助水溶剂提高氢水氢气溶解性溶解度的设想

最近《科学》杂志报道一篇论文,发现ATP这种传统的细胞能量单元有一种新功能,就是一种天然的细胞助水溶剂,能帮助高浓度蛋白质在细胞内呈现溶解状态,帮助在半固体状态下高浓度生物大分子实现生理功能,这一发现对理解基本的细胞学功能十分重要,也对解释某些疾病状态提供了新的视角。

作为氢医学研究者,我从这个研究中看到一个新的研究角度。我们知道,氢水是一种理想的补充氢气的工具,但是也存在一个非常难以克服的困难,就是氢气的溶解度非常低,如何提高氢气在水中稳定溶解的方法就成为这个领域的一个重要问题。增加气体溶解的方法,主要有增加颗粒物、纳米气泡、增加气体分压等方法。其实还有一种方法就是增加水和气体的互溶性,或者增加气体溶解度的介质。也就是我们今天给大家介绍的方法。

我们最早想到并使用的一个方法是增加水中固体颗粒物利用大分子颗粒物表面吸附微小气泡的特点来实现增加水中气体溶解的目的,例如可用微量右旋糖苷或纳米活性炭等中性颗粒物。但加入颗粒物的方法不适合普通饮用水和医用注射液。另外一种更好的方法是利用纳米气泡技术,因为纳米气泡不仅有非常高的气体聚合能力,更重要的是能在水中保持非常长的时间。

这两种方法虽然都非常有效,能明显增加水中气体的容存时间和数量,但本质上都没有增加气体在水中的溶解度,而是在水中增加了一些微小气泡。助水溶剂的手段则可以成为另一提高气体溶解度的手段,因为氢气所以在水中难溶解,一个重要原因是氢气没有极性,这种分子更容易和没有极性的物质结合,助水溶剂就是增加非水溶性分子在水中的溶解度,当然最终选择ATP还是选择其他化合物,关键的是不仅要考虑助溶效果,也要考虑这种化合物的人体安全性,最好绝对无毒,至少在一般使用剂量上没有毒性,才可以放心使用。否则就会导致氢气巨大安全性的特征就失去意义。

有没有增加气体水溶解度的方法,当然有,最根本的方法就是有效提高气体分压,但提高分压会增加操作复杂性,也有一定线制

1916年Neuberg首次报道一类具有两亲结构hydrotrope型化合物。这种化合物能够大幅度提高某些难溶于水的有机化合物在水中的溶解度,表现出很显著的增溶作用。根据 hydrotrope型化合物自身特殊的性质,把hydrotrope中译为助水溶剂。近年来由于其独特性质和广泛应用前景引起越来越多关注,除增溶作用外,助水溶剂型化合物还可和一些两亲化合物复合,协同产生不同功能,用于囊泡制备、选择性分离提纯、提高化学反应速率或者作为微乳液的稳定剂、药物制造等方面。这类化合物分子结构类似于表面活性剂,在水溶液中的浓度超过某一特定值后,通过分子间非共价键相互作用发生缔合形成聚集体,由分子疏水部分组成具有非极性的微区。不过这类化合物与表面活性剂不同,因为疏水作用比表面活性剂低,不能形成表面活性剂胶束那样确定结构的聚集体,一般认为,这种化合物在水溶液中缔合作用是一个逐步形成分子聚集体的过程,通过疏水缔合作用形成二聚体、三聚体,再进一步缔合形成较大堆砌状或开放式层状结构聚集体。

目前一般常用的助水溶剂型化合物是一些含有中性亲水基团或离子的短烷基链、脂肪环或芳环类化合物,如水杨酸钠、儿茶酚、烷基苯磺酸钠、烷基羧酸盐等。但这些普通的助水溶剂具有一些固有的结构缺陷,限制了它们大量的实际应用,如它们用于改善药物水溶性因用量大和自身又容易被人体吸收引起致毒反应。同时助水溶剂对客体疏水分子的增溶作用常常具有较大的选择性。

无论哪种方法,都是在解决具体问题中使用,任何方法也分别存在缺陷。从生物医学和安全性角度考虑,纳米气泡技术是最可行最合理的增溶技术。目前也被用于包装氢水制作和小型氢水机设备,非常值得骄傲的是,中国的企业如北京活力氢源和上海纳诺巴伯等在氢纳米气泡技术应用方面走在国际前列。

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