Коллоидная химия

Глава III. Физико-химия поверхностных явлений

Коллоидная химия – это наука, изучающая свойства гетерогенных высокодисперсеых систем и протекающих в них процессов.

Первые работы по коллоидной химии были проведены итальянским ученым Ф. Сельми в 1845 году. Затем К. Нэгели вводит понятие «мицелла» и, чтобы отличить системы, содержащие мицеллы, от растворов, в которых растворенное вещество находится в виде отдельных молекул, К.Негели назвал мицеллосодержащие системы «золями». Затем в 1857 г. М. Фарадей изучил оптические свойства золей золота. Украинский ученый Г.И. Борщов одним из первых предсказал большую роль, которую может сыграть изучение коллоидных систем в развитии биологии и медицины.

Коллоидная химия как наука возникла в 1861 г., когда было проведено систематическое изучение коллоидных систем английским ученым Т. Грэмом. Он установил критерий, характеризующий принадлежность веществ к коллоидам. С помощью ультрамикроскопа удалось вычислить размеры частиц в золях и проверить теорию броуновского движения, разработанную А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905–1906 гг. Исследования, проведенные Р. Зигмонди, Ж. Перреном, Т. Сведбергом, показали, что на свойства коллоидных систем влияют размеры частиц распределенного в них вещества. Этого же мнения придерживались русский ученый П.П. Веймарн и немецкий ученый В. Оствальд, но они ошибочно полагали, что при изучении коллоидных систем надо исходить только из одного признака – размеров частиц. Несостоятельность их взглядов была вскрыта Н.П. Песковым, который показал, что свойства коллоидных систем зависят не только от размеров частиц, но в гораздо большей мере – от наличия поверхностей раздела. П. Песков отделил понятие кинетической устойчивости, обусловленной скоростью оседания частиц (зависящей от их размеров), от устойчивости частиц к взаимному слипанию, которую он назвал агрегативной устойчивостью. Изучение явлений, связанных с агрегативной устойчивостью, П. Песков считал важнейшим направлением коллоидной химии. Далее, начало развиваться учение об адсорбции (М.С. Цвет, Б.А. Шишковский, И. Ленгмюр, Г. Фрейндлих, Н.А. Шилов и др.). Большой вклад в развитие коллоидной химии внесли российские ученые П.А. Ребиндер, В.А. Каргин, Б.В. Дерягин, А.И. Русанов, узбекский академик К.С. Ахмедов и др. Э. Фервейем и Я. Овербеком в 1937 г. была разработана и в дальнейшем усовершенствована теория устойчивости коллоидных систем. Понимание роли вандерваальсовых сил в коллоидных системах дано Е.М. Лифшицем в 1956 г.

Важной проблемой современной коллоидной химии является широкое применение адсорбции для получения особо чистых веществ (в частности, лекарственных препаратов), для очистки окружающей среды (например, из подводных лодок и космических кораблей вредные газы выводят с помощью специальных поглотителей). Одно из новых направлений коллоидной химии – это гемосорбция. Она помогает выводить из крови больных те лекарства, которые выполнили свою функцию и дальнейшее пребывание которых в организме нежелательно.

В медицине широко применяют различные методы очистки коллоидных растворов – биологических жидкостей. Например, для определения не связанного с белками, т.е. свободного, сахара в сыворотке крови проводят ее диализ против изотонического солевого раствора, содержащего различные концентрации сахара. В том растворе, где концентрация сахара равна концентрации свободного сахара в сыворотке крови, в ходе диализа концентрация сахара не изменяется. Этот метод позволил выявить в крови присутствие глюкозы и мочевины в свободном состоянии.

Немаловажную роль в медицине играют такие явления как электрофорез, явление привыкания, коллоидная защита. Будущий врач должен иметь представление об этих явлениях, знать их механизм и действие в организме.

Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы. Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды. Можно смело сказать, что человек – это ходячий коллоид, а все органы и системы организма – дисперсная система в их связи с поверхностными явлениями.

Очень интересна и перспективна в фармакологии идея практического использования липосом для лечения ряда заболеваний. Эта идея основана на достижениях в изучении коллоидных свойств веществ, в частности билипидных слоев.

На основе твердых коллоидов можно создавать защитные оболочки из белковых тел. Таким способом в капсуле наночастиц удалось бы с потоком крови доставить нерастворимые в крови лекарства к месту действия. Особенно полезными были бы такие нанокапсулы, которые благодаря дополнительному помещению в них какого-нибудь антитела были бы адресными и целенаправленно могли посылаться к определенному типу клеток. При такой форме применения лекарственное средство действует только в очаге заболевания, так что достаточно лишь незначительной дозы препарата. Кроме того, такие наночастицы так малы, что могут проходить через большинство барьеров, например через стенки кишечника.

Коллоиды в медицине способны на большее. Например, в эндоскопии покрывают кабель-зонд из стекловолокна коллоидным гелем. Гель то разбухает, то снова сжимается, когда накладывается переменное напряжение. В результате кабель продвигается вперед. Сейчас в Японии проводят опыты по внедрению таких искусственных роботов – «дождевых червей» в хирургию минимального вмешательства в организм. Большим преимуществом метода является то, что не нужно с усилием проталкивать эндоскоп через сосуды, он сам себе прокладывает путь.

При патологических изменениях в организме в коллоидном состоянии находятся белки отечной жидкости (транссудаты) или белки в воспалительных экссудатах. Нарушение коллоидных свойств указанных сред организма приводят в крови к образованию тромбов, и как следствие развитие инсультов и инфарктов. В желчи и моче при этом образуются камни, в суставной ткани – выпадение солей мочевой кислоты (подагра). Таким образом, коллоидные системы суть и основа химического состояния всех веществ, из которых построены клетки, ткани и органы организма человека. Этим и обусловлено многообразие функций, которые обеспечивают в организме коллоидные системы.

Коллоидная химия поможет нам создать предпосылки для получения новых лекарственных препаратов – золей, мазей, суспензий, а также соединений, применяемых в качестве кровезаменителей, стабилизаторов, эмульсий, основы для мазей, оболочки для таблеток и т.д.