Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Биосовместимые амфифильные блок-сополимеры 10
1.1.1 Агрегация амфифильных блок-сополимеров 10
1.1.2 Плюроники 15
1.1.3 Мономолекулярные мицеллы 18
1.2 Дендримеры и сверхразветвленные полимеры 20
1.2.1 Сверхразветвленные блок-сополимеры на основе полиэфиров Boltorn 25
1.3 Наносомальные формы доставки лекарственных препаратов 34
1.4 Биоразлагаемые полимерные поверхностно-активные вещества 43
1.5 Заключение 48
Глава 2. Экспериментальная часть 50
2.1 Исходные вещества и их очистка 50
2.2 Методы исследования 52
2.2.1 Гель-проникающая хроматография 52
2.2.2 ЯМР-спектроскопия 52
2.2.3 Термогравиметрический анализ 53
2.2.4 Дифференциальная сканирующая калориметрия 53
2.2.5 Динамическое рассеяние света 53
2.2.6 Флуоресцентная спектроскопия 55
2.2.7 Дилатометрический метод исследования кинетики полимеризации 56
2.2.8 ИК-спектроскопия 57
2.2.9 Атомно-силовая микроскопия 58
2.2.10 Рентгеноструктурный анализ 58
Глава 3. Результаты и их обсуждение 59
3.1 Линейные блок-сополимеры лактида и этиленоксида 59
3.1.1 Синтез блок-сополимеров (L/D,L)-лактида и этиленоксида 59
3.1.2 Получение полимерных комплексов для молекулярно-прицельной терапии 62
3.1.3 Коллоидно-химические свойства диблок-сополимеров 66
3.1.4 Гетерофазная полимеризация стирола в присутствии диблок-сополимеров 67
3.1.5 Гетерофазная полимеризация винилацетата в присутствии диблок-сополимеров 69
3.2 Сверхразветвленные блок-сополимеры 72
3.2.1 Характеризация полиэфирполиола Boltorn 72
3.2.2 Синтез многолучевых блок-сополимеров Boltorn-[(PLLA)x]y 80
3.2.3 Модификация многолучевых блок-сополимеров Boltorn-[(PLLA)x]y полиэтиленоксидом 88
3.2.4 Теплофизические характеристики сополимеров на основе Boltorn 95
3.2.5 Коллоидно-химические свойства полиэфирполиола Boltorn и его производных 104
3.2.6 Исследование гетерофазной полимеризации стирола в присутствии полиэфирполиола Boltorn и его производных 118
3.2.7 Полимеризация винилацетата в присутствии производных полиэфира Boltorn 136
Выводы 143
Список литературы 144
- Дендримеры и сверхразветвленные полимеры
- Биоразлагаемые полимерные поверхностно-активные вещества
- Характеризация полиэфирполиола Boltorn
- Исследование гетерофазной полимеризации стирола в присутствии полиэфирполиола Boltorn и его производных
Введение к работе
Актуальность исследования. Одной их актуальных задач в области химии высокомолекулярных соединений является направленный синтез амфифильных полимеров различной топологии: линейных ди- и триблок-сополимеров, звездообразных, полимерных щеток, дендримеров, гиперразветвленных и др., при этом наблюдается особый интерес к биосовместимым биоразлагаемым полимерным системам на основе гиперразветвленных сложных полиэфиров, необходимый гидрофильно-липофильный баланс которых достигается при сополимеризации или соконденсации -оксикислот, имеющих оптимальное для этого соотношение гидроксильных и карбоксильных функциональных групп. Полученные сополимеры могут найти применение для получения наносомальных форм доставки лекарственных средств, а также в качестве стабилизаторов при гетерофазной полимеризации малорастворимых в воде мономеров.
В связи с вышеизложенным, создание новых типов биодеструктирумых ПАВ является актуальной задачей.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель настоящей работы заключалась в разработке методов синтеза биоразлагаемых амфифильных линейных ди- и триблок-сополимеров (L/D,L)-лактида и этиленоксида, а также сверхразветвленных многолучевых сополимеров на основе полиэфирполиола 2,2-бис(метилол)пропионовой кислоты, L-лактида и этиленоксида, изучении их физико-химических и коллоидно-химических свойств для создания нанодисперсных форм доставки лекарственных средств, а также для выяснения перспективы их применения в качестве ПАВ при синтезе полимерных суспензий с узким распределением частиц по диаметрам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
синтезировать линейные ди- и триблок-сополимеры на основе лактида и этиленоксида с контролируемым соотношением между блоками;
синтезировать сверхразветвленные многолучевые сополимеры на основе полиэфирполиола 2,2-бис(метилол)пропионовой кислоты, лактида и этиленоксида;
исследовать физико-химические свойства синтезированных сополимеров;
исследовать влияние строения синтезированных блок-сополимеров на их коллоидно-химические свойства и солюбилизацию лекарственных препаратов;
определить возможности использования синтезированных линейных и сверхразветвленных блок-сополимеров в качестве ПАВ для получения полимерных суспензий с узким распределением частиц по размерам.
Научная новизна.
-
Синтезированы линейные ди- и триблок-сополимеры лактида и этиленоксида с регулируемыми соотношениями между блоками. Степень полимеризации лактидного блока изменялась от 10 до 418, а этиленоксидного – от 45 до 113.
-
Впервые синтезирован ряд многолучевых сополимеров на основе полиэфирполиола 2,2-бис(метилол)пропионовой кислоты, лактида и этиленоксида, со средней степенью полимеризации лактидного блока от 14 до 36 и степенью модификации полиэтиленоксидом от 30 до 50 мас. %.
-
Изучены физико-химические и коллоидно-химические свойства синтезированных соединений. Показано, что сополимеры в водных растворах при низких концентрациях (~ 10-5 М) образуют устойчивые агрегаты субмикронного размера.
-
Предложена методика получения наносомальной лекарственной формы противоракового агента доцетаксела на основе амфифильных блок-сополимеров лактида и этиленоксида.
-
Впервые установлено, что все сополимеры являются поверхностно-активными веществами, образуют прямые эмульсии и снижают межфазное натяжение на границе «углеводород/вода» до низких значений (1-2 мДж/м2).
-
Впервые показано, что синтезированные биоразлагаемые блок-сополимеры могут быть использованы в качестве ПАВ при гетерофазной полимеризации стирола и винилацетата с получением полимерных микросфер с узким распределением по размерам с диаметрами от 0.3 до 1.0 мкм.
Теоретическая и практическая значимость работы. Предложена методика получения нанодисперсной лекарственной формы противоракового агента доцетаксела на основе амфифильных блок-сополимеров лактида и этиленоксида. Средний размер наночастиц составил 100 – 120 нм, а максимальная степень нагрузки 3.15 вес.%. Лекарственная форма проявила высокую токсичность по отношению к модельным раковым клеткам линии HeLa.
Предложены рецептуры синтеза полистирольных и поливинилацетатных микросфер с диаметром в интервале значений от 0.3 до 1.0 мкм, которые являются перспективными для биотехнологии. Показано, что полимерные микросферы, содержащие в поверхностном слое карбоксилированный полиэфир Boltorn, а также карбоксилированные многолучевые сополимеры Boltorn с лактидом, могут быть основой создания сорбентов для специфического извлечения нейтрофильных внеклеточных ловушек.
Положения, выносимые на защиту:
1) Условия синтеза линейных диблок- и триблок-сополимеров лактида с этиленоксидом с
узким молекулярно-массовым распределением.
-
Условия синтеза многолучевых блок-сополимеров на основе полиэфирполиола 2,2-бис(метилол)пропионовой кислоты, лактида и этиленоксида с разной длиной полилактидного блока и разной степенью модификации полиэтиленоксидом.
-
Результаты исследования структуры синтезированных соединений с использованием комплекса физико-химических методов.
-
Коллоидно-химические свойства сополимеров.
-
Использование блок-сополимеров в качестве ПАВ при гетерофазной полимеризации стирола и винилацетата.
-
Условия получения полимерных суспензий с узким распределением по размерам.
-
Перспективы использования линейных блок-сополимеров в качестве нанодисперсных форм доставки лекарственных препаратов, а также полиэфирполиола 2,2-бис(метилол)пропионовой кислоты для создания сорбентов для специфического извлечения нейтрофильных внеклеточных ловушек.
Личный вклад автора. На всех этапах подготовки представленной работы автору принадлежит значимая роль от постановки задач, планирования и выполнения экспериментов, до обработки, обсуждения и оформления полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на всероссийских и международных научных конференциях: «Полимеры в науке и технике» (Казань, 2014 г.), «Химия Элементоорганических Соединений и Полимеров» (Москва, 2014 г.), «Ломоносов» (Москва, 2015, 2016, 2017 гг.), «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область, 2015 и 2016 гг.), «Современная химическая физика» (Туапсе, 2015 г.), «Биохимическая физика» ИБХФ РАН – ВУЗы (Москва, 2015, 2016, 2017 гг.), VII Всероссийская Каргинская конференция (Москва, 2017 г.), «Modern trends in dendrimer chemistry and applications» (Moscow, 2017), «XV Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа» (Москва, 2017 г.), «60-я научная конференция МФТИ» (Москва, Долгопрудный, Жуковский, 2017 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в 28 печатных работах, из них 4 статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией, и 24 тезиса докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка цитированной литературы (188 наименований). Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков и 24 таблицы.
Дендримеры и сверхразветвленные полимеры
Несмотря на все имеющиеся у плюроников и многих других линейных амфифильных полимеров преимущества, ассоциаты данных полимеров, использующиеся в качестве наноконтейнеров для доставки гидрофобных соединений, могут дезагрегировать при разбавлении до концентраций много ниже ККМ, например, при физиологических условиях, что может вызвать резкое (незапрограммированное) высвобождение лекарственного препарата. Одним из путей решения данной проблемы является использование полимеров нелинейной, более сложной архитектуры.
Известно, что единичные макромолекулы с развитой архитектурой, достаточной для проявления неоднородности окружения, могут выступать в роли нанопереносчиков веществ различной полярности. На сегодняшний день синтезировано и описано множество полимеров различной топологии: дендримеров, сверхразветвленных полимеров, полимерных щеток, многолучевых звезд и т. д.
Внешняя часть многих дендримеров (последняя генерация), как правило, содержит большое количество реакционноспособных групп (гидроксильные, карбоксильные, аминогруппы), что делает их привлекательными в качестве наноносителей различных лекарственных веществ, в частности, в химиотерапии онкозаболеваний. Таким образом, дендритные макромолекулы являются хорошей альтернативой линейным полимерам в качестве платформ для доставки молекулярных векторов и лекарственных веществ [67, 68].
Возможность синтеза сверхразветвленных полимеров была предсказана Флори еще в начале 1950-х годов, однако лишь в 1980-х годах были разработаны методы синтеза полимеров подобной архитектуры.
Пионерские и основополагающие работы в области синтеза и исследования дендримеров принадлежат многим выдающимся ученым: Donald A. Tomalia, Fritz Vgtle, George R. Newkome, Jean Frchet, Музафарову А. М., Жданову А. А., Папкову В. С. Данные полимеры характеризуются рядом специфических свойств, резко отличающих их от классических линейных макромолекул, что позволило отнести их к классу «макромолекул-частиц» [52, 53, 54, 55].
Дендримеры получают многостадийным синтезом, используя дивергентный (от центра к периферии) [56] или конвергентный (от периферии к центру) [57] способ, либо их комбинацию [58]. Схемы синтеза дендримеров дивергентным и конвергентным методами приведены на рисунке 1.3.
Дивергентная схема синтеза представляет собой многократное повторение выбранной последовательности реакций, что позволяет ступенчато наращивать новые генерации элементарных фрагментов вокруг центрального ядра дендритной молекулы. Первый направленный синтез по данной схеме был осуществлен в 1980-х годах группой Donald A. Tomalia [56]. Для формирования центра (ядра) макромолекулы использовался аммиак, который количественно взаимодействует в мягких условиях с метилакрилатом по реакции Михаэля. Полученное трехфункциональное соединение после очистки было преобразовано в первичный триамин реакцией с избытком этилендиамина (рисунок 1.4).
Полученное ядро, путем многократного чередования реакции А (взаимодействие аминогрупп с метилакрилатом) и реакции B (обработка избытком этилендиамина), может быть использовано для получения поли(амидоаминов) разных генераций. Достоинством дивергентного способа является высокая функциональность поверхностного (периферийного) слоя.
При конвергентном способе синтеза формирование макромолекулы начинается с ее периферии и протекает с укрупнением на каждой стадии интермедиатов-дендронов, имеющих условно конусообразную форму, и лишь на последней стадии дендроны присоединяются к ядру, образуя законченную макромолекулу [60]. Основным достоинством данного метода является возможность синтеза монодендронов – идеальных «строительных блоков» для капсулирования конкретного центра внутрь дендритной структуры. И в том и в другом случае формирование каждой генерации включает, как правило, не менее двух реакций. При комбинации этих методов, например, путем присоединения молекул мономера или дендронов к предварительно синтезированной дивергентным или конвергентным методом молекуле дендримера, можно получать гетерослойные дендримеры с большой молекулярной массой [61]. Большинство исследователей, работающих в области синтеза дендримеров, придерживаются многоступенчатых стратегий синтеза. Монодисперсность получаемых при этом полимеров, прогнозируемость архитектуры каркаса, числа функциональных групп на периферии макромолекул, их формы, размера и молекулярной массы сообщают многоступенчатым методам неоспоримые преимущества. Данная стратегия использовалась для синтеза самых разнообразных дендримеров, среди которых стоит отметить следующие: полиамидоамины [62], соединения с карбоцепным каркасом [63], олигосилоксаны [64], гибридные дендримеры (состоящие из карбосиланового ядра и метилсилсесквиоксановой оболочки) [65], дендримеры с ферроцинильными терминальными группами [66] и многие другие.
Наиболее изученными на сегодняшний день дендримерами являются полиамидоамины (PAMAM) – дендримеры, содержащие на своей поверхности первичные аминогруппы (например, для 2-й генерации - 16 аминогрупп), которые могут быть ковалентно связаны с широким рядом биологически активных соединений. Более того, наличие относительно больших внутренних полостей в дендримерах дает возможность включать в них широкий ряд гидрофобных лекарственных препаратов. Имеется ряд работ, посвященных использованию полиамидоаминовых дендримеров в качестве носителей химиотерапевтических препаратов, ДНК и контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии.
Также могут транспортироваться путем связывания с дендримерами нестероидные противовоспалительные средства, противомикробные и противовирусные препараты, скрининговые агенты, применяемые в дизайне лекарственных веществ [7].
Для разветвленных макромолекул, имеющих низкую упорядоченность молекулярного каркаса, используют термины «высокоразветвленные», «гиперразветвленные» и «сверхразветвленные» полимеры. Одним из принципиальных различий между дендримерами и сверхразветвленными полимерами является метод их синтеза. Сверхразветвленные полимеры получают, как правило, в условиях неконтролируемого одностадийного синтеза, используя в качестве мономеров соединения A-R-Bx (x2), где A и B – функциональные группы двух различных типов, вступающие при определенных условиях в реакцию поликонденсации или полиприсоединения с образованием связей A-B.
Одним из первых целенаправленных синтезов такого рода был осуществлен группой Бочкарева М. Н. в Институте металлоорганической химии АН СССР [69]. Исходным соединением (мономером) в реакции был трис-(перфторфенил)-герман (ФГ), поликонденсация которого в присутствии триэтиламина привела к сверхразветвленному перфторированному полифенилгерману.
Несмотря на все достоинства, которыми обладают дендримеры, их синтез сложен, многостадиен, требует больших затрат материальных и трудовых ресурсов, вследствие чего себестоимость конечного продукта довольно высока. Сверхразветвленные (со)полимеры, ввиду относительной простоты синтеза и низкой себестоимости продукта, привлекают значительное внимание в последние годы для получения разного рода материалов: поверхностно-активных веществ, отвердителей и связующих в лакокрасочной промышленности и т. д.
Особую группу сверхразветвленных полимеров составляют сополимеры, макромолекулы которых целиком построены из биосовместимых биоразлагаемых блоков. Такие блок-сополимеры могут быть использованы в медицине в качестве наноконтейнеров для адресной доставки лекарственных веществ. В последние годы синтезировано множество сополимеров самой различной архитектуры: многолучевые, линейно-дендритные, полимерные щетки, гантелеобразные и т. д. [96]. Установлено, что физико-химические свойства сверхразветвленных полимеров можно менять в достаточно широких пределах, не изменяя существенно исходную макромолекулу, а лишь варьируя набор функциональных групп в концевых цепях и степень их модификации.
Биоразлагаемые полимерные поверхностно-активные вещества
Еще одной важной областью применения амфифильных сополимеров является их использование в качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ). Подобно низкомолекулярным ПАВ, макромолекулы, содержащие одновременно в структуре гидрофильные и липофильные фрагменты, могут рассматриваться как полимерные или олигомерные поверхностно-активные вещества. На поверхностно-активных свойствах полимеров основано применение их в качестве стабилизаторов дисперсий и эмульсий. Чаще всего в качестве гидрофильного блока в неионных ПАВ выступает полиэтиленоксид. Существенным преимуществом оксиэтилированных соединений является возможность регулирования их гидрофильности путем изменения степени оксиэтилирования. Другой важной особенностью таких веществ является то, что они не способны к образованию солей, и поэтому устойчивы в жесткой воде и могут быть использованы в сочетании как с анионактивными, так и с катионактивными ПАВ [147, 148].
Многие полимерные ПАВ имеют относительно высокую биосовместимость и биоинертность, низкое пенообразование и высокую химическую и механическую стабильность. В отличие от обычных низкомолекулярных ПАВ, критическая концентрация мицеллообразования полимерных ПАВ, чаще всего, на порядок ниже, что важно для биомедицинского применения [149]. В связи с постоянно возрастающим количеством поверхностно-активных веществ, применяемых в промышленности и быту, перспективными являются ПАВ, макромолекулы которых способны к деструкции в естественных условиях – биоразлагаемые ПАВ. С экологической точки зрения важнее конечные продукты деструкции ПАВ, поэтому предпочтительнее использовать макромолекулы, распадающиеся, в конечном счете, до безопасных низкомолекулярных соединений.
Среди множества биоразлагаемых ПАВ, производимых промышленностью из растительного и других видов возобновляемого сырья, особое место занимают алифатические полиэфиры на основе сополимеров этиленоксида и производных -гидроксикислот: лактида, гликолида, -капролактона и др. Поскольку продуктами деструкции данных сополимеров являются естественные продукты метаболизма (вода, углекислый газ), их использование в биотехнологии и медицине особо привлекательно. В частности, биосовместимость и способность деструктировать до нетоксичных легковыводимых из организма соединений – одно из требований, предъявляемых к полимерным ПАВ для использования в медицине [150, 151, 151, 153].
К сожалению, практически все имеющиеся в настоящее время на рынке неионные синтетические поверхностно-активные вещества не удовлетворяют этим требованиям, в связи с чем потребность в новых биоразлагаемых ПАВ является насущной, а разработка методов синтеза новых амфифильных сополимеров – актуальной.
Водонерастворимые амфифильные блок-сополимеры, способные образовывать прямые эмульсии типа «масло в воде», представляют большой интерес для использования их в качестве стабилизаторов (ПАВ) частиц при проведении гетерофазной полимеризации гидрофобных мономеров. Актуальность синтеза полимеров данным методом обусловлена как возможностью создания экологически чистых способов получения полимерных суспензий, в которых отсутствует стадия очистки сточных вод от ПАВ (как правило, небиоразлагаемых), так и возможностью получения полимерных суспензий с узким распределением частиц по размерам (РЧР) [154, 155, 156 157].
К полимерным суспензиям с узким распределением частиц по размерам обычно относят диспергированные в воде частицы полимера (например, полистирола) строго сферической формы одинакового диаметра. Типичные значения меры отклонения диаметров частиц от среднего значения составляют 1 – 3 % (при диаметре частиц 0.1 – 10 мкм) и 10 – 30 % (для частиц диаметром менее 0.06 мкм и более 10 мкм). Полимерные микросферы с узким РЧР применяются в самых различных областях науки и техники, например, в качестве калибровочных эталонов в электронной и оптической спектроскопии, при подсчете аэрозольных частиц, при малоугловой рефракции рентгеновских лучей, для определения размеров пор фильтров и биологических мембран и т. д. [158, 159].
Одной из важнейших задач современной медицины и ветеринарии является экспресс-диагностика различных заболеваний, не требующая стационарного оборудования. В последние десятилетия частицы монодисперсных функциональных суспензий широко используются в качестве носителей белков при создании иммунодиагностических тестов, полученных на основе конъюгатов «полимерная микросфера-биолиганд» [160, 161]. Принцип работы тестов основан на иммунохимической реакции между антигеном и антителами с образованием комплекса антиген-антитело. Относительная простота и дешевизна анализа в сочетании с высокой чувствительностью и специфичностью метода позволяет проводить качественную диагностику обнаружения макромолекулярных маркеров различных заболеваний практически в любых условиях.
Преимущества использования полимерных микросфер в качестве носителей биолигандов состоят в возможности получения полимерных суспензий с заданным диаметром частиц и узким распределением их по размерам, наличием на их поверхности функциональных групп, способных ковалентно связываться с биолигандами. К функциональным группам, способным непосредственно реагировать с карбоксильными, амино- или сульфгидрильными группами биолигандов, относятся альдегидные, хлорсульфоновые, хлорметильные, эпоксидные группы. Карбоксильные, гидроксильные, амидные и гликолевые группы могут взаимодействовать с биолигандами после относительно простой предварительной активации [162, 163].
На сегодняшний день в литературе описано значительное количество разнообразных методик и подходов к получению полимерных микросфер с функциональными группами различной природы на поверхности (эмульсионная, суспензионная, дисперсионная, осадительная, безэмульгаторная, затравочная полимеризация). При этом выбор метода синтеза определяется комплексом физико-химических характеристик, которыми должны обладать микросферы: строением и диаметром частиц при унимодальном распределении по размерам, стабильностью в физиологических растворах и при хранении. Полистирольные суспензии нашли широкое применение в иммунодиагностических исследованиях ввиду того, что полистирольные микросферы с требуемыми характеристиками могут быть легко получены [164, 165, 166, 167]. Однако, несмотря на большое количество предлагаемых методов получения диагностических тест-систем, до сих пор актуальной является задача подбора микросфер с оптимальными физико-химическими параметрами, пригодными для использования в качестве диагностических тест-систем для конкретных заболеваний, что делает работы в данной области важными и актуальными.
В этом плане заметно возрос интерес к амфифильным блок-сополимерам, состоящим полностью из биоинертных биоразлагаемых блоков. Например, стабильность ряда прямых эмульсий (типа «масло в воде») в присутствии PEO PCL диблок-сополимеров [168], микрокапсулирование и выделение ароматических веществ из микрокапсул PEO-PCL [169], а также исследование взаимодействия на межфазной границе триблок-cополимеров PEO-PCL-PEO и эмульгатора Arlacel P-135 (ПЭГ-30 диполигидроксистеарат) в сложных эмульсиях (В/М/В) [170]. Из данных работ следует, что топология и гидрофильно липофильный баланс блок-сополимеров этиленоксида и -капролактона оказывают существенное влияние на морфологию капсул и устойчивость сложных эмульсий. В работе [171] описано влияние состава тройных сополимеров PEO-PCL-PEO на физические свойства сложных эмульсий (В/М/В), содержащих в качестве модельного вещества ascorbic acid-2-glucoside. Установлено, что изменение соотношения [CL]/[EO] существенно влияет на температуру кристаллизации и морфологию агрегатов. Показано, что для стабилизации сложных эмульсий оптимальными являются сополимеры с более длинными гидрофобными PCL-блоками.
Так, авторами статьи [172] получены высокостабильные наноэмульсии типа «масло в воде», межфазная граница которых стабилизирована агрегатами диблок-сополимеров PEO-PCL. Применяя ультразвуковое излучение и метод инверсии фаз, можно получить стабильные эмульсии (с диаметром капель около 200 нм), устойчивые к гравитационным силам, изменению ионной силы и ph раствора.
В работе [173] были приготовлены устойчивые эмульсии ретинола с повышенным проникновением через кожу. В качестве стабилизаторов эмульсий использовались смеси триблок-сополимера PEO-PCL-PEO (с различной длиной гидрофобного PCL-блока) и эмульгатора Tween 20. Показано, что полученные эмульсии устойчивы к термическим воздействиям и УФ-излучению, а профиль проникновения ретинола через кожу зависит от ГЛБ блок-сополимеров.
Характеризация полиэфирполиола Boltorn
В промышленности полиэфиры Boltorn синтезируют, как правило, поликонденсацией низкомолекулярных многоатомных спиртов (таких как, например, глицерин, пентаэритрит, триметилолпропан и др.), используемых в качестве исходного разветвляющего центра, с 2,2-бис-метилолпропионовой кислотой (МПК), имеющей в своем составе две гидроксильные и одну карбоксильную группу (мономер типа АВ2). При конденсации МПК в присутствии триметилолпропана (рисунок 3.2.1) каждое новое звено добавляет две новые функции (ОН-группы), причем одновременно две исчезают с выделяющейся водой (–ОН и –СООН группы).
Из представленной на рисунке 3.2.1 простейшей модели конденсации триметилолпропана с тремя эквивалентами 2,2-бис-метилолпропионовой кислоты видно, что, независимо от того, каким образом протекает поликонденсация, в чисто линейную цепь или же с идеальным разветвлением, количество свободных функциональных -ОН групп в конце процесса зависит только от мольного соотношения стартерной молекулы и мономера (МПК).
Степень разветвленности - важный молекулярный параметр для характеристики макромолекул, тесно связанный с их физико-химическими свойствами. В структуре сверхразветвленных полиэфирполиолов имеются не только дендритные (разветвляющие) и концевые (терминальные) повторяющиеся структурные блоки, но также линейные звенья, имеющие непрореагировавшие функциональные группы. Линейные группы рассматриваются как дефекты в сверхразветвленных макромолекулах. Для описания структуры гиперразветвленных полимеров в 1991 г. Frechet с соавт. [186] ввели термин «степень разветвления» (degree of branching, DB) как функцию соотношения между дендритными (D), линейными (L) и терминальными (Т) структурными единицами, рассчитываемую по следующему соотношению: где D, L и Т - доли дендритных, линейных и терминальных (концевых) повторяющихся звеньев.
Для систем, построенных на основе мономеров типа АВ2, Frey с соавт. предложили другое уравнение [187], сводящееся к отношению удвоенного числа дендритных (разветвляющих) звеньев (D) к максимально возможному количеству звеньев (2D + L) в системе:
В соответствии с последним уравнением, степень разветвления находится в пределах между DB = О для линейных полимеров и DB = 1 для идеальных дендритных структур (рисунок 3.2.2). Для проявления свойств, присущих сверхразветвленным полимерам, параметр должен достигать 0.4. Как правило, для сверхразветвленных полимеров, полученных из мономеров AB2-типа, не превышает 0.5 [93]. Промышленно выпускаемый полиэфирполиол Boltorn может содержать в качестве исходного разветвляющего ядра как тетрафункциональный этоксилированный пентаэритрит, так и трифункциональный триметилолпропан. Среднее число гидроксильных групп, приходящихся на одну макромолекулу, довольно сложно определить экспериментально. Доля дендритных (D), линейных (L) и терминальных (T) повторяющихся единиц полиэфира Boltorn может быть оценена на основе данных спектроскопии 1H-ЯМР (в ДМСО-d6), интегрированием протонов метильных групп терминальных, линейных и дендритных повторяющихся звеньев, резонирующих при 1.02, 1.07 и 1.17 ppm, соответственно (рисунок 3.2.3) [93].
Для подтверждения заявленного производителем строения, а также расчета степени разветвленности используемого в работе полиэфирполиола Boltorn H40, были проведены исследования методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса (1H и 13С). Из 1H-ЯМР спектра видно (рисунок 3.2.4), что в структуре исследуемого соединения имеются химические сдвиги, соответствующие метильным (три типа, группа сигналов при 0.95-1.25 м.д.), метиленовым (два типа: -CH2-OH при 3.3-3.5 м.д. и -CH2-OR при 3.9-4.2 м.д.) и свободным гидроксильным группам (два типа: при 4.45-4.25 м.д. и 4.8-5.0 м.д.).
Для расчета степени разветвленности и среднечисловой молекулярной массы интегрировали группы протонов метильных терминальных, линейных и дендритных повторяющихся звеньев. Установлено, что для данного образца степень разветвленности = 0.43, что согласуется с литературными данными для полиэфиполиолов данного типа [93]. Из отношения интегральных интенсивностей протонов метильных групп терминального, линейного и дендритного типа к интенсивности протонов метильной группы центральной разветвляющей молекулы триметилолпропана (0.85 м.д.) рассчитали среднее число звеньев 2,2-бис-метилолпропионовой кислоты, которое оказалось, в среднем, равным 62. Количество концевых гидроксильных групп для полимеров такого типа (В3-стартер, АВ2-мономер): N(OH-) = N (АВ2 звеньев) + 3 = 62 + 3 = 65, что близко к заявленному производителем (64 гидроксила).
Дополнительным подтверждением строения полиэфирполиола Boltorn являются углеродные спектры, полученные нами в ДМСО-СІ6.
Из приведенного на рисунке 3.2.5 углеродного спектра видно, что в структуре полиэфирполиола Boltorn имеются сигналы следующих типов: от метильных групп (15-16 м.д.), от трех видов четвертичных углеродных атомов (дендритные при 46.0-46.5 м.д., линенйые при 48.0-48.5 м.д. и терминальные при 50.0-50.5 м.д.), группа сигналов при 62.0-65.0 м.д. от метиленовых групп, а также три типа карбонильных групп (сигналы в области 171-175 м.д.). Как будет видно из дальнейшего изложения, в процессах последующей химической модификации нам будут особенно интересны данные, полученные методом 13C-ЯМР спектроскопии.
Для анализа структуры полиэфира Boltorn также использовали данные, полученные методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и рентгеноструктурного анализа (РСА).
Методом РСА установлено, что полиэфирполиол Boltorn H40 характеризуется низким упорядочением. Для сравнения, на одном графике показаны рентгенограммы (рисунок 3.2.6), полученные для исходного Boltorn H40 (B40), для трижды переосажденного Boltorn H40 (B403) и для полиэфира Boltorn H20 (B20). Для Boltorn H40 межплоскостное расстояние, рассчитанное по формуле Брэгга-Вульфа, составляет 5 .
Исследование гетерофазной полимеризации стирола в присутствии полиэфирполиола Boltorn и его производных
Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал по исследованию полимеризации виниловых мономеров в присутствии нерастворимых в воде ПАВ позволяет рассматривать эти процессы как самостоятельный раздел в области гетерофазной полимеризации. Это обусловлено необычным поведением нерастворимого в воде ПАВ – образованием прямой эмульсии типа «масло в воде» и формированием адсорбционных слоев на поверхности полимерно-мономерных частиц (ПМЧ), обеспечивающих устойчивость реакционной системы при концентрациях, много меньших, чем при прочих равных условиях в присутствии растворимых в воде ПАВ, и образованием полимерной суспензии с узким распределением частиц по размерам.
Анализ многочисленных экспериментальных результатов привел к заключению, что наблюдаемые эффекты обусловлены особыми свойствами ПАВ. Это: растворимость в мономере, несовместимость с образующимся в процессе полимеризации полимером, отсутствие растворимости в воде, высокая поверхностная активность на границе мономерный раствор ПАВ/вода, и образование ПМЧ по одному механизму – из микрокапель мономера.
Наличие этих свойств позволяет формировать межфазные адсорбционные слои на границе раздела фаз за счет адсорбции ПАВ из углеводородной фазы и принудительного вытеснения его образующимся полимером с начала полимеризации. Таким образом, практически весь ПАВ оказывается сосредоточенным на границе раздела фаз, формируя структуру частиц типа «ядро-оболочка». Можно ожидать, что нерастворимые в воде блок-сополимеры на основе гиперразветвленного полиэфирполиола 2,2-бис-метилолпропионовой кислоты обладают подобными свойствами.
С целью выяснения особенностей полимеризации малорастворимых в воде мономеров в присутствии новых видов ПАВ, нерастворимых в воде полиэфира Boltorn и полученных на его основе многолучевых полимеров с лактидом и этиленоксидом, необходимо было изучить топохимические и кинетические закономерности гетерофазной полимеризации стирола. В качестве инициатора использовали персульфат калия, традиционно применяемый при полимеризации этих мономеров.
Были изучены зависимости скорости полимеризации, молекулярных масс полимеров и диаметров частиц от конверсии мономера, объемного соотношения мономер/водная фаза, концентрации инициатора, ПАВ и температуры.
Изучена полимеризации стирола в присутствии сверхразветвленного полиэфира 2,2-бис-метилолпропионовой кислоты (Boltorn H40). Из анализа коллоидно-химических свойств Boltorn, близких к характеристикам других нерастворимых в воде ПАВ, можно было предположить, что и кинетические закономерности полимеризации стирола в их присутствии тоже будут такими же [157, 188].
На рисунке 3.2.41 приведены кинетические кривые полимеризации стирола. Видно, что реакция в присутствии Boltorn протекает практически без индукционного периода, соответствующего стадии формирования ПМЧ из микрокапель мономера. Число микрокапель мономера в исходной эмульсии зависит от величины межфазного натяжения, 1,2, и от времени формирования в межфазных слоях ПМЧ структурно-механического и электростатического барьеров, определяющих их устойчивость.
Полимеризация протекает с постоянной скоростью до конверсии 80 %, а затем скорость процесса уменьшается из-за снижения концентрации мономера в ПМЧ. Полная конверсия мономера достигается за 6 часов.
Постоянство скорости полимеризации в таких процессах обычно объясняют протеканием двух процессов, приводящих к снижению концентрации мономера из-за его расхода, увеличению вязкости среды при повышении содержания полимера в объеме ПМЧ, уменьшению скорости реакции обрыва, увеличению концентрации радикалов и, соответственно, скорости полимеризации. При этом необходимо учитывать, что в каплях мономера, растворен ПАВ, то есть уже в исходной эмульсии вязкость мономера повышена.
Инициирование полимеризации стирола персульфатом калия начинается в водной фазе (растворимость стирола в воде составляет 0.03 %). Образующиеся олигомеры, в состав которых, согласно литературным данным, входит не менее трех звеньев стирола, представляют собой ПАВ, которые адсорбируются на поверхность капель, инициируя полимеризацию в поверхностных слоях ПМЧ.
Электростатический барьер устойчивости в межфазном слое формируется из концевых SO42- - групп полимерных цепей, фрагментов молекул инициатора, ориентированных в сторону водной фазы. Структурно-механический барьер стабилизации начинает формироваться из полимера, который образуется в поверхностных слоях капель и выпадает, так как вода является осадителем полимера.
Образующийся в процессе полимеризации в объеме капель полистирол несовместим с ПАВ и практически с самого начала полимеризации происходит принудительное вытеснение ПАВ полимером на границу раздела фаз и дальнейшее формирование межфазного слоя, прочность которого в значительной степени определяет устойчивость реакционной системы.
Таким образом, структурно-механический барьер в межфазном слое ПМЧ формируется с самого начала полимеризации. В образовании межфазного слоя принимает участие полимер, образующийся в объеме полимерно-мономерных частиц и на границе раздела фаз со стороны водной фазы, при инициировании полимеризации персульфатом калия. Этот полимер образует своеобразный каркас на поверхности ПМЧ, так как выпадает, поскольку вода является осадителем полимера. Кроме того, в формировании структурно-механического барьера стабилизации в межфазном слое ПМЧ участвует ПАВ, адсорбированный в поверхностном слое из объема капель мономера при образовании эмульсии мономера и принудительно вытесненный полимером в процессе полимеризации.
Для сравнения на этом же рисунке (рисунок 3.2.41) представлены кривые конверсия-время, полученные в тех же условиях, но в присутствии Плюроник Р123, , -бис[гидрокси-9-этоксипропил]полидиметилсилоксана (ПДМС-ПЭО) и полиоксиалкиленорганосилоксанового блок-сополимера (ПООСБ), – соответственно, кривые 2, 3 и 4. Видно, что они имеют одинаковую форму: небольшой индукционный период, период постоянной скорости до конверсии мономера 60-80 % и период, в котором скорость полимеризации уменьшается из-за снижения концентрации мономера в ПМЧ. При полимеризации стирола в присутствии ПДМС – ПЭО и ПООСБ при конверсии мономера, равной 60 %, наблюдается гель-эффект.
Как видно из данных таблицы 3.2.9, значения скоростей полимеризации и диаметров частиц близки, что позволяет считать, что полимеризация в присутствии исследованных ПАВ протекает в сопоставимых условиях. Полимерно-мономерные частицы, ПМЧ, образуются из капель мономера, при попадании в них радикалов из водной фазы, и на их поверхности формируются прочные межфазные слои из ПАВ. Эти выводы подтверждаются отсутствием коагулюма и узким распределением частиц по размерам, т. е. высокой устойчивостью реакционной системы в процессе полимеризации.
Гистограммы распределения частиц по размерам и микрофотографии частиц представлены на рисунке 3.2.42. Все частицы полимерных суспензий характеризуются идеальной сферичностью и узким распределением по размерам, их диаметры изменяются в интервале 0.5-1 мкм.
На основе полиэфира Boltorn, L-лактида и полиэтиленоксида были синтезированы гиперразветвленные амфифильные многолучевые блок сополимеры. Так как поли-L-лактид и полиэтиленоксид представляли собой поверхностно-активные вещества, то представлялось интересным изучить полимеризацию стирола в их присутствии в условиях, аналогичных используемым при исследовании полимеризации в присутствии полиэфирполиола Boltorn.