6. Медико-биологическое значение адсорбции

Адсорбция газов и паров сопровождает многие природные процессы. Питание растений диоксидом углерода из воздуха связано с предварительной и обязательной стадией адсорбции газа на листьях. Дыхание животных и человека, заключающееся в поглощении из воздуха кислорода и выделении диоксида углерода и водяных паров, протекает в результате предварительной адсорбции кислорода на поверхности легких.

Процесс адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах широко используется для очистки воздуха от отравляющих веществ с помощью противогаза, который впервые предложил Н.Д. Зелинский.

С использованием твердых адсорбентов осуществляется регенерация воздуха в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические корабли и др).

З елинский Николай Дмитриевич (1861 —1953), российский химик-органик, автор фундаментальных открытий в области синтеза углеводородов, органического катализа, каталитического крекинга нефти, гидролиза белков и противохимической защиты.

Зелинский родился в дворянской семье. Интерес к химии появился у него очень рано, в 10 лет он уже проводил химические опыты. Переломным моментом в выборе жизненного пути было знакомство Зелинского с И. М. Сеченовым, который в середине 1870-х годов читал публичные лекции в Большой химической аудитории Новороссийского (Одесского) университета. В 1880 Зелинский поступил на естественно-историческое отделение физико-математического факультета Новороссийского университета. В стенах этого университета работали крупнейшие российские ученые: И. М. Сеченов, И. И. Мечников, Н. Н. Соколов, Н. А. Умов, П. Г. Меликишвили, А. О. Ковалевский, А. А. Вериго и др. С первого курса Зелинский решил посвятить себя органической химии. Под руководством профессора П. Г. Меликишвили он выполнил свою первую научную работу, которая была опубликована в мае 1884 в «Журнале физико-химического общества». В 1884 Зелинский окончил университет и был оставлен на кафедре химии.

В годы первой мировой войны ученый активно проводил исследования в области каталитического крекинга и пиролиза нефти, которые способствовали заметному повышению выхода толуола – сырья для получения тринитротолуола (тротила, тола). Это исследование имело первостепенное значение для оборонной промышленности. Зелинский впервые предложил в качестве катализаторов для дегидрогенизации углеводородов нефти использовать доступные алюмосиликаты и окисные катализаторы, которые используются и в наше время. В Петербурге Зелинский разработал средство защиты от боевых отравляющих веществ – угольный противогаз.

22 апреля 1915 в районе Ипра на стыке французского и британского фронтов немцы осуществили первую газобалонную химическую атаку. В результате из 12 тысяч солдат в живых осталось только 2 тысячи. 31 мая подобную атаку повторили на русско-германском фронте под Варшавой. Потери среди солдат были огромны. Зелинский поставил задачу отыскать надежное средство защиты от отравляющих газов. Понимая, что для универсального противогаза нужен универсальный поглотитель, для которого был бы совершенно безразличен характер газа, Зелинский пришел к идее использовать обыкновенный древесный уголь. Он вместе с В. С. Садиковым разработал способ активирования угля путем прокаливания, что значительно увеличило его поглотительную способность. В конце 1915 инженер Э. Л. Куммант предложил использовать в конструкции противогаза резиновый шлем. К середине 1916 было налажено массовое производство противогазов Зелинского-Кумманта. Всего за годы первой мировой войны в действующую армию было направлено более 11 миллионов противогазов, что спасло жизнь миллионам русских солдат.

За огромный вклад в развитие химической науки Зелинский был избран почетным членом Московского общества испытателей природы (1921), награжден Государственными премиями СССР. В 1945 Зелинский был удостоен звания Героя Социалистического Труда. Его именем назван Институт органической химии в Москве.

Твердые адсорбенты широко используются для осушки газов и регенерации летучих органических растворителей, применяемых в различных технологических процессах. Газовая хроматография на основе твердых адсорбентов широко используется для качественного и количественного определения веществ в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны.

Ионообменная адсорбция используется в медико-санитарной практике для очистки воды, для консервирования крови (удаление катионов Са²⁺), беззондовой диагностике кислотности желудочного сока, для дезинтоксикации организма при различных отравлениях. Ткани растений и животных обладают ионообменными свойствами. Катионобменные свойства биосубстратов определяются наличием карбоксильных и фосфатных групп, а анионобменные - аминогруппами белков.

С поверхностной активностью целого ряда веществ связана их физиологическая и фармакологическая активность. Именно адсорбция биологически активных веществ на границе раздела клеток и внутриклеточных поверхностях обуславливает течение процессов обмена веществ, основной механизм работы иммунной системы, ферментативного катализа и фармакологическое действие некоторых лекарственных веществ, например, анестетиков и анальгетиков. Одной из теорий установлено, что анестезирующий эффект зависит от количества адсорбированных рецепторами клеток молекул анестетиков, что, в свою очередь, зависит от их поверхностной активности. По данным о понижении поверхностного натяжения модельного раствора, содержащего тот или иной лекарственный препарат, возможно прогнозирование анестезирующего действия.

В порядке возрастания поверхностной активности лекарственные препараты располагают в ряды:

• анестетики – новокаин, кокаин, совакаин, оксикаин;

• наркотические анальгетики – лидол, морфин, промедол, эстоцин.

Коэффициент корреляции между фармакологическим действием и поверхностной активностью близок к единице.

В соответствии с теорией П. Полинга, А. В. Николаева, И. И. Яковлева некоторые вещества (диэтиловый эфир, хлороформ, фторотан, закись азота), попадая в клетки головного мозга, гидратируются за счет молекул воды из гидратных оболочек белков клеточных мембран, уменьшая их гидрофильность. При этом нарушается ионная проводимость мембраны, что приводит к потере чувствительности клеток мозга к нервным импульсам от болевых точек, т.е. к обезболиванию.

Поверхностно-активные вещества в ряде случаев добавляются в лекарственные препараты для улучшения всасывания лекарственных веществ. Например, препарат "Конферон" содержит в капсулах сульфат железа(II) и диоктилсульфосукцинат натрия – ПАВ, способствующий всасыванию ионов железа и повышению их терапевтической активности.

Поверхностно-активные вещества применяются в медицине в качестве бактерицидных и дезинфицирующих средств (например, препараты для обработки операционного поля и рук медперсонала: церигель, дегмицид, хлоргексидин, роккал).

Моделирование естественных механизмов детоксикации в различных сорбционных устройствах с использованием углеродных сорбентов, иммуносорбентов, ионообменных смол, применяется для гемосорбции и лимфосорбции. Она используется для удаления из крови и лимфы различных токсических веществ, вирусов, бактерий.

При контакте крови с гемосорбентом наблюдается конкуренция за активные центры между веществами, подлежащими удалению, и веществами, наличие которых обеспечивает жизненно необходимые функции. Использование неспецифичных сорбентов делает процедуру гемосорбции практически неуправляемой, так как при этом удаляются и токсиканты, и вещества, находящиеся в плазме в норме. Прогресс в этом методе лечения в настоящее время связан с созданием высокоспецифичных сорбентов на конкретные метаболиты, ионы, токсины.

Другой важной проблемой гемосорбции является создание сорбентов, совместимых с кровью (гемосовместимых сорбентов). Контакт гемосорбентов с кровью составляет примерно 4–5 часов; этого времени достаточно, чтобы при использовании гемонесовместимых сорбентов началось разрушение эритроцитов, лейкоцитов, образование тромбов. Получение совместимых с кровью сорбентов (табл. 2) основано на модификации чужеродной для организма поверхности белками и антикоагулянтами. Фиксирование модификаторов осуществляется таким образом, чтобы максимально сохранялось количество их активных поверхностных групп. В некоторых случаях для получения гемосовместимых сорбентов используется заключение гранул сорбента в капсулы, изготовленные из синтетических или природных биологически совместимых материалов: альбуминов, нитроацетилцеллюлозы и др.

Таблица 2