Большой гидродинамический объем высокой молекулярной массы гиалуроновой кислоты (ГК) в растворе - прежде всего результат большого размера его наименьшей единицы независимого движения (сахарного кольца), и уменьшения плотности сегментов цепи, которая требуется для всех полимеров, как функция увеличивающейся молекулярной массы. Прямое сравнение измерений цепи для ГК и синтетического полимера полиизопрена показывает, что оба у полимеров имеют похожие расширения, если рассматривать различие в размере конформаций.

Введение

Вязкое поведение ГК высокой молекулярной массы в разведенных вводно-соляных растворах интерпретировалось, как структуры укрепленной случайной катушки или червеобразной цепи. Высокие значения получены для внутренней вязкости, подразумевая большой гидродинамический объем со значительным содержанием воды в пределах молекулярной области.

Мы вновь исследуем применяемые теории для вязкости разведенных растворов полимеров, и имеющиеся данные о зависимости молекулярной массы от внутренней вязкости ГК. Мы исследуем степень, до которой поведение ГК в целом типично для полимеров вообще, и очевидно ли какое-нибудь необычное влияние загустения.

ГК, теория против эксперимента

Мы рассматриваем две простых модели для гидродинамических свойств ГК. Модель "не-свободно-высыхающего" шара основана на статистической конформации цепи полимера, для которой средний квадрат корня (среднеквадратическое значение) расстояния между концами цепи, <r2> 1/2, приблизительно равен диаметру области катушки, увеличивающемуся как М0.5 до M0.6. Объем, V, изменяется как куб того измерения, так же, как М1.5 до M1.8. Плотность сегментов цепи в пределах шара изменяется как M/V, или как М-0.5 до M-0.8. Характерный объем, Vs, является инверсией плотности, и поэтому изменяется как М0.5 до M0.8. Внутренняя вязкость, [η], может быть рассмотрена прямо пропорционально характерному объему, который является пространством, занятым единицами массы сегментов полимера. Оно главным образом заполнено растворителем, и имеет низкую плотность сегментов полимера. Вторая модель, которую мы будем использовать – это модель свободновысыхающей цепи.Здесь цепь более вытянута, и ее вязкость порождает червеобразную форму. Внутренняя вязкость изменяется как квадрат среднеквадратичного значения расстояния между концами цепи, то есть как М1.0-1.2.

Экспериментальные исследования внутренней вязкости ГК (иллюстрация 1) показывает, что короткие цепи действуют, как свободновысыхающие цепи, а длинные цепи ГК ведут себя как "не-свободно-высыхающие" шары. Молекулярная масса, при которой сосуществуют 2 типа поведения, составляет приблизительно 3.75*104. Этот размер ГК соответствует наименьшему шарообразному ГК.

Иллюстрация 1.

Экспериментальная зависимость внутренней вязкости от молекулярной массы ГК в 0.15 М растворе NaCl. Короткие цепи действуют, как свободновысыхающие цепи, а длинные цепи ГК ведут себя как "не-свободно-высыхающие" шарообразные катушки.

Используя уравнение [η] = 0.029 M0.8, описывающее поведение ГК высоких молекулярных весов, мы можем посчитать внутреннюю вязкость для некоторых молекулярных масс (таблица 1). Мы также можем определить длину контура цепи, L, как М/ML, где ML - это масса на единицу длины, приблизительно 401 нм-1. Характерный объем равен [η]/2.5, как дано из уравнения Стокса-Эйнштейна. Среднеквадратическое значение расстояния между концами цепи эквивалентно ([η]М/Ф), где Ф - константа Флора с эмпирическим значением 2.1*1023. Видимая постоянная длина, q', вычисляется из среднеквадратического значения расстояния (в первом приближении q' = <r2>/21). Видимое характеристическое отношение, С, вычисляется как <r2>/N*l2, где N - это число конформационных структур, а l - длина конформеров. Мы можем взять моносахарид как конформационный вариант структуры (l = 0.5 нм) или дисахаридный конформер (l = 1 нм). И длина постоянства, и характеристическое отношение - меры жесткости цепи, то есть её расширение. В качестве сравнения, мы можем посчитать ожидаемый диаметр цепи, при условии, что связи между конформерами свободны и не имеют помех для вращения, но зафиксированы четырехгранные углы между связями, то есть <r2>01/2 = (2Nl2)1/2.

Иллюстрация 2.

Характерный объем цепи ГК зависит от молекулярного веса. ГК с молекулярным весом 1 миллион (слева) может быть смоделирован как шар с гидродинамическим диаметром 200 нм; ГК с молекулярным весом 6 миллионов (справа) имеет гидродинамический диаметр 600 нм. Характерный объем увеличивается от 730 см3/г до 3100 см3/г.

Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что характерный объем цепи ГК высокой молекулярной массы может быть очень большим, а соответствующая плотность - очень низкой. Схематично это отображено на иллюстрации 2, где приведены шарообразные домены цепей ГК, с молекулярным весом 1 и 6 миллионов соответственно. Поскольку в естественных условиях ГК обычно имеет очень высокий молекулярный вес, и занимаемый доменом объем будет чрезвычайно большим. Другое наблюдение, состоит в том, что гидродинамический диаметр, измеренный вискозиметрически, намного больше, чем предсказанный для свободно вращающейся цепи. Это также отображено на иллюстрации 3, которая сравнивает экспериментальный гидродинамический размер с предсказанным для свободно вращающейся модели. Таким образом, существует некоторое существенное ограничение вращения, которое расширяет молекулярный домен.

 

Иллюстрация 3.

Экспериментально определенный гидродинамический диаметр (400 нм, справа) цепи ГК с молекулярным весом 3 миллиона намного больше, чем посчитанный (90 нм, слева) для цепи без конформационных возмущений, с неподвижными четырехгранными углами связей между мономерами, но со свободным вращением вокруг связей.

Значения видимой постоянной длины и видимого характеристического отношения, представленные в таблице 1, увеличиваются с ростом молекулярного веса. Это происходит потому, что цепи ГК имеют существенный исключенный вклад объема. Таким образом <r2> зависит от М1.2, так что q' и С зависят от М0.2. Нет никакой необходимости учитывать исключенный вклад объема для ГК с низким молекулярным весом, то есть ГК с М 3.75*104, который едва может сформировать гидродинамический шар, дает истинное или характерное значение этих параметров. Параметры, характеризующие наименьший шарообразный ГК, представлены на иллюстрации 4. Поскольку длина связана с гидродинамическим диаметром постоянным параметром 3.2 (очень близко к значению числа π), то ГК может быть выгодно быть свернутым в цикл. Требуется примерно 20 постоянных длин, чтобы сформировать цикл. Цикл (круг), конечно, всего лишь временное конформационное состояние. Расстояние между концами цепи изменяется от нуля, как показано у цикла, до L. Его среднее значение времени таково, что приблизительный гидродинамический диаметр такой же, как диаметр показанного круга.

Иллюстрация 4.

Наименьшая цепь ГК может вести себя гидродинамически как шар с молекулярным весом 3.75*104. Его длина цепи вполне достаточна, чтобы сформировать цикл с гидродинамическим диаметром.

Подпись: (М approx 37500; L = 94 нм; [η] = 132 см3/г; <r2>1/2 = 29 нм; L/D = 3.2 (близко к π); q = 4.5 нм; L/q = 21).

В качестве сравнения с ГК, мы рассмотрели гидродинамические свойства синтетического полимера полиизопрена. Размер конформационной единицы у полиизопрена - единственный углерод в полимерной основе. Полиизопрен с молекулярным весом 1 миллион имеет гидродинамический диаметр 114 нм, по сравнению с предсказанным на основе модели свободно вращающейся цепи диаметром в 38 нм. Фактор расширения похож на уже увиденный нами для ГК с молекулярным весом в 1 миллион (206 нм экспериментальный против 71 нм, используя дисахаридный конформер). Наименьший шар полиизопрена имеет 20 длин постоянства по 0.42 нм, которые 3.8 раз формируют длину коформационной структуры, против 4.5 дисахаридных конформеров на длину постоянства в ГК. Характерное отношение составляет 8 для полиизопрена, против 9 у ГК, используя дисахарид как размер конформера. Таким образом, расширение ГК подобно таковому для полиизопрена, если принять во внимание огромное различие конформеров в размере. Постулируя просто, ГК имеет высокое расширение потому, что наименьшая независимо подвижная единица - сахарное кольцо, потому, что есть ограниченное вращение вокруг гликозидных связей и потому, что длина цепи настолько велика, что низкая плотность областей катушки диктуется статистическими рассмотрениями.