Влияние водородных связей на кинетику кристаллизации водных растворов криопротекторных веществ

Abstract

В работе изучены температурные зависимости объема водных растворов ДМСО и глицерина разных концентраций в процессе их охлаждения до –150°С и последующего отогрева до 25°С. Показано, что в диапазоне весовых концентраций криопротекторных веществ 30–70% данные зависимости существенно отличаются на этапах охлаждения и последующего отогрева. Установлено, что в исследуемом интервале концентраций происходит резкое увеличение объема растворов глицерина при их нагреве выше температуры стеклования и, наоборот, резкое уменьшение объема отогреваемых растворов ДМСО. Отмечено, что наблюдаемые объемные эффекты хорошо укладываются в рамки представлений о кластерной кристаллизации криопротекторных растворов, учитывающих слабое HB-взаимодействие между компонентами. На основе полученных результатов проведен анализ структуры образующихся кластерных частиц. Показано, что поверхностные слои из молекул криопротекторного вещества, окружающие микрокристаллы льда, могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Рассмотрено влияние этих различий на защитные свойства криопротекторов.

У роботі вивчено залежності об'єму водних розчинів ДМСО та гліцерину різних концентрацій у процесі їх охолодження до –150°С і подальшого відігрівання до 25°С. Показано, що в діапазоні вагових концентрацій кріопротекторних речовин 30–70% вказані залежності істотно відрізняються на етапах охолодження і подальшого відігрівання. Встановлено, що в досліджуваному інтервалі концентрацій відбувається різке збільшення об'єму розчинів гліцерину при їх нагріванні вище температури склування і, навпаки, різке зменшення об'єму розчинів ДМСО. Відзначено, що ці об'ємні ефекти добре вкладаються в рамки уявлень про кластерну кристалізацію кріопротекторних розчинів, які враховують слабку HB-взаємодію між компонентами. На основі отриманих результатів проведено аналіз структури кластерних часток, які утворюються. Показано, що поверхневі шари з молекул кріопротекторної речовини, які оточують мікрокристали льоду, можуть мати як кристалічну, так й аморфну структуру. Розглянуто вплив цих відмінностей на захисні властивості кріопротекторів.

The temperature dependences of volume for aqueous solutions of DMSO and glycerol under various concentrations during their cooling down to –150°C and subsequent heating up to 25°C were studied in details in this paper. It was shown that within the range of 30–70% weight concentrations of cryoprotective substances these dependences differed greatly at cooling stages and during subsequent thawing. It has been also found that within the studied concentration range there was a sharp increase in volume for glycerol solutions when heated above the glass transition temperature, and vice versa, a sharp reduction in DMSO solution volume. It has been noted that the observed volume effects fit well within the concept of cluster crystallization of cryoprotective solutions, taking into account a weak HB-interaction between the components. On the basis of the findings the structure of the formed cluster particles was analyzed. It has been shown that the surface layers from the molecules of cryoprotective agent surrounding ice microcrystals can be of either crystalline or amorphous structure. The effect of these differences on protective properties of cryoprotectants was examined.