Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы. 8
2.1. Полимерные гидрогели - основные понятия. 8
2.2. Вода в гидрогелях . 12
2.3. Структура пористых полимерных материалов. 14
2.4 Структура и свойства поливинилового спирта. 18
2.4. Структурообразование в растворах поливинилового спирта 20
2.4.1. Физические гидрогели поливинилового спирта. 20
2.4.2. Использование низкомолекулярных сшивающих агентов для создания гидрогелей поливинилового спирта. 23
2.4.3. Радиационная сшивка гидрогелей поливинилового спирта. 26
2.4.4. Использование химически модифицированного поливинилового спирта для создания полимерных гидрогелей. 27
2.5. Гелеобразование в замороженных системах 29
2.5.1. Состав замороженной системы 30
2.5.2. Жидкая фаза в замороженных системах 31
2.5.3.Невымороженный растворитель 32
2.3.4. Гидрогели, образующиеся при реакциях в условиях криоструктурирования. 35
3. Обсуждение результатов. 43
3.1. Исследование процесса модификации поливинилового спирта глицидилметакрилатом. 45
3.2. Исследование закономерностей гелеобразования в растворах модифицированного поливинилового спирта в криоусловиях. 54
3.2.1. Влияние концентрации макромера в реакционной системе. 55
3.2.2. Влияние концентрации инициатора . 58
3.2.3. Влияние температуры. 60
3.2.4. Влияние степени замещения макромера. 62
3.3. Исследование морфологии образующихся полимерных макропористых гидрогелей. 64
3.3.1. Влияние концентрации макромера в реакционной смеси на структуру образующихся гидрогелей. 67
3.3.2. Влияние температуры синтеза на структуру образующихся гидрогелей. 70
3.3.3. Влияние концентрации инициатора на структуру образующихся гидрогелей. 74
3.4. Определение плотности пространственной сетки гидрогелей. 76
3.5. Исследование набухаемости полученных гидрогелей. 80
3.6. Взаимодействие полученных гидрогелей с тканями организма и примеры их практического применения. 88
3.6.1. Исследование токсичности полученных гидрогелей. 88
3.6.2. Примеры практического применения полученных гидрогелей . 89
4. Экспериментальная часть. 91
4.1. Характеристика исходных веществ. 91
4.2. Исследование процесса модификации поливинилового спирта 92
4.2.1 Модификация поливинилового спирта. 92
4.2.2 Анализ состава модифицированного полимера. 92
4.2.3. Расчет констант скорости реакции модификации поливинилового спирта. 95
4.3. Синтез и исследование полимерных макропористых гидрогелей . 102
4.3.1 Синтез полимерных макропористых гидрогелей 102
4.3.2. Определения плотности пространственной сетки гидрогелей 104
4.3.3. Исследование морфологии поверхности полимерных гидрогелей. 106
4.3.4. Исследование осмотических свойств, полученных гидрогелей. 109
Приложение
Выводы. 135
Список литературы. 137
- Вода в гидрогелях
- Влияние концентрации инициатора
- Примеры практического применения полученных гидрогелей
- Синтез и исследование полимерных макропористых гидрогелей
Введение к работе
Актуальность работы. Полимерные гидрогели, в силу ряда уникальных свойств, позволяющих использовать в их различных областях, связанных с медициной и биотехнологией, привлекают в последние десятилетия все большее внимание исследователей. Особое место среди полимерных гидрогелей занимают, так называемые, макро - и суперпористые полимерные гидрогели, то есть гидрогели, обладающие системой пор с размерами в десятки и сотни микрометров. В литературе описаны примеры их применения в качестве компонентов систем с контролируемым выделением лекарственного вещества, подложек для клеточной инженерии, материалов для имплантатов и пломбировочных материалов в хирургии, высокоэффективных сорбентов для разделения и очистки белков, и т.п.
Одним из наиболее доступных типов макропористых гидрогелей, являются, так называемые, криогели поливинилового спирта-полимера, обладающего высокой биосовместимостью и широко применяющегося в медицине на протяжении уже десятков лет, которые образуются при замораживании и последующем оттаивании растворов этого полимера.
Однако, как правило, такие системы являются термически нестабильными и разрушаются, переходя в водный раствор при нагревании, и, в силу этого, требуют дополнительного закрепления структуры, зачастую, с использованием токсичных сшивающих реагентов или жесткого излучения. Все это, в значительной степени, усложняет и удорожает технологию получения таких пористых систем, а также существенно ограничивает возможные сферы их применения.
Поэтому разработка методов и подходов, позволяющих получать на основе поливинилового спирта макропористые гидрогели, лишенные этих недостатков представляет значительный интерес.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлось получение макропористых полимерных гидрогелей на основе поливинилового спирта, обладающих, по сравнению с широко известными физическими криогелями поливинилового спирта, повышенной термической стабильностью и степенью развитости пор.
Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:
- синтез модифицированного полимера на основе поливинилового спирта, содержащего в боковой цепи группы, содержащие кратные связи в количестве достаточном для образования трехмерной пространственной структуры в результате сшивки по свободно-радикальному механизму в присутствии инициаторов радикальной полимеризации, при незначительном изменении физико-химических и токсических свойств модифицированного полимера, по сравнению с исходным поливиниловым спиртом; исследование процесса модификации поливинилового спирта;
- изучение влияния различных факторов на процесс образования сшитых макропористых гидрогелей на основе модифицированного поливинилового спирта в воднозамороженных растворах и выявлении оптимальных условий синтеза;
- исследование свойств, строения, макроструктуры образующихся макропористых гидрогелей;
- исследование санитарно-токсикологических характеристик полученных гидрогелей, изучение возможности их практического применения;
Обоснование выбора объектов исследования. Конкретным объектом исследования стали макропористые полимерные гидрогели на основе метакриловых производных поливинилового спирта, образующиеся в результате радикальной полимеризации в воднозамороженных растворах.
Использование высокомолекулярного макромера, содержащего в боковой цепи двойные связи, позволило получать химически сшитые гидрогели, устойчивые, в отличие от физических гидрогелей поливинилового спирта, даже при температуре близкой к точке кипения воды.
Проведение же процесса сшивки в условиях криоструктурирования позволило получать после оттаивания системы, обладающие развитой системой сообщающихся пор с размерами в десятки и сотни микрометров.
Научная новизна. В работе впервые в условиях криоструктурирования синтезированы макропористые полимерные гидрогели на основе поливинилового спирта устойчивые к нагреванию и не требующие дополнительной фиксации структуры. Исследован процесс сшивки в воднозамороженных растворах. Выявлено влияние условий синтеза на морфологию поверхности образующихся систем, изучены деформационные свойства и проведена оценка параметров пространственной сетки полученных гидрогелей. Выявлена корреляция между степенью развитости пористости полученных полимерных гидрогелей и их осмотическими свойствами. Продемонстрирована высокая биосовместимость полученных макропористых систем.
Практическая значимость работы. В работе синтезированы новые макропористые полимерные гидрогели поливинилового спирта, обладающие высокой термической стабильностью, значительным водопоглощением, незначительно изменяющимся при изменении внешних условий - ионной силы и величины водородного показателя раствора, высокой биосовместимостью, достаточной механической прочностью.
Предложено использовать разработанные макропористые гидрогели в качестве основы для материала для замещения дефектов мягких тканей и послеоперационных полостей, а также как компонент системы для лечения ран и ожогов.
Вода в гидрогелях
Характер воды, поглощенной гидрогелем имеет значительное практическое значение, поскольку, он может определять общее распространение питательных веществ в объем и продуктов жизнедеятельности клеток из объема геля при его практическом применении.Когда сухой гидрогель начинает абсорбцию воды, первые молекулы воды, проникающие в матрицу, гидратируют наиболее полярные гидрофильные группы, приводя к «первично связанной воде». Когда полярные группы гидратированы, сетка полимера набухает, и становятся доступными гидрофобные группы, ведущие к гидрофобно-связанной воде, или «вторично связанной воде» [3, 5]. Первично и вторично связанную воду часто объединяют и для простоты называют «общей связанной водой», или просто «связанной водой» [3,7]. После связывания молекул воды полярными и гидрофобными участками полимерной сетки, она поглощает дополнительное количество воды, вследствие осмотической движущей силы полимерных цепей к бесконечному растворению. Это дополнительное набухание, которому препятствуют ковалентные или физические сшивки, вызывающие упругие силы сжатия сетки. Таким образом гидрогель достигнет уровня равновесного набухания. Вода дополнительного набухания, которая поглощается, после того как ионные, полярные и гидрофобные группы полностью насыщаются связанной водой, называется «свободной водой» или «блочной водой» и, предположительно, зполняет пространство между цепями сетей или объем средних пор, макропор или пустот [3].
При набухании сетки, в том случае, если основная цепь полимера или связи между цепями деградируемы, гель начнет разрушаться и растворяться в степени зависящей от его строения. Следует отметить, что, несмотря на то, что, довольно часто, используемые на практике полимерные гидрогели не могут быть высушены полностью, общее количество воды в геле всегда, тем не менее, суммируется из «связанной» и «свободной» воды. Существует ряд методов, использованных рядом исследователей для оценки относительных долей свободной и связанной воды, в общем количестве воды в гидрогелях. Все они, однако, не бесспорны, так как, согласно данным ЯМР, обмен молекулами воды, находящимися, в так называемых, свободных и связанных состояниях происходит очень быстро, порядка одной молекулы Н20 каждые 10" с. [3] Для описания состояния воды в гидрогелях наиболее часто используются методы ЯМР, динамической калориметрии и методы, основанные на использовании низкомолекулярных стандартов и моделей. При использовании веществ-стандартов, гидрогель помещают в раствор меченого вещества, и измеряют концентрацию молекул стандарта в геле после установки равновесного состояния [3,5]. Допуская, что только свободная вода в геле может растворять вещество стандарта, можно вычислить содержание свободной воды из количества поглощенных молекул и известной концентрации внешнего раствора. В этом случае, количество связанной воды вычисляется при вычитании из общего содержания воды количества свободной воды, определенного опытным путем.
Дополнительными допущениями при использовании такой методики является, что (а) растворенное вещество не влияет на распределение свободной и связанной воды в геле, (б) вся свободная вода в геле доступна для растворенного вещества, (в) концентрация растворенного вещества в свободной воде гидрогеля равна концентрации во внешнем растворе и (г) растворенное вещество не взаимодействует с цепями матрицы геля [3,5]. Использование динамической калориметрии основано на предположении, что только свободная вода может быть заморожена. Таким образом, предполагается, что эндотерма, определяемая при нагревании замороженного геля, представляет плавление свободной воды, и это значение приводит к количеству свободной воды в исследуемом образце. Затем количество связанной воды определяется как разница между найденным общим содержанием воды, определенным в тестируемом образце гидрогеля, и вычисленным по данным калориметрии содержанием свободной воды [3]. Согласно [13], под надмолекулярной структурой понимают «внутреннее строение, характер взаимосвязи и взаимное расположение в пространстве элементов, образующих макроскопическое полимерное тело». Отсюда следует, что для описания структуры материала необходимо, во-первых, охарактеризовать внутреннее строение элемента или элементов, из которых оно построено, во-вторых, установить характер и способ взаимодействия элементов между собой, и, наконец, определить пространственное расположение элементов относительно друг друга. Очевидно, что для пористых гидрогелей в качестве элемента, образующего фазовую организацию материала, выступает фрагмент дисперсной фазы - «пора», взаимосвязь пор осуществляется через фазу полимерного каркаса, а их взаимное расположение определяется координационными числами, которые связаны с содержанием пор в единице объема (общей пористостью). Таким образом, пористые полимерные гидрогели представляют собой дисперсную систему, состоящую из ячеек разделенных областями полимера. Эти области, образующие стенки ячеек, составляют в совокупности каркас, который и является основой материала. По определению: «поры - это пустоты в твердом теле», «поры - это фазовые образования, а пористые материалы - дисперсные системы» [14]. Именно это отличает поры и пористость от «дырок», «вакансий» и «свободного объема тел», имеющих термофлуктуационную природу и связанных с тепловым движением фрагментов макромолекулярных цепей. Пористость материалов, и, в частности, полимерных, характеризуется общей пористостью (фпор), удельной поверхностью (Sy4), распределением пор по размерам.
Различают «открытую», или «доступную», и «закрытую» «недоступную» пористость. Закрытая пористость обусловлена наличием пор, изолированных друг от друга, от внешней поверхности, а также от системы открытых пор. Системы с открытой пористостью наиболее полно разработаны применительно к таким материалам как активированные угли, катализаторы, цеолиты, пористые стекла, мембраны и др. При описании структуры систем с открытой пористостью пользуются двумя подходами. Первый основан на представлении о том, что пористость связана с наличием пустот между отдельными зернами, слоями, кристаллами и другими элементами структуры материала. При этом используют ряд упрощающих моделей: глобулярная модель, модель пор между круглыми дисками, модель пор между многогранниками, модель щелевидных пор, модель пор между круглыми стержнями, модель цилиндрических капилляров, модель бутылкообразных пор [14]. При прогнозировании параметров пористости в таких системах обычно устанавливают связь между геометрическими характеристиками, как частиц, так и пор, расположенных между ними, считая, что их доступная поверхность равна или составляет определенную часть геометрической поверхности частиц. В подобных расчетах используется также истинная плотность частиц и коэффициент доступности. Последний определяют как долю геометрической поверхности частиц, которая доступна для молекул сорбата определенного размера. Полученные таким образом соотношения позволяют численно связать геометрию пор с геометрией частиц и плотностью их упаковки. Второй подход связан главным образом с геометрическими размерами пор. Применительно к полимерным гидрогелям выделяют
Влияние концентрации инициатора
С целью определения оптимальной температуры синтеза был проведен ряд реакций при различных температурах. 100 На Рис. 16 и Рис. 17 представлены зависимости выхода от температуры синтеза. Из температурной зависимости видно, что снижение температуры от 0 - -5 С, когда система во время процесса остается жидкой, до -10 - -15 С, когда реакционная смесь находится в твердом состоянии, приводит к заметному возрастанию скорости реакции и увеличению выхода гидрогеля. При дальнейшем понижении температуры скорость реакции и выход снижаются. Аналогичная картина наблюдалась и ранее в ряде других процессов полимеризации, происходящих в воднозамороженных системах [22, 163-164, 169-173], и может объясняться, по всей вероятности, сложным характером вкладов различных физико-химических процессов, определяющих протекание полимеризации. Так, замораживание системы ведет к существенному увеличению эффективной концентрации реагентов [69-72]. В результате в межкристаллическом пространстве взаимодействующие компоненты оказываются пространственно сближенными, таким образом выполняется одно из важных условий осуществления реакции. Помимо этого, физико-химические свойства воды существенно меняются при понижении температуры [73]. Ускорение реакции может объясняться как увеличением полярности среды в жидкой микрофазе, так и возрастанием вследствие этого скорости реакции. Известно, что диэлектрическая проницаемость воды растет при понижении температуры линейно как функция обратной температуры [74, 75]. С понижением температуры происходит также возрастание вязкости воды на несколько порядков [77, 78]. Наличие вышеперечисленных факторов приводит к тому, что в замороженных растворах достигается особенно большой эффект ускорения реакции, вследствие чего выход продукта увеличивается и достигает максимального значения при температуре -10--15 С. При дальнейшем снижении температуры начинают, вероятно, оказывать превалирующее влияние кинетические факторы, сказывающиеся в уменьшении скорости реакции при понижении температуры в соответствии с уравнением Аррениуса.
Кроме того, дальнейшее повышение вязкости может затруднить диффузию реагентов и тем самым повлиять на скорость реакции. Необходимо учитывать и то, что при понижении температуры генерация свободных радикалов (распад персульфата калия), возможно, также замедляется, и возрастает относительная доля процессов обрыва. Реакции, проведенные в воднозамороженных растворах модифицированного поливинилового спирта с различной степенью замещения, показали, что образование сшитых макропористых гидрогелей со значимым выходом имело место уже для полимера со степенью замещения гидроксильных групп менее одного процента. Однако гидрогели, образовавшиеся из макромеров со степенями замещения менее порядка 2 %, характеризовались очень низкой механической прочностью и разрушались даже при незначительном механическом воздействии. При увеличении степени замещения происходило значительное улучшение механических свойств и рост выхода гидрогелей до порядка 90 %. ажурной структурой с большим содержанием пор, стенки которых состоят из ассоциатов макромолекул (Рис. 20А), так и системы, находящиеся в другой области структурно-морфологической организации - области обращения фаз (Рис. 20Б). В этом случае, как видно на микрофотографиях, основное поле рисунка занимают фибриллярные, ламилярные, древовидные, дендрические образования, состоящие из сшитого полимера, внутри и между которых расположены случайно распределенные дисперсные поры. Помимо этого, в отдельных случаях, были получены системы, в которых поры представляют собой дефекты структуры, образовавшиеся в результате кристаллизации воды в объеме сформировавшегося изотропного геля (Рис. 20В). Помимо крупных макропор с размерами в десятки микрометров, в основном, определяющих физико-химические характеристики исследуемых макропористых гелей, в их структуре присутствует большое количество более мелких мезо- и микроразмерных пор (Рис. 20Г), представляющих собой дефекты в стенках макропор, существенно увеличивающих удельную поверхность последних и обеспечивающие дополнительное сообщение между макропорами гидрогеля. Как видно, большая часть пор представлена умерено вытянутыми порами с соотношением между наибольшим и наименьшим диаметром поры менее 1 к 3-м. Подобный характер распределения, в целом, не зависел от условий синтеза гидрогеле, и среднее значение соотношения между наибольшим и наименьшим диаметром поры находилось в интервале от 1 к 2,1 до 1 к 3,2. Количественная обработка микрофотографий образцов гидрогелей проводилась путем выбора эквивалентного радиуса поры, площадь которой равна площади обрабатываемой поры. Причем поиск этого оптимума происходил визуально. Такой выбор связан со сложной морфологией поверхности полученных макропористых гидрогелей. Процесс формирования пористой структуры при криоструктурирования характеризуется двумя конкурирующими процессами - образованием кристаллов льда, образующих после размораживания крупные поры системы, и формированием матрицы сшитого полимера, препятствующей росту кристаллов. В том случае, если скорость образования пространственной сетки сшитого полимера невысока и кристаллизация воды протекает беспрепятственно, образуется система, характеризующаяся развитой пористостью и достаточно крупными сообщающимися между собой порами.
В обратном случае, если скорость образования фазы полимера превышает скорость кристаллизации воды, образуется материал со слаборазвитой пористостью, обогащенный несвязанными между собой мелкими порами, представляющими собой дефекты структуры, возникшие вследствие кристаллизации воды в объеме изотропного гидрогеля. На практике же, как правило, реализуется некий промежуточный вариант протекания процесса формирования пористой структуры, определяемый соотношением скоростей кристаллизации и формирования полимерной фазы. Помимо этого, на процесс могут оказывать влияние и некоторые другие факторы, которые будут рассмотрены при обсуждении полученных нами результатов. Как было показано в предыдущих главах, в интервале используемых концентраций реакционной смеси простое замораживание системы в отсутствие инициирующей системы не вело к образованию физических гидрогелей поливинилового спирта. Поэтому можно предполагать, что формирование сетки гидрогеля происходит, преимущественно, после образования достаточного количества химических сшивок между полимерными цепями, требующего времени достаточного для кристаллизации воды. Однако, не стоит исключать и вероятности формирования микрообластей физических гелей, особенно в случаях относительно высоких концентраций реакционной системы, а также при глубоких степенях её заморозки.
Примеры практического применения полученных гидрогелей
По результатам токсикологических испытаний было предложено использовать синтезированные гидрогели в качестве основы для материала заполнения дефектов мягких тканей и послеоперационных полостей. Препарат, названный «ММ-Гель-Ф», в настоящее время проходит сертификацию в Федеральной службе по надзору в сфере здравоохранения и социального развития. В рамках проводимых клинический испытаний проводимых кафедрой торакальной хирургии РМАПО РАМН материал успешно использовался для заполнения послеоперационных полостей в операции экстраплеврального пневмолиза, проводимой по поводу деструктивного туберкулеза легких, о чем имеется соответствующее заключение (см. Приложение 4)
Кроме того, способность полученных гидрогелей поглощать и удерживать значительные количества жидкости позволили использовать их как увлажняющий элемент раневого покрытия (повязка «Гелиос»), что позволило снизить травмотичность при его использовании и увеличить лечебный эффект от применения покрытия. В настоящий момент комплекс проходит клинические испытания и сертификацию. Поливиниловый спирт (ПВС). В работе был использован поливиниловый спирт марки 9/1 производства Ереванского завода «Пластполимер» (Mw=25 000, количество остаточных звеньев поливинилацетата 1,32 мольн.%). Дополнительно очищался экстракцией метанолом в приборе Сокслета. Глицидиловый эфир метакриловой кислоты. В работе использован коммерческий препарат фирмы «Sigma», дополнительно очищавшийся вакуумной перегонкой (Ткип=78-78,5 С при давлении 2 мм. рт. ст.). Диметилформамид. В работе использовали отечественный препарат марки «ч.д.а.», не подвергавшийся дополнительной очистке. Ацетон. В работе использовался отечественный препарат, очищавшийся перегонкой при атмосферном давлении (Ткип= 56-57 С, nD =1,3596). Персульфат калия. Использовался коммерческий препарат фирмы «Sigma», не подвергавшийся дополнительной очистке. N,N,N ,N - тетраметилэтилендиамин. В работе был использован коммерческий препарат фирмы «Merck», не подвергавшийся дополнительной очистке. Вода. Очищалась перегонкой при атмосферном давлении. Перманганат калия. В работе использовался отечественный препарат марки «ч.д.а.», не подвергавшийся дополнительной очистке. Бром. В работе использовался отечественный препарат марки «ч.д.а.», не подвергавшийся дополнительной очистке. Тиосульфат натрия. В работе использовался отечественный препарат марки «ч.д.а.», не подвергавшийся дополнительной очистке. Иодид калия. В работе использовался отечественный препарат марки «ч.д.а.», не подвергавшийся дополнительной очистке. В трехгорлой колбе, снабженной верхнеприводной мешалкой, обратным холодильником, термометром, в диметилформамиде растворяли навеску поливинилового спирта. Раствор охлаждали до температуры реакции, добавляли раствор глицидилметакрилата в диметилформамиде и перемешивали при нагревании в атмосфере азота. По завершении процесса реакционную систему охлаждали. Полимер высаждали в ацетон. Выпавший полимер дважды переосаждали из воды в ацетон. Затем сушили в вакууме при комнатной температуре до постоянной массы.
При анализе состава, полимер после переосаждения растворяли в воде и дополнительно очищали диализом (диализные мешки Sigma 12 000), после чего сушили лиофильно (лиофильная сушка Иней 3-2, Россия). Для определения степени замещения синтезированных полимеров использовали метод, основанный на реакции Вагнера [177]- окислении двойных связей перманганатом калия в разбавленных растворах. Ряд источников утверждает, что присутствующие в составе исследуемого соединения гидроксильные группы могут окисляться перманганатом, что может влиять на точность определения двойных связей. Однако, как показали предварительные эксперименты, при концентрациях полимера, используемых при определении, для изменения концентрации перманганата калия при взаимодействии с гидроксильными группами поливинилового спирта, выходящего за пределы погрешности определения необходимо не менее 1 часа, тогда как полное окисление двойных связей проходило менее чем за 10 минут. Таким образом, окисление гидроксильных групп не могло сильно повлиять на точность анализа. Для нескольких образцов, с целью проверки точности используемого метода, степень замещения дополнительно определялась взаимодействием с водным раствором брома, а также посредством анализа спектров ПМР полимера (по отношению интегральных интенсивностей сигналов винильных (5,8 и 6,1 м.д.) протонов остатка глицидилметакрилата и метиленовых протонов основной цепи поливинилового спирта (1,4 м.д.)). Как можно видеть из приведенных данных, значения, полученные различными методами, достаточно близки (таб. 5). Определение состава полимера окислением перманганатом калия. Навеску полимера массой около 0,2 г. растворяли в 25 мл. воды. Аликвоту полученного раствора объемом 0,4 мл. смешивали с 19 мл. воды и
Синтез и исследование полимерных макропористых гидрогелей
Полимеризацию проводили в тонких стеклянных пробирках объемом 15 мл. Точные навески макромера растворяли в дистиллированной воде при нагревании. Раствор замораживали, а затем размораживали и нагревали до температуры 0-5, после чего добавляли инициирующую систему. Далее процесс проводили двумя способами: Метод А («простая» заморозка). После добавления инициирующей системы образцы в течение одной минуты помещали в криотермостат (Julabo F-32, США), где поддерживали заданную температуру с точностью ± 0,2 С в течение необходимого времени. Метод Б («температурная закалка»). После добавления инициирующей системы образцы в течение одной минуты помещали в сосуд Дьюара с жидким азотом и выдерживали на протяжении 5 минут, затем помещали в криотермостат (Julabo F-32, США), где поддерживали заданную температуру синтеза с точностью ±0,2 С в течение необходимого времени. Загрузки основных компонентов при получении макропористых гидрогелей приведены в таб. 9 и таб. 10 По завершении процесса реакционную систему быстро размораживали, образовавшиеся гидрогели промывали в кипящей воде до полного исчезновения в промывных водах непрореагировавших компонентов. Качество отмывки определяли, измеряя интенсивность поглощения в интервале длин волн 200-300 нм., при помощи спектрофотометра (Beckman DU-65, ФРГ). Отмытые гидрогели сушили в вакууме при температуре 35-40 С до постоянной массы. Определяли выход продукта.
Однако, при высушивании пористого геля поливинилового спирта, как и в случае большей части макро- и суперпористых гидрогелей [15], пористая структура, зачастую, коллапсировала вследствие поверхностного натяжения воды, «стягивающего» полимерные цепи вместе в процессе сушки. Чтобы избежать этой проблемы, в том случае, если полученные гидрогели предназначались для дальнейшего исследования или практического применения, воду внутри гидрогелей замещали этиловым спиртом, низкое поверхностное натяжение которого, предохраняло пористую структуру от коллапса при сушке, либо сушили лиофильно, как это описано в п. 4.2.1 Для определения деформационных свойств гидрогелей в набухшем состоянии была использована методика определения кривых напряжение-деформация при сжатии. Измерения проводили на образцах цилиндрической формы диаметром 14 мм. Толщина образцов, задавалась в процессе синтеза и в набухшем равновесном состоянии изменялась от 2 до 4 мм (измерение толщины, проводилось для каждого образца). Измерение деформации проводили на специально сконструированной установке, в основе которой были использованы аналитические весы АДМ-200. Схема установки представлена на Рис. 48. Ячейка, заполненная водой, в которой находился исследуемый образец, располагалась на одной из чашек весов. На поверхность образца через промежуточную алюминиевую пластину весом менее 0,5г осуществлялась сжимающее воздействие с помощью микрометрического винта от оптической системы микроскопа.
Точность изменения деформации составляла ±2мкм. После деформационного воздействия на каждом этапе с помощью правой чаши аналитических весов осуществлялось нагружение образца, таким образом, чтобы весы оказывались в состоянии равновесия. Полученный таким образом вес нагрузки относился к площади нагружения, а за тем использовался для расчета напряжения [о] деформации и построения кривой напряжение деформация О-Е. По результатам измерения пористой упругости рассчитывали эффективные значения сеток физических и химических узлов. Для расчета расстояния между узлами мы использовали уравнение для монолитных систем. Пористость учитывалась в значении плотности материала, поскольку жидкая фаза не участвует в процессе деформирования, а передает усилия на стенки полимерного каркаса. Результаты измерений и расчетов представлены в таб. 11 Образцы для исследования получали в разъемных стеклянных формах размером 100x50x3 мм, аналогично методикам, приведенным в п. 4.3.1. Однако с целью, сохранения макропористой структуры после промывки полученные гидрогели замораживали в жидком азоте (как было продемонстрировано ранее, при быстром охлаждении в структуре гидрогелей не происходит образования артефактов) и сушили лиофильно (лиофильная сушка «Иней 3-2», Россия). Был получен ряд образцов при различный условиях реакции таб. 12. Микрофотографирование образцов было любезно проведено в ИФХ РАН, в лаборатории проф. А.Е. Чалых. Подготовка образцов проводилась согласно стандартной методике. Снятие микрофотографий проводили на сканирующем растровом электронном микроскопе JSM U3 (Япония) (ускоряющее напряжение 15 кВ; ток электронного пучка - 1хЮ"10 Ампер), снабженном системой WinEDS.. Микрофотографии были получены при четырех увеличениях хЗООО, хЮОО, хЗОО, хЮО, х40 раз, соответственно.
