., 1983).

Не отмечено существенного влияния добавки 2 % и более бентонита на убойные и мясные качества животных (Weiss J., 1990).

Введение в рационы откормочных свиней бентонита натрия в количе-

стве 10-20 г/голову в сутки не оказывает негативного влияния на их физиоло-

гическое состояние (Halmagean P., Carpan P., Milos N., 1986; Лумбунов С.Г.,

Сампилов Б.Ц., Дашибалов Б.Б. и др., 1991; Сергеева Т.И., Аргунов М.Н.,

Матюшевский Л.А. и др., 1997).

Однако увеличение дозы скармливания бентонитов может снизить пе-

реваримость питательных веществ (Martin L.S., Clifford A.F., 1969). Включе-

ние несушкам до 15% бентонита натрия способствовало снижению массы и окрашенности яйца, потреблению корма и яичной продуктивности (Ballay M., Horn P., Kakuk T. et al., 1984).

При этом следует учитывать, что влияние бентонитов при добавлении в кормовые рационы животных, зависит от физико-химических свойств бенто-

29

нитовых глин различных месторождений, а также от количества активных соединений, находящихся в них (Lambertini L., Gallasi S., 1985).

В исследованиях Л.А. Матюшевского (1997), W. Kemp Philip (1999),

установлено, что при гранулировании кормов с добавлением бентонита ан-

тиметаболиты и естественные токсины кормов утрачивают свои вредные свойства, благодаря прочному связыванию на основе бентонитового ком-

плекса.

Отсутствие токсических и побочных эффектов, экологическая чистота,

доступность и экономичность (Василенко В.В., 1998; Дзагуров Б.А., 1999)

обусловливают возможность их применения, как для совершенствования старых, так и для создания потенциально новых лекарственных средств.

1.3 Адсорбирующая и детоксикационная активность

природных алюмосиликатов

В числе реальных путей снижения токсической нагрузки на животных является использование в составе корма природных и синтетических сорбци-

онно-активных препаратов, обеспечивающих получение экологически чистых продуктов животноводства. В литературе имеется достаточное количество информации о влиянии минеральных веществ и препаратов на физиологиче-

ское состояние и продуктивность сельскохозяйственных животных (Петункин Н.И., Черновский A.A., 1991; Кузнецов С.Г., 1994; Шапошников A.A., 1998).

Особую перспективу имеют природные алюмосиликаты, биологическое дей-

ствие которых большинство авторов связывают с их высокими адсорбцион-

ными, ионообменными и каталитическими свойствами (Шадрин A.M., Мото-

вилов К.Я., Михайлова Е.Г., 1986; Вяйзенен Г.Н., Токарь А.И., 1997; Шадрин А.М., Синицын В.А., Миловидов Д.Д. и др., 2006; Chien-Chung С., 1991).

Вещества, чужеродные для организма животных и птицы (токсины,

микотоксины, ксенобиотики, пестициды и удобрения, соли тяжелых метал-

30