Введение
Квартерный аммониевый поверхностно-активный агент и антисептическое средство.
Бромид цетримония, также известный под аббревиатурой CTAB, является квартерным аммониевым поверхностно-активным агентом с конденсированной структурной формулой [(C16H33)N(CH3)3]Br. Он является одним из компонентов местного антисептика цетримида. Катион цетримония (гексадецилтриметиламмония) является эффективным антисептическим средством против бактерий и грибков. Он также является одним из основных компонентов некоторых буферов для выделения ДНК. Широко используется в синтезе наночастиц золота (например, сфер, стержней, бипирамид), мезопористых наночастиц кремнезема (например, MCM 41) и средств для кондиционирования волос. Близкородственные соединения хлорид цетримония и стеарат цетримония также используются в качестве местных антисептиков и могут содержаться во многих бытовых продуктах, таких как шампуни и косметика. CTAB, из-за его относительно высокой стоимости, обычно используется только в специализированной косметике. Как и большинство поверхностно-активных веществ, CTAB образует мицеллы в водных растворах. При 303 К (30 °C) он образует мицеллы с числом агрегации 75–120 (в зависимости от метода определения; в среднем ~95) и степенью ионизации α = 0,2–0,1 (фракционный заряд; от низкой до высокой концентрации). Константа связывания (K°) контриона Br− с мицеллой CTA+ при 303 K (30 °C) составляет приблизительно 400 M⁻¹. Это значение рассчитано на основе измерений с использованием селективных электродов для ионов Br− и CTA+ и данных кондуктометрии, с применением литературных данных о размере мицеллы (r = ~3 нм), экстраполированных до критической концентрации мицелл 1 мМ. Однако K° изменяется в зависимости от общей концентрации поверхностно-активного вещества, поэтому экстраполируется до точки, в которой концентрация мицелл равна нулю.
Биологические
Лизис клеток – удобный метод для выделения определенных макромолекул, которые преимущественно находятся внутри клетки. Клеточные мембраны состоят из гидрофильных и липофильных концевых групп. Поэтому для растворения этих мембран часто используют детергенты, поскольку они взаимодействуют как с полярными, так и с неполярными концевыми группами. CTAB стал предпочтительным выбором для биологических применений, так как он сохраняет целостность осажденной ДНК в процессе ее выделения. Клетки обычно содержат высокие концентрации макромолекул, таких как гликопротеины и полисахариды, которые соосаждаются с ДНК во время экстракции, что приводит к снижению чистоты выделенной ДНК. Положительный заряд молекулы CTAB позволяет денатурировать эти молекулы, которые мешают выделению.
Медицинская
Было показано, что CTAB обладает потенциалом в качестве противоракового средства, стимулирующего апоптоз, при раке головы и шеи (HNC). In vitro CTAB проявлял аддитивный эффект во взаимодействии с гамма-излучением и цисплатином – двумя стандартными препаратами для терапии HNC. CTAB демонстрировал противораковую цитотоксичность в отношении нескольких клеточных линий HNC, оказывая минимальное воздействие на нормальные фибробласты, что является селективностью, использующей специфические метаболические нарушения, характерные для рака. In vivo CTAB подавлял способность клеток FaDu к формированию опухолей и замедлял рост уже существующих опухолей. Таким образом, с помощью данного подхода CTAB был идентифицирован как потенциальное апоптогенное четвертичное аммониевое соединение, обладающее эффективностью in vitro и in vivo в моделях HNC. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) также рекомендует CTAB в качестве очищающего агента на этапе последующей обработки полисахаридных вакцин.
Электрофорез белков
Гликопротеины образуют широкие, размытые полосы в SDS-PAGE (электрофорез Лаеммли) из-за широкого диапазона отрицательных зарядов. Использование положительно заряженных детергентов, таких как CTAB, поможет избежать проблем, связанных с гликопротеинами. Белки можно переносить из гелей CTAB аналогично вестерн-блотам ("истерн-блоту"), а высокогидрофобный белок, связанный с миелином, можно анализировать с помощью CTAB 2D-электрофореза.
Экстракция ДНК
CTAB является важным поверхностно-активным веществом в буферной системе для выделения ДНК, способствующим удалению мембранных липидов и лизису клеток. Разделение также эффективно, когда ткань содержит большое количество полисахаридов. Поверхностно-активные вещества также помогают предотвратить агрегацию (например, посредством механизмов ДЛВО).
Синтез наночастиц
Наночастицы золота (Au) представляют интерес для исследователей благодаря своим уникальным свойствам, которые могут быть использованы в таких областях, как катализ, оптика, электроника, сенсорика и медицина. Контроль размера и формы наночастиц важен для настройки их свойств. CTAB является широко используемым реагентом, обеспечивающим стабильность этих наночастиц и контролирующим их морфологию. CTAB может играть роль в управлении размером и формой наночастиц, селективно или более прочно связываясь с различными формирующимися гранями кристаллов. Часть этого контроля обусловлена реакцией CTAB с другими реагентами в процессе синтеза наночастиц золота. Например, при синтезе наночастиц золота в водной среде хлорауратная кислота (HAuCl4) может реагировать с CTAB, образуя ионную пару CTA+ AuCl. Затем эта ионная пара реагирует с аскорбиновой кислотой с образованием соляной кислоты, радикала аскорбиновой кислоты и CTA AuCl3. Радикал аскорбиновой кислоты и CTA AuCl3 спонтанно реагируют, образуя металлические наночастицы Au0 и другие побочные продукты. Альтернативной или одновременной реакцией является замещение Cl− на Br− вокруг центра Au(III). Как комплексообразование с катионом аммония, так и специирование предшественника Au(III) влияют на кинетику реакции образования наночастиц и, следовательно, на размер, форму и распределение полученных частиц. Однако CTA+ AuCl не следует называть комплексом, поскольку электростатическое взаимодействие кватернарного аммониевого катиона с AuCl в лучшем случае приводит к образованию ионной пары. CTA+ не содержит донорных центров, способных образовывать координационный комплекс с металлическими центрами Au(III).
Мезопористые материалы
CTAB был использован в качестве шаблона для первого сообщения об упорядоченных мезопористых материалах. Микропористые и мезопористые неорганические твердые вещества (с диаметрами пор ≤20 Å и ~20–500 Å соответственно) нашли широкое применение в качестве катализаторов и сорбционных сред благодаря их большой удельной поверхности. Типичными микропористыми материалами являются кристаллические каркасные структуры, такие как цеолиты, но даже наибольшие размеры пор все еще меньше 2 нм, что существенно ограничивает их применение. Примеры мезопористых твердых тел включают в себя кремнеземы и модифицированные слоистые материалы, однако они, как правило, аморфны или паракристаллические, с порами, расположенными нерегулярно и широко варьирующимися по размеру. Существует потребность в получении высокоупорядоченных мезопористых материалов с хорошей мезомасштабной кристалличностью. Было сообщено о синтезе мезопористых твердых тел путем кальцинирования алюмосиликатных гелей в присутствии поверхностно-активных веществ. Материал обладает регулярными рядами однородных каналов, размеры которых можно регулировать (в диапазоне от 16 Å до >100 Å) путем выбора поверхностно-активного вещества, вспомогательных химических веществ и условий реакции. Предполагалось, что формирование этих материалов происходит посредством механизма «шаблонирования» жидкими кристаллами, в котором силикатный материал формирует неорганические стенки между упорядоченными мицеллами поверхностно-активного вещества. CTAB формировал мицеллы в растворе, которые затем образовали двухмерную гексагональную мезоструктуру. Прекурсор кремния начал гидролизоваться между мицеллами и в конечном итоге заполнил пространство диоксидом кремния. Шаблон можно было удалить путем кальцинирования, оставив после себя пористую структуру. Эти поры точно воспроизводили структуру мезомасштабного мягкого шаблона, что привело к получению высокоупорядоченных мезопористых материалов на основе кремнезема.
Токсичность
CTAB применяется в различных областях, от синтеза наночастиц до косметики. Ввиду его использования в продуктах для человека, а также в других областях, важно знать об опасностях, связанных с этим веществом. Компания Santa Cruz Biotechnology, Inc. предоставляет полную Паспорт безопасности (MSDS) для CTAB, к которой следует обращаться при возникновении дополнительных вопросов или опасений. Исследования на животных показали, что проглатывание менее 150 г вещества может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья или даже к смерти, вызванной химическими ожогами пищевода и желудочно-кишечного тракта, сопровождающимися тошнотой и рвотой. Также были проведены тесты на токсичность для водных организмов, включая рыбок зебра (Brachydanio rerio) и дафний (Daphnia magna). У рыбок зебра наблюдалась токсичность CTAB при воздействии 0,3 мг/л в течение 96 часов, а у дафний – при воздействии 0,03 мг/л в течение 48 часов. CTAB, наряду с другими четвертичными аммониевыми солями, часто используется в косметике в концентрациях до 10%. Косметические средства с такой концентрацией должны использоваться только как смываемые средства, например, шампуни. Другие косметические средства считаются безопасными только при концентрациях 0,25% и ниже. Инъекции в брюшную полость беременных мышей показали эмбриотоксическое и тератогенное действие. Тератогенный эффект наблюдался при дозах 10 мг/кг, в то время как оба эффекта проявлялись при дозах 35 мг/кг. Пероральные дозы 50 мг/кг/день также вызывали эмбриотоксическое действие. Дополнительные тесты на токсичность проводились с использованием инкубированных клеток человеческой кожи – кератиноцитов HaCaT. Эти клетки инкубировались с золотыми наностержнями, синтезированными методом последовательного зародышеобразования и роста наночастиц золота с использованием поверхностно-активного вещества. Наночастицы золота сами по себе не токсичны, однако после прохождения через растворы для роста вновь образованные наностержни становятся высокотоксичными. Это значительное увеличение токсичности связано с использованием CTAB в растворах для роста, обеспечивающим анизотропный рост. Эксперименты также показали, что токсичность CTAB в чистом виде и синтезированных золотых наностержней эквивалентна. Тесты на токсичность показали, что CTAB остается токсичным при концентрациях до 10 мкМ. В человеческих клетках CTAB не проявляет токсичности при концентрациях менее 1 мкМ. Без использования CTAB в данном синтезе золотые наностержни нестабильны: они распадаются на наночастицы или агрегируют.