Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 19
1.1. Материалы для контактных линз и требования к ним 19
1.2. Поли-М-винилпироллидон
1.2.1. Химические свойства 22
1.2.2. Спектр оптического поглощения 23
1.2.3. ИК-спектр поглощения 24
1.3. Полиметилметакрилат 24
1.3.1. Химические свойства 24
1.3.2. Спектр оптического поглощения 25
1.3.3. Спектр ИК поглощения
1.4. Ионообменные смолы 26
1.5. Радиационная полимеризация и модификация полимеров
1.5.1. Радиационная химия ИОС 34
1.5.2. Радиационная полимеризация МШ 37
1.5.3. Радиационная полимеризация ММА 39
1.5.4. Радиационная прививочная полимеризация 42
1.5.5. Сополимеризация МШ 45
1.5.6. Радиолиз ДВЭДЭГ 48
ГЛАВА 2. Методики и техника эксперимента 49
2.1. Реактивы и объекты исследования 49
2.2. Подготовка реагентов 50
2.2.1. Очистка мономеров 50
2.2.2. Подготовка ИОС 50
2.3. Определение деформационно-прочностных и физико-химических характеристик ИОС з
2.3.1. Определение водосодержания 51
2.3.2. Определение полной статической обменной емкости
2.4. Радиационно-химический синтез материала для МКЛс 52
2.5. Определение мощности поглощенной дозы 53
2.5.1. Методика определения нитрит-ионов 53
2.5.2. Определение концентрации нитрита в облученном твердом KN03 54
2.5.3. Дозиметрия источника излучения 54
2.5.4. Облучение материала для изготовления МКЛс 56
2.6. Изготовление МКЛс 57
2.7. Определение деформационно-прочностных и физико-химических характеристик материала для МКЛс и непосредственно МКЛс 59
2.7.1. Определение водосодержания 59
2.7.2. Определение содержания золь-гель фракции 59
2.7.3. Определение деформационно-прочностных характеристик 60
2.7.4. Определение сорбционной емкости 60
2.7.5. Измерение кислородопроницаемости 62
2.8. Измерение оптических и ИК-спектров исследуемых объектов 64
2.8.1. Измерение ИК-спектров ИОС и МКЛс 64
2.8.2. Измерение спектров оптического поглощения МКЛс 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные результаты 65
3.1. Радиолиз ИОС 65
3.1.1. Влияние поглощенной дозы на степень водосодержания ИОС 65
3.1.2. Влияние поглощенной дозы на величину полной СОЕ ИОС 66
3.1.3. ИК-спектры облученных ИОС 67
3.2. Радиационно-химический синтез материала для МКЛс 67
3.2.1. Содержание гель-фракции и водосодержание в материалах для МКЛс... 67
3.2.2. Деформационно-прочностные характеристики материала для МКЛс 69 3.3. Спектры оптического и ИК поглощения материала для ИОС 71
3.4. СЕ материала для МКЛс
3.4.1. СЕ материала, модифицированного различными типами ИОС 74
3.4.2. СЕ материала для МКЛс, модифицированного различными фракциями ИОС 74
3.4.3. СЕ материала с различным содержанием ИОС 78
3.5. Деформационно-прочностные и физико-химические свойства МКЛ с.. 78
3.5.1. Влияние дозы облучения на содержание гель-фракции 78
3.5.2. Водосодержание, значение величины гель-фракции и деформациионно-прочностные характеристики МКЛс 79
3.5.3. Кислородопроницаемость МКЛс 80
3.5.4. СЕ МКЛс 80
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов 83
Заключение 89
Выводы 91
Литература
- ИК-спектр поглощения
- Определение деформационно-прочностных и физико-химических характеристик ИОС
- Влияние поглощенной дозы на степень водосодержания ИОС
- Деформационно-прочностные и физико-химические свойства МКЛ
ИК-спектр поглощения
В ряде случаев возникает необходимость удалять из глаз вещества, например, образующиеся при повреждении глаза в результате химического ожога, или защищать от их попадания. В последнем случае такими веществами могут быть различные неорганические соединения, например, кислоты или щелочи, и токсичные органические вещества. Коммерческие МКЛ, как с высоким водосодержанием, так и с низким, не защищают глаза от воздействия 20% NaOH, однако до 75% снижают степень воздействия 20% НС1 [13].
Методы сорбционной детоксикации (удаления из глаза токсических веществ) с помощью МКЛ позволяют добиться ощутимых положительных результатов при лечении ожоговой болезни и гнойно-септических состояний [14]. Однако, при получении травмы в результате химического ожога этого недостаточно для оперативного удаления вредных веществ, поэтому необходимо использовать материал, специально предназначенный для этой цели.
К настоящему времени разработан ряд материалов, которые можно помещать непосредственно на роговицу для сорбции различных вредных веществ. Например, по инициативе офтальмолога профессора Ю.Ф. Хатминского были синтезированы материалы для комплексной терапии химических ожогов глаз [15]. Клинически была установлена их терапевтическая эффективность. Однако, и этот материал, и другие, предлагаемые в литературе, оптически не прозрачны, то есть при ношении значительно ухудшают условия нормальной жизнедеятельности.
МКЛ, позволяющие сорбировать попавшие в глаза вредные вещества, не являются лечебными в традиционном понимании, так как не обеспечивают поступление в глаза лекарственных препаратов. Более того, по способу применения такие МКЛ являются прямой противоположностью ЛМКЛ, так как должны быстро поглощать попадающие в них вредные вещества. На этом основании мы предлагаем называть МКЛ, обладающие сорбционными свойствами, сорбционными мягкими контактными линзами (в дальнейшем, МКЛс). Таким образом, можно заключить, что к настоящему времени достигнут значительный прогресс в синтезе материалов для ЛМКЛ, позволяющих эффективно доставлять лекарства в глаз [16,17]. В то же время, до сих пор не синтезирован материал для изготовления МКЛс, сочетающий в себе свойства эффективного сорбента и необходимые оптические и механические свойства. Таким образом, синтез материала, обладающего высокой сорбционной способностью к веществам, токсичным для тканей глаза, и позволяющего изготовить из него МКЛс для ношения в течение сравнительно длительного времени, является актуальной задачей.
Синтез материала для МКЛс можно осуществить двумя способами. Во-первых, уже имеющийся материал для МКЛ полностью или частично модифицировать за счет введения в него добавок, то есть, фактически, синтезировать новый материал. Во-вторых, ввести в материал для МКЛ сорбент, как гетерогенную добавку, что позволяет сохранить полезные свойства этого материала и, в то же время, за счет сорбента обеспечить высокую сорбционную способность линзы. Очевидно, что первый способ реализовать намного сложнее, чем второй, поэтому в настоящей работе мы используем второй способ.
В настоящее время для получения материала для МКЛ используют несколько сополимеров, один из которых, как правило, представляет собой производное акриловой (АК) или метакриловой кислоты (МАК) и сшивающий агент, что позволяет получить материал, обладающий необходимыми механическими и физико-химическими свойствами [17,18]. В настоящей работе мы используем в качестве материала для МКЛ (в дальнейшем, основной материал) сополимер на основе N-винилпирролидона (в дальнейшем сн2=сн & NBIT) и метилметакрилат (в дальнейшем ММА) СН2=С(СНз)СООСН3, а также сшивающего агента - дивинилового эфира диэтиленгликоля (в дальнейшем ДВЭДЭГ) - Н2С=СН-(0-(СН2)2)2-0-СН=СН2, который был разработан на кафедре органической химии КемГУ. Состав материала защищен патентом РФ [19]. Материал на основе NBIT и ММА фирмы Bausch & Lomb LM 70 VP применяется для изготовления высокогидрофильных линз Конкорд LM 70 фирмой Конкорд.
Выбор сорбента должен определяться его совместимостью с основным материалом линзы, то есть отсутствием реакций, приводящих к образованию токсичных веществ, стабильностью при выбранных условиях синтеза, высокой степенью сорбции различных веществ. Исходя из этих условий в качестве гетерогенной добавки к основному материалу нами были выбраны ионообменные смолы (в дальнейшем ИОС) [20].
Получение гетерогенного материала с заданными свойствами, подразумевает использование технологий его изготовления, не приводящих к ухудшению оптических и деформационно-прочностных свойств основного материала и исключающих его химическое взаимодействие с гетерогенной добавкой. Как известно, существует несколько методов получения гидрогелей - радиационно-химический, термический, химический и фотохимический. Сам процесс полимеризации может проводиться как в растворителе, так и без него. Наиболее предпочтительным является радиационно-химический метод, так как он позволяет [21-24]: - проводить полимеризацию различных мономеров; - обеспечить высокую степень чистоты получаемых веществ, так как в процессе полимеризации не участвуют инициаторы или катализаторы; - проводить процесс при низких температурах, так как радиационно-химические выходы активных центров практически от нее не зависят; - легко осуществлять регулировку процесса, например, путем изменения мощности экспозиционной дозы излучения.
В настоящей работе, для изготовления исходной смеси не использовался растворитель, во-первых, для исключения радиационно-химических реакций с его участием, во-вторых, чтобы исключить постоянное перемешивание.
Определение деформационно-прочностных и физико-химических характеристик ИОС
Материалы, относящиеся к этой группе, наименее расположены к отложениям продуктов окисления веществ, находящихся в жидкости, выделяемой в процессе нормального функционирования глаза (в дальнейшем, отложения). Основной недостаток линз на основе поли-ГЭМА -ограниченная кислородная проницаемость в сравнении с материалами с более высоким водосодержанием.
Материалы второй группы (неионные полимеры с водосодержанием 50%) устойчивы к образованию отложений и представляют собой сополимеры NBIT и ММА. Для сшивки используется поливиниловый спирт (ПВС), который обеспечивает высокую смачиваемость полимера водой.
Материалы третьей группы (ионные полимеры с водосодержанием 50%) представляют собой полимеры на основе ГЭМА, МАК и сшивающего агента.
Материалы четвертой группы (ионные полимеры с водосодержанием 50%) синтезируют из тех же мономеров, что и материалы третьей группы. Они применяются для изготовления высококачественных линз частой плановой замены, планово сменяемых линз и традиционных линз гибкого и пролонгированного ношения.
Наличие заряда у материала, используемого для изготовления МКЛ, влияет на их совместимость с растворами и скорость образования отложений на поверхности линзы. По этой причине на поверхности МКЛ из материалов 3 и 4 групп наблюдается активное отложение органических веществ. В кислых средах может наблюдаться временное изменение параметров линзы.
Критерием оценки пригодности материалов для МКЛ служит совокупность таких биологических, химических, физических и физико-химических свойств, как оптическая прозрачность, химическая и механическая стабильность, биосовместимость, прочность, эластичность, водосодержание и кислородопроницаемость. Оптические свойства материала для МКЛ должны быть следующими: - пропускание света в диапазоне видимого спектра - от 390 до 780 нм; - показатель преломления должен быть в диапазоне 1.35-1.52, то есть, близок к показателю преломления роговицы - 1.37 [5]. Материал, используемый для изготовления МКЛ, должен быть химически стабилен, гипоаллергенен, нетоксичен и неканцерогенен. Он не должен взаимодействовать с соединениями, свободно циркулирующими в физиологической среде глаза, не окисляться на воздухе под действием солнечного излучения.
Критерием оценки деформационно-прочностных свойств МКЛ является ее прочность на разрыв и коэффициент относительного удлинения. Последний параметр показывает, насколько надо растянуть образец, чтобы его разорвать. Чем эластичнее образец, тем коэффициент выше.
Водосодержание МКЛ должно быть как можно большим, так как этот фактор обеспечивает комфортность ее ношения.
Одной из главных отличительных особенностей материалов для МКЛ является их кислородная характеристика, которая во многом определяет степень комфортности их использования, а также, не будут ли развиваться осложнения, связанные с недостаточным поступлением кислорода к роговице глаза. К основным кислородным характеристикам материала относят кислородную проницаемость и показатель пропускания кислорода. Первая из них (Dk) показывает способность материала пропускать кислород и характеризуется произведением коэффициента диффузии кислорода (D) на его растворимость (к) в данном материале: Dk = Dxk. Кислородная проницаемость зависит от температуры, давления, водосодержания и толщины [30,31].
Краевой эффект (или поправка по краю) - это проникновение кислорода под контактную линзу с периферии. У МКЛ этот показатель обычно не превышает 4%, у жесткой линзы он может составлять до 8-9%.
Пограничный эффект (или поправка по границе) - это устойчивость кислородной проницаемости на границе раздела между слезной пленкой и поверхностью материала МКЛ.
Второй показатель учитывает толщину линзы. Он определяется как Dk//, где / - толщина линзы. Для всех материалов, используемых для изготовления МКЛ, кроме силикон-гидрогелевых, основным фактором, определяющим этот показатель является водосодержание. При его снижении на 20 % кислородный показатель снижается примерно вдвое [5]. Чем выше показатель пропускания кислорода, тем больше его поступает к роговице глаза. Кислород, достигающий поверхности глаза, проходит, используя как транспорт, воду внутри материала, так как каркасный полимер линзы непроницаем для кислорода. Увеличение степени кристалличности и степени сшивки полимера, уменьшение степени набухания и размеров межузловых фрагментов в сшитых полимерных системах приводят к уменьшению диффузии кислорода.
Типичными неионными материалами являются полимеры, изготовленные на основе ГЭМА, например, отечественный материал Гиполан-2. Его характеристики представлены в таблице 1.1. Недостатком этих линз является низкая газопроницаемость. Материал Гиполан-2 устойчив к образованию белковых, липидных и кальциевых отложений.
Типичным материалом, относящимся ко второй группе, является LM-70 VP, полученный на основе МШ и ММА с водосодержанием более 50%. Преимуществом данного материала является достаточно высокий показатель Dk, который равен 38х10 п. Линзы из материала LM-70 VP более подвержены белковым и другим видам отложений, чем линзы с более низким водосодержанием.
Разрушения поли-МШ в присутствии щелочей при температуре человеческого тела не происходит, так как энергия активации процесса равна 25 ккал/моль, а к = 4.5-10"4 мин"1 при 100 С в 1 М NaOH.
Поли-NBn способен растворяться в воде (или набухать в ней при М 40000) и большинстве органических растворителей. Растворимость в воде обусловлена наличием лактамной группировки. Способность сорбировать молекулы воды так велика, что, по-видимому, сорбирующим центром является каждая пептидная связь.
Влияние поглощенной дозы на степень водосодержания ИОС
Основной материал и сам гетерогенный материал для МКЛс имеет слабое желтое окрашивание. На рис. 3.5 представлен спектр оптического поглощения материала для МКЛс, содержащего ИОС D113. Спектры поглощения материала с ИОС КБ-2Э и КБ-4 идентичны. Как видно из представленных данных, он соответствует спектру оптического поглощения поли-МШ, содержащего КВг в качестве гетерогенной добавки. В видимой области спектра регистрируется значение оптической плотности 0.3, то есть материал является полупрозрачным. Спектр поглощения основного материала качественно подобен, однако оптическая плотность в области фона значительно ниже.
На рис. 3.6 представлены ИК-спектры пропускания основного материала и материала для МКЛс с различными видами ИОС. Как видно, во всех спектрах наблюдаются полосы в области 3600-3200 см"1 и в области короче 800 см"1, которые обусловлены валентными колебаниями молекул воды.
В ИК-спектре основного материала регистрируются сильные полосы при 1640 см"1 и 1730 см"1. На основании литературных данных [35, 39], их можно отнести к фундаментальным колебаниям, обусловленным v(C=0) в поли-NBn и поли-ММА. Кроме этого, наблюдаются полосы в области 1150-1260 см"1, характерные для поли-ММА и перекрывающиеся с v(C-N) для поли-МШ; в области 1300 см"1, характерные для поли-МШ; полосы при 1400-1900 см"1, относящиеся к колебаниям в гетерогенном кольце МШ.
Как видно из данных, представленных на рис. 3.6, все перечисленные группы полос присутствуют в спектрах материалов, модифицированных ИОС. В материалах для МКЛс, содержащих различные ИОС, дополнительные полосы в ИК-спектрах пропускания не наблюдаются. Таким образом, можно предположить, что при синтезе материала для МКЛс поглощенная доза меньше, чем приводящая к структурным изменениям в полимерных цепях ИОС. Однако, эти изменения могут и не проявляться в ИК спектрах, так как обусловленные ими полосы могут иметь слабую интенсивность, или находиться в области собственных полос поглощения основного материала. Поэтому более информативными являются результаты исследования сорбционных свойств материала для МКЛс.
В таблице 3.5 представлены данные о величинах СЕ материала для МКЛс, полученных с использованием различных ИОС. Время сорбции составляло 30 мин. В таблице также представлены соответствующие данные для основного материала без добавки ИОС. Как видно из представленных данных, введение ИОС приводит к кратному увеличению СЕ материала для МКЛс относительно основного материала - по отношению к щелочи более чем в два раза и по отношению к кислоте более чем в 5 раз.
На рис. 3.7-3.8 представлены данные о СЕ относительно кислоты и щелочи, соответственно, материалом для МКЛс, модифицированным различными фракциями ИОС КБ-4, а в таблице 3.6-3.7 для него и других ИОС, с применением разных способов синтеза. Как видно, применение фракции 0.25-0.35 мм и для первого и второго способа изготовления материала для МКЛс приводит к большей величине СЕ, чем в случае использования фракции 0.25 мм. На наш взгляд, это связано с тем, что в случае использования мелкой фракции слипание частиц ИОС приводит к уменьшению активной поверхности ионита. Наилучшие результаты получены для первого способа при использовании фракции 0.25-0.35 мм. Однако, в данном случае технологически сложно (требуется многократное переворачивание образца при облучении) избежать оседания частиц ИОС. Если же этого не делать, то набухание образца происходит неравномерно, что приводит к искажению геометрии готовых изделий.
При использовании фракции 0.25 мм для первого способа наблюдалось оседание частиц ИОС на дно изложницы, что приводило к неравномерному набуханию образца при гидратации (более плотная структура в месте оседания) и уменьшению СЕ из-за снижения диффузии в менее гидратированном участке образца. Как видно из данных, представленных в таблице 3.6, уже после 30 мин выдержки материала для МКЛс в растворе кислоты, значение СЕ практически не изменяется, при этом для всех исследованных значений времени она выше для меньших размеров зерен ИОС. Наилучший результат достигается, если для изготовления материала для МКЛс использовали смолу D113.
Из представленных результатов видно, что более высокие значения СЕ имеют образцы материалов, содержащие в своем составе ионообменную смолу D113. При помещении образцов в раствор кислоты наиболее активно ионный обмен проходит в течение 15 минут, затем этот процесс замедляется.
Деформационно-прочностные и физико-химические свойства МКЛ
Представленные в работе результаты доказывают эффективность синтезированного гетерогенного материала для МКЛ для сорбции кислот и оснований, которые могут попасть в глаза. Однако, сводить возможность использования подобного рода материалов только для изготовления сорбционных МКЛ, означает сильно недооценивать возможности их применения. Как известно, для очистки промышленных сточных или эксплутационных вод, загрязненных различными органическими и неорганическими соединениями, часто используются ИОС. Этот метод имеет существенный недостаток, так как при его реализации необходимо прокачивать водный раствор через узкие трубки, заполненные ионообменными смолами. Таким образом, необходима достаточно трудоемкая подготовка сорбционной установки, при этом объем обрабатываемого раствора не может быть большим.
Разработанная в представленной работе радиационно-химическая технология получения сорбционных материалов, соединяющих свойства гидрогелей и ионообменных смол, позволяет изготавливать изделия любой формы, размеры которого зависят только от типа используемой радиационной установки. Предлагаемый готовый материал имеет небольшой вес, он достаточно прочен и гибок. После доставки к месту назначения его легко подготовить к эксплуатации простым выдерживанием в воде. Высокое водосодержание материала обеспечивает поступление различных веществ из раствора к ионообменной смоле, соответственно, предлагаемый нами материал обладает большой сорбционной емкостью. Возможность использования в качестве гетерогенной добавки различные типы ионообменных смол позволяет проводить селективное извлечение различных видов ионов.
Данный материал может быть использован и в бытовых целях - для очистки питьевой воды. Так как материал химически инертен, обладает необходимыми механическими свойствами, не токсичен, не обладает аллергенными свойствами, и, более того, биосовместим, то возможно его использование в любых условиях.
Таким образом, можно утверждать, что предлагаемый материал представляет собой новый класс функциональных материалов, пригодных для сорбции различных соединений, которые могут найти широкое применение, как от атомной промышленности (очистка от радионуклидов) до бытовых нужд (очистка от ионов тяжелых металлов и хлорорганики). ВЫВОДЫ
1. Впервые установлено, что при облучении ионообменных смол D113, КБ-2Э и КБ-4 в Na-форме дозой у-излучения равной 35 кГр наблюдается 2 2.5 кратное увеличение сорбционной емкости.
2. Изучены деформационно-прочностные (прочность на разрыв и удлинение при разрыве) и физико-химические (водосодержание, кислородопроницаемость и содержание гель-фракции) параметры гетерогенных материалов на основе мономеров N-винилпирролидона (70 об.%) и метилметакрилат (30 об.%), сшивающего агента - дивинилового эфира диэтиленгликоля (1.2 об.% от суммарного объема мономеров) и различных ионообменных смол (5-7.5 масс.%, размер фракций 0.25 мм и 0.25-0.35 мм), полученных под действием у-излучения. Установлено, что при поглощенной дозе 30-35 кГр они соответствуют таковым для гомогенного материала, применяемого для изготовления мягких контактных линз.
3. Установлено, что сорбционные свойства относительно сильных кислот и оснований новых гетерогенных материалов более чем на порядок превышают таковые для гомогенного материала, применяемого для изготовления мягких контактных линз с высоким водосодержанием на основе N-винилпирролидона и метилметакрилата.
4. Минимально возможной дозой облучения необходимой для получения литых сорбционных мягких контактных линз, при которой их деформационно-прочностные (прочность на разрыв и удлинение при разрыве) и физико-химические (водосодержание и кислородопроницаемость) параметры соответствуют таковым для мягких контактных линз с высоким водосодержанием, является 25 кГр.
5. Сорбционная емкость литых сорбционных мягких контактных линз, содержащих 7.5 масс.% ионообменной смолы D113 с размером фракции 0.25-0.35 мм, полученных с использованием поглощенной дозы 25 кГр, относительно щелочи составляет 0.6 ммоль/г, а сильной кислоты 0.7 ммоль/г, что в -15 и -20 раз выше, соответственно, чем в случае гомогенного материала без ионообменной смолы.