Supporting materials
Zestawy zadań 1-3 (w jednym pliku Word)
Download
Download this article as a PDF
Tłumaczenie Małgorzata Szmigielska. Zagadnienie polimerów często ogranicza się do tematów omawianych na lekcjach chemii. Projekt ESTABLISH przedstawia kilka praktycznych ćwiczeń, których celem jest zbadanie tych substancji oraz poznanie ich zastosowania w medycynie.
Polimerów używamy każdego dnia, na przykład pod postacią plastiku, farb, lakierów i papieru oraz w produktach takich jak pieluchy i szampony. Polimery są zbudowane z wielkich cząsteczek składających się z wielokrotnie powtórzonych jednostek.
Niniejsze ćwiczenia, poprzez praktyczne zastosowania mają za zadanie pomóc uczniom zrozumieć związek między makroskopowym, dającym się zobaczyć, światem surowców i tworzyw a mikroskopowym światem cząstek (atomów i cząsteczek), których nie jesteśmy w stanie zobaczyć. Ćwiczenia czerpią z podejścia metodycznego polegającego na nauczaniu przez odkrywanie – promowaniu postawy badawczej uczniów i angażowaniu ich w samodzielne poszukiwania. Zgodnie z tym podejściem, zachęca się uczniów do formułowania własnych pomysłów w oparciu o spostrzeżenia zgromadzone w czasie praktycznych zajęć, a następnie do testowania tych pomysłów w nowych kontekstach.
W pierwszym ćwiczeniu, uczniowie w wieku 13-15 lat badają dyfuzję płynów przez różnego rodzaju membrany polimerowe(Zestaw zadań nr 1). Następnie zastanawiają się nad zastosowaniem membran polimerowych w medycynie: w jaki sposób pracują nerki i jak ich funkcje może zastąpić dializator (Zestaw zadań nr 2). W szczególności uczniowie powinni zrozumieć, dlaczego niektóre cząsteczki są usuwane z krwi podczas dializy, a inne nie. Ich zadaniem jest także przewidzieć, co by się stało, gdyby płynem używanym do dializy była woda. Docelowo, ćwiczenie ma doprowadzić uczniów do zrozumienia zjawiska osmozy.
W drugim ćwiczeniu, uczniowie w wieku 15-17 lat tworzą membrany z polichlorku winylu (PCW) i badają ich właściwości fizyczne i chemiczne. Następnie tworzą i testują antybakteryjną membranę PCW (Zestaw zadań nr 3). W wersji rozszerzonej ćwiczenia, uczniowie mogą przeprowadzić badanie membran zrobionych z dodatkiem różnych środków zmiękczających (plastyfikatorów) albo ustalić właściwości antybakteryjne membran zawierających różne metale lub różne ilości metali.
Wszystkie trzy zestawy zadań można pobrać w formacie Word lub PDF ze strony Science in Schoolw8.
W tym ćwiczeniu, uwaga uczniów skierowana jest na zagadnienie niewidocznego dla ludzkiego oka świata atomów i cząsteczek. W toku ćwiczenia, uczniowie zrozumieją na czym polega cząsteczkowa natura substancji. Ćwiczenie to może być wykorzystane w celu pokazania uczniom zarówno samego istnienia cząsteczek, jak też tego, że mają one różne wielkości. Uczniowie badają dyfuzję cząsteczek przez różne rodzaje membran. Następnie zdobytą wiedzę odnoszą do tematu nerek i dializyw1.
Przykład użycia sitka w celu rozdzielenia mieszanin i konieczność użycia sitka z otworami o odpowiedniej wielkości, będą znane uczniom z życia. W celu zaprezentowania uczniom funkcji plastikowej membrany, nauczyciel może posłużyć się przykładem folii spożywczej. Następnie, uczniowie mogą przeprowadzić opisane niżej badanie z użyciem różnych membran. Nauczyciel powinien zachęcić uczniów do tego, aby wspólnie omówili wyniki badania i spróbowali je wyjaśnić. Jeśli to konieczne, powinien skierować ich uwagę na istnienie cząsteczek o różnych masach i istnienie membran z otworami o różnej wielkości.
Pomysł polega na tym, żeby użyć różnego rodzaju membran, np. tanich torebek foliowych, folii spożywczych, torebek do pakowania żywności, w celu zbadania przejścia przez nie cząsteczek jodu. Uczniowie powinni przygotować kilka eksperymentów, według wskazówek w Tabelce nr 1. Nauczyciel powinien wcześniej sam przeprowadzić te eksperymenty, żeby się upewnić, że dają one dostatecznie różniące się od siebie wyniki.
Numer probówki |
Membrana |
---|---|
1 |
Brak membrany |
2 |
Osłonka na zakrętkę od słoika |
3 |
Torebka foliowa lub folia samoprzylepna |
4 |
Rękawiczka lateksowa |
Uczniowie powinni zdobyć umiejętności:
Zbadaj ruch cząsteczek jodu przez różne membrany. Uformuj małą torebkę z każdej membrany i włóż ją do probówki wypełnionej roztworem skrobi tak, jak pokazano na Rysunku nr 1. Wlej trochę roztworu jodu do każdej torebki i patrz, co się będzie działo.
1 | 2 | 3 | 4 | ||
---|---|---|---|---|---|
Kolor w fazie początkowej |
W torebce membranowej |
||||
W probówce |
|||||
Kolor w fazie końcowej |
W torebce membranowej |
||||
W probówce |
1 | 2 | 3 | 4 | ||
---|---|---|---|---|---|
Kolor w fazie początkowej |
W torebce membranowej |
||||
W probówce |
|||||
Kolor w fazie końcowej |
W torebce membranowej |
||||
W probówce |
Ludzka nerka to niezwykły organ, pełniący dwie podstawowe funkcje: utrzymanie równowagi wodnej w organizmie i wydalanie mocznika, soli i wody. Każdego dnia, nerki filtrują 180 litrów płynu z krwi – z czego większość zostaje ponownie wchłonięta, razem ze wszystkimi niezbędnymi nam substancjami odżywczymi, takimi jak glukoza czy aminokwasy. Ze 180 litrów przefiltrowanego płynu, nerki produkują około 2 litry moczu zawierającego końcowe produkty przemiany materii, takie jak toksyczny dla organizmu mocznik. Mocz gromadzony jest w pęcherzu, po czym następuje jego wydalenie.
Ustanie funkcji nerek doprowadzi do śmierci w przeciągu około czterech dni, w wyniku nagromadzenia mocznika i utraty równowagi wodnej w organizmie. Życie może uratować zabieg dializy, który najczęściej oznacza przymus zgłaszania się do szpitala trzy razy w tygodniu. W trakcie dializy, trwającej sześć do ośmiu godzin, krew chorego przepompowywana jest do specjalnej maszyny z filtrem zwanym błoną dializacyjną. Po drugiej stronie błony przepływa płyn dializacyjny, którego skład zapewnia właściwą wymianę substancji. Przepływająca przez błonę krew pozbywa się mocznika, zatrzymuje glukozę i aminokwasy, i oczyszczona wraca do organizmu chorego.
W tym ćwiczeniu, uczniowie tworzą membrany PCW i badają wpływ plastyfikatorów na właściwości fizyczne i chemiczne membran (które mogą być użyte również w pierwszym ćwiczeniu). Następnie, uczniowie tworzą membranę PCW zawierające cząstki srebra i testują jej antybakteryjne właściwości inkubując ją przez noc.
W ramach bardziej zaawansowanego badania, uczniowie lepiej zrozumieją antymikrobowe właściwości membrany dodając do niej srebro w różnych stężeniach i analizując wytworzone strefy inhibicji. Przykłady widoczne są po prawej stronie.
Niechorobotwórcze pałeczki okrężnicy można otrzymać z Amerykańskiej Kolekcji Hodowli Komórkowych (ang. American Tissue Culture Collection – ATCC)w2. Niechorobotwórczy szczep BAA 1427 bardzo dobrze nadaje się do tego eksperymentu.
Polimer o nazwie polichlorek winylu (PCW) jest to tani i wytrzymały plastik używany do produkcji rur, różnego rodzaju oznakowań i ubrań. Często, aby zwiększyć jego elastyczność i ułatwić proces obróbki, dodaje się do niego różne środki zmiękczające (plastyfikatory). W tym ćwiczeniu, wytworzysz membrany PCW z i bez dodatku plastyfikatora i porównasz ich właściwości fizyczne i chemiczne.
Membrany o właściwościach antymikrobowych używane są w wielu technologiach medycznych. Robi się je poprzez dodanie do polimerów nanocząstek lub mikrocząstek srebra albo innych metali. W obecności tlenu (z powietrza) i wody, wolne cząstki srebra przekształcają się do jonów srebra (Ag2+), które mają zdolność zahamowania procesu namnażania bakterii, wirusów, alg i grzybóww3, w4.
Uwaga odnośnie bezpieczeństwa: Wszystkie czynności powinny być wykonywane pod laboratoryjnym okapem wyciągowym. Tetrahydrofuran to wysoce łatwopalna ciecz, której opary mogą poważnie podrażnić oczy. Należy się z nią obchodzić ostrożnie, wszystkie czynności wykonując pod okapem wyciągowym i w rękawiczkach.
Powtarzając czynności opisane wyżej, zrób jeszcze cztery membrany PCW, każdą z inną ilością plastyfikatora dodanego do podgrzewanego roztworu (zobacz Tabelkę nr 4).
Próbka nr |
PCW (g) |
Rozpuszczalnik (ml) |
Sebacynian dibutylu (ml) |
---|---|---|---|
1 | 1.5 | 20 | 0.5 |
2 | 1.5 | 20 | 1 |
3 | 1.5 | 20 | 2 |
4 | 1.5 | 20 | 3 |
Membrana PCW zawierającą cząstki srebra musi mieć duże otwory, dlatego właśnie potrzebny jest plastyfikator. Samo srebro dodawane jest pod postacią azotanu srebra, a jego redukcja z soli następuje pod wpływem cytrynianu trisodowego.
Następnie możesz zbadać antybakteryjne właściwości przygotowanych membran.
Uwaga dotyczące bezpieczeństwa: W czasie wszystkich badań z zakresu mikrobiologii należy używać wyłącznie wysterylizowanego sprzętu (wysterylizowanego w autoklawie lub szybkowarze albo poprzez zanurzenie w alkoholu etylowym i opalenie). Nożyczki do cięcia membrany również muszą być zdezynfekowane. Aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu, przemyj ezę środkiem przeciwbakteryjnym.
Dzięki swoim antybakteryjnym właściwościom, membrany PCW mogą być używane w leczeniu ran i poparzeń oraz w przypadku zakażeń odpornym na metycylinę gronkowcem złocistym (MRSA) i pałeczką okrężnicy.
Przedstawione tu ćwiczenia wchodzą w skład jednostek dydaktycznych opracowanych w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu ESTABLISH. Projekt ten promuje upowszechnianie metody nauczania przedmiotów przyrodniczych przez odkrywanie, stosowanej wśród uczniów gimnazjów i szkół ponadgimnazjalnych. W tworzenie jednostek dydaktycznych zaangażowanych jest 60 partnerów z 11 państw członkowskich.
Ćwiczenia przedstawione w tym artykule pochodzą z jednostki dydaktycznej zatytułowanej „Exploring holes” („Badając otwory”). Obecnie, dostępne są także jednostki na temat światła i upośledzenia, a jednostki zaplanowane do opracowania mają dotyczyć kosmetyków, chitozanu, medycyny sądowej, fotochemii, energii odnawialnej i diagnostyki obrazowej. Aby dowiedzieć się więcej o projekcie i pobrać materiały dydaktyczne, wejdź na stronę projektu ESTABLISHw5.
Nanocząstki odgrywają bardzo ważną rolę w nowych rozwiązaniach z zakresu ochrony zdrowia. Zrozumienie oddziaływania nonocząstek na komórki i tkanki jest kluczowe dla zachowania bezpieczeństwa, właściwego diagnozowania i leczenia chorób. Wiele wykorzystywanych w medycynie nanocząstek to metale. Techniki promieniowania rentgenowskiego stosowane w Europejskim Ośrodku Synchrotronu Atomowego (ang. European Synchrotron Radiation Facility – ESRFw6 pozwalają na przykład na monitorowanie w nanoskali wzajemnego oddziaływania pojedynczej nanocząski i krioprezerwowanej komórki (Lewis et al., 2010).
ESRF jest jedną z organizacji tworzących EIROforuw7, wydawcę Science in School.
Ćwiczenia opisane w tym artykule powstały w oparciu o informacje z: Wilms et al. (2004; Zestaw zadań nr 1), oraz informacje uzyskane od Alison Graham z Dublin City University w Irlandii (Zestaw zadań nr 2), oraz od Laury Barron i Jamesa Chapmana z Dublin City University (Zestaw zadań nr 3).
Zestaw zadań nr 1, Zestaw zadań nr 2 and Zestaw zadań nr 3 (w oddzielnych plikach PDF)
Zestawy zadań 1-3 (w jednym pliku Word)
Czy zastanawialiście się kiedyś, jak działa błona dializacyjna? Czy plastik może działać jak filtr oczyszczający organizm człowieka ze zbędnych substancji? A plastik o właściwościach antybakteryjnych? Artykuł ten przedstawia rolę polimerów w dializie i w leczeniu ran.
Opisane w tym artykule eksperymenty przeznaczone dla młodszych uczniów pomogą im zrozumieć właściwości polimerów i ich rolę w dializie. Podczas drugiego ćwiczenia, starsi uczniowie samodzielnie tworzą membranę z polichlorku etylu (PCW) – jednego z najczęściej używanych dzisiaj polimerów – i badają jej antybakteryjne właściwości.
Zaprezentowane ćwiczenia, obejmujące zagadnienia polimeryzacji, osmozy, dyfuzji i wydalania, mogłyby być wykorzystane zarówno na lekcji chemii, jak i biologii. Po wykonaniu ćwiczeń można zorganizować dyskusję na temat szerszego zastosowania polimerów, częściowo przepuszczalnych membran lub na temat wydalania.
Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta