Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 9
1.1. Интерполиэлектролитные комплексы на основе водорастворимых полимеров 9
1.1.1. Комплексы, стабилизированные водородными связями 9
1.1.2. Комплексы, стабилизированные электростатическими взаимодействиями 12
1.1.3 . Комплексы амфифильных полимер ов, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями 18
1.2. Комплексы полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами 21
1.2.1. Взаимодействие полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами 21
1.2.2. Факторы, влияющие на процессы связывания ионов поверхностно-активных веществ с полиэлектролитами 26
1.2.3. Структура и свойства полимер-коллоидных комплексов
1.3. Использование полиэлектролитных комплексов 40
1.3.1. Области промышленного применения полиэлектролитов и полиэлектролитных комплексов 40
1.3.2. Биомедицинское применение полиэлектролитов и комплексов на их основе 44
1.3.3. Полиэлектролитные комплексы - контейнеры для лекарственных
Заключение к литературному обзору 53
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 55
2.1. Исходные вещества 55
2.2. Методики эксперимента 56
2.2.1. Проведение сополимеризации 56
2.2.2. Получение (со)полимеров при полимераналогичных превращениях 58
2.2.3. Определение состава сополимеров з
2.2.4. Вискозиметрия и оценка молекулярной массы 62
2.2.5. Методика получения частиц полимер-коллоидных комплексов и методы их исследования 64
2.2.5.1. Получение частиц полимер-коллоидных комплексов 64
2.2.5.2. Турбидиметрическое титрование раствора полиэлектролита раствором ПАВ 65
2.2.5.3. Определение размеров частиц полимер-коллоидных комплексов 65
2.2.6. Оценка растворимости о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислоты в растворе полисульфонилпирролидиний хлорида 66
2.2.7. Определение абсорбционной активности полимер-коллоидных комплексов 67
2.2.8. Изучение противовоспалительной активности наноразмерных дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлориде, модифицированного молекулами нестероидных противовоспалительных лекарственных веществ 69
ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение 72
3.1. Влияние различных факторов на размерные характеристики полимер коллоидных комплексов на основе полимеров 1Ч,1Ч-диаллил-1Ч,]Ч диметиламмоний хлорида с додецилсульфатом 72
натрия
3.1.1. Концентрационные условия образования нанодисперсий полимер-коллоидных комплексов полисульфонилпирролидиний хлорид -додецилсульфат натрия 72
3.1.2. Влияние различных факторов на процесс образования нано дисперсий полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида с додецилсульфатом натрия 78
3.1.3. Влияние присутствия низкомолекулярного электролита на лиофилизирующую способность
поли-N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на его основе 82
3.1.4. Некоторые характеристики устойчивости готовых полимер-коллоидных комплексов 86
3.1.5. Визуализация структур полученных частиц полимер-коллоидных комплексов 90
3.1.6. Влияние молекулярной массы поли-N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида на лиофилизирующую способность полиэлектролита и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на
их основе 93
3.1.7. Влияние химического состава полимеров N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида на размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов 102
3.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, содержащие фармакофоры 109
3.2.1. Солюбилизация ацетилсалициловой кислоты частицами полимер-коллоидных комплексов 109
3.2.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного различными лекарственными соединениями 112
3.2.2.1. Модификация полисульфонилпирролидиний хлорида лекарственными соединениями 112
3.2.2.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного ацетилсалициловой кислотой 117
3.2.2.3. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислотой 121
3.3. Некоторые прикладные аспекты получения и применения полимер коллоидных комплексов на основе полимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида 125
3.3.1. Получение наноразмерных дисперсий полимер-коллоидных комплексов в изотоническом растворе 125
3.3.2. Изучение противовоспалительной активности наноразмерных дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного молекулами нестероидных противовоспалительных лекарственных веществ 126
3.3.3. Использование полимер-коллоидных комплексов в качестве сорбентов органических соединений 128
Заключение 135
Выводы 135
Список литературы
- . Комплексы амфифильных полимер ов, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями
- Области промышленного применения полиэлектролитов и полиэлектролитных комплексов
- Получение (со)полимеров при полимераналогичных превращениях
- Влияние различных факторов на процесс образования нано дисперсий полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида с додецилсульфатом натрия
Введение к работе
Актуальность темы. Полиэлектролитные комплексы, представляющие собой продукты взаимодействия между макромолекулами полиэлектролитов (ПЭ) и амфифильными поверхностно-активными веществами, обладают уникальными свойствами, не характерными для индивидуальных компонентов. Такие комплексы самопроизвольно образуются при смешении водных растворов компонентов за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных групп полиэлектролита и ПАВ, а также гидрофобных взаимодействий не полярных фрагментов ионов ПАВ, приводящих к образованию в частицах комплекса мицеллярной фазы. В определенных условиях такие полиэлектролитные комплексы с нестехиометрическим соотношением компонентов существуют в виде агрегативно устойчивых систем коллоидных частиц (полимер-коллоидные комплексы). Способность мицеллярной фазы полимер-коллоидных комплексов (ПКК) солюбилизировать различные органические соединения лежит в основе их использования для решения разных задач в области экологии, техники и медицины. В последнее время четко обозначился интерес к частицам полиэлектролитных комплексов со стороны наномедицины и обусловлен он перспективой создания на их основе нано-форм адресной доставки лекарственных соединений и различных биорегуляторов (ферментов, гормонов, витаминов, активаторов и ингибиторов различной природы) к органам и тканям. Решение подобных задач вьщвигает вполне определенные требования к размерным характеристикам частиц-носителей лекарственных соединений. Однако, на данный момент информации о влиянии тех или иных факторов, включая факторы макромолекулярно-го строения полиэлектролитов, на размерные характеристики частиц образуемых ПКК явно недостаточно. Изучение этих вопросов актуально и значимо для разработки методов получения и управления характеристиками и свойствами ПКК, как с научной, так и с практической точки зрения.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИОХ УНЦ РАН по теме «Высокоэффективные каталитические и инициирующие системы на основе металлокомплексных соединений для модификации синтетических и биогенных полимеров» на 2011-2013 г.г. (№ ГР 0120.1152188), а также при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» исследовательских проектов (госконтракт № 02.740.11.0648 на 2010-2012 г.г. и соглашение 8444 от 31.08.12 по заявке 2012-1.1-12-000-1015-027 на 2012-2013 г.г.) Научно-образовательного центра «Химия», созданного ИОХ УНЦ РАН и Башкирским госуниверситетом, и стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (2013-2015 г.г).
4 Цель работы. Установление закономерностей формирования агрегативно устойчивых водных систем наночастиц полимер-коллоидных комплексов на основе (со)полимеров ]Ч,]М-диаллил-1\Г,]М-диметиламмоний хлорида, в том числе сопряженных с фармакофорами, с мицеллообразующим ионогенным ПАВ - додецилсульфатом натрия.
В соответствии с целью работы решались задачи.
Исследование влияния различных факторов: - мольного соотношения исходных компонентов; - режима смешения компонентов; - температуры процесса и присутствия низкомолекулярных электролитов на размеры частиц и устойчивость дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов к агрегации.
Изучение влияния молекулярных характеристик полимеров ]Ч,]М-диаллил-]\Г,]М-диметиламмоний хлорида на их лиофилизирующую способность и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на их основе.
Получение сополимера ]Ч,]Ч-диаллил-1\Г,]Ч-диметиламмоний хлорида с диоксидом серы, модифицированного лекарственными соединениями в качестве предшественников лекарственных полимер-коллоидных комплексов, оценка влияния модификации полиэлектролита молекулами лекарственных соединений на размеры и устойчивость частиц полимер-коллоидных комплексов к агрегации.
Научная новизна.
Впервые систематически исследованы ПКК на основе (со)полимеров N,N-диаллил-]\Г,]Ч-диметиламмоний хлорида с мицеллообразующим анионным ПАВ - додецилсульфатом натрия, определено влияние мольного соотношения компонентов, условий взаимодействия компонентов, концентрации и ионной силы раствора на размерные характеристики частиц ПКК.
Выявлено влияние молекулярно-массовых характеристик поли-]Ч,]М-диаллил-]\Г,]Ч-диметиламмоний хлорида на его лиофилизирующую способность и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на их основе. Показано, что с ростом молекулярной массы средний размер частиц ПКК закономерно увеличивается.
Впервые показано, что уменьшение числа ионогенных звеньев в макромолекулах сополимеров ]Ч,]М-диаллил-1\Г,]М-диметиламмоний хлорида приводит к увеличению лиофилизирующей способности полиэлектролитов и, соответственно, к закономерному увеличению размеров частиц полимер-коллоидных комплексов на основе данных полиэлектролитов.
Впервые оценены размерные характеристики систем частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, химически модифицированного лекарственными соединениями, и определены условия, при которых они являются наносистемами.
5 Практическая значимость.
Разработана методика получения водных систем наноразмерных частиц полимер-коллоидных комплексов с размерами частиц и агрегативной устойчивостью, приемлемыми для медицинского использования.
В эксперименте in vivo показана более высокая физиологическая эффективность использования водных систем полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного лекарственными веществами, в сравнении с индивидуальными лекарственными соединениями.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и осуждались на VII Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (Уфа, 8 декабря 2010); Международной молодежной конференции «Ломоносов-2011» (Москва, 11-15 апреля 2011); Молодежной конференция по органической химии (Екатеринбург, 10-14 мая 2011); Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений», посвященной 100-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР Сагита Рауфовича Рафикова (Уфа, 31 мая - 2 июня 2012); Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 14-18 октября 2012); Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Уфа, 11-14 сентября 2012); Международной научно-практической Интернет-конференции «Химическая наука: современные достижения и историческая перспектива» (Казань, 29 марта 2013); Всероссийской научной конференции «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров» (Уфа, 2-5 октября 2013).
Публикации. По материалам работы опубликованы 6 статей в рецензируемых журналах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в сборниках научных статей, и тезисы 12 докладов на научных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 159 страницах, содержит 15 таблиц, 67 рисунков. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, выводов и списка цитируемой литературы. Список литературы содержит 190 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность кандидату химических наук Воробьевой Антонине Ивановне за помощь, поддержку и полезные советы
при выполнении работы.
. Комплексы амфифильных полимер ов, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями
Как известно, полимеры имеют большую склонность к образованию надмолекулярных структур. В ряде случаев даже в разбавленных растворах полимеров происходит ассоциация макромолекул. Высокая склонность к образованию надмолекулярных структур является общим свойством полимеров, обусловленным длинноцепным строением макромолекул, способных кооперативно взаимодействовать друг с другом. Тенденция к ассоциации макромолекул особенно отчетливо обнаруживается в растворах регулярных полимеров. В таких растворах имеют место ван-дер-ваальсовы взаимодействия между звеньями макромолекул, входящих в комплекс, которые благодаря кооперативному характеру взаимодействия цепочек обусловливают устойчивость этих образований.
Возникновение более устойчивых комплексов можно ожидать в том случае, когда макромолекулы способны образовывать водородные связи. Например, комплексы полиакриловой (ПАК) и полиметакриловой кислот (ПМАК) с полиэтиленгликолем оказываются устойчивыми даже в водных растворах. Стабилизация этих комплексов обусловлена образованием водородных связей между звеньями макромолекул поликислоты и полиэтиленгликоля, а также их гидрофобными взаимодействиями в водных растворах. Эти комплексы исследованы в работах [1,2], в которых показано, что образование устойчивых комплексов возможно лишь при достижении некоторого критического молекулярного веса компонентов, соответствующего так называемой критической длине кооперативного участка. Показано также, что эти комплексы возникают и распадаются в узких интервалах изменения рН их водных растворов, что также свидетельствует о кооперативной природе этих образований. Высокой чувствительностью к изменению рН обладают комплексы глобулярных поликислот с поликатионами [3].
Исследовано влияние неэлектролитов (простейших одноатомных спиртов, гликолей, ацетона, диоксана и диметилформамида) на процессы ассоциации макромолекул ПМАК и поливинилового спирта в растворе [4]. Отмечено, что прибавление даже сравнительно небольших количеств указанных веществ резко уменьшает ассоциацию полимеров.
К комплексам описанного типа относятся также комплексы поликарбоновых кислот с поливинилпироллидоном и полиакриламидом, которые подробно рассмотрены в работах [1,5,6]. Установлено, что в результате взаимодействия полимеров образуется поликомплекс одинакового состава за счет водородных связей между карбоксильными группами поликислоты и атомами кислорода поливинилпироллидона или полиакриламида. При этом существенную роль в стабилизации таких комплексов играют гидрофобные взаимодействия. Из результатов работы [7] следует, что стабилизация комплексов обусловлена возникновением водородных связей между карбоксильными группами мало ионизированной поликарбоновой кислоты или глобулярного белка. В работах [8,9] подробно изучены поверхностные свойства комплексов на основе этих компонентов. Установлено, что комплексообразование приводит к увеличению времени релаксации поверхностного слоя, поверхностной активности и способности макромолекул понижать поверхностное натяжение растворителя. Изменение поверхностных свойств в смешанных растворах макромолекул объясняется взаимодействием поликислот с поливинилпироллидоном на границе раздела фаз за счет образования водородных связей [5]. Благодаря экранированию полярных групп поликислоты и поливинилпироллидона возрастает гидрофобность макромолекул и усиливаются внутри- и межмакромолекулярные взаимодействия, что в конечном итоге приводит к росту их поверхностной активности и уменьшению стандартной свободной энергии адсорбции. К такому же результату приводит и увеличение концентрации комплексов [6].
Последние 10 лет интенсивно ведутся работы, посвященные изучению комплексообразования в системах поликарбоновые кислоты - водорастворимые простые эфиры целлюлозы [10-12]. Особенности последних обусловлены полужесткоцепным строением макромолекул, затрудняющим конформапионные переходы при комплексообразовании, а также наличием в каждом составном звене полисахарида нескольких протоноакцепторных атомов, способных к образованию водородных связей с карбоксильными группами поликарбоновых кислот. Образование комплексов в водных растворах наблюдается ниже определенных критических значений рН. При этом величина рНкр может рассматриваться как критерий способности системы неионогенный полимер - поликарбоновая кислота к образованию поликомплексов: большей комплексообразующей способности соответствует более высокое значение рНкр. Добавление неорганических солей в растворы полимеров повышают способность полимерных компонентов к формированию в кислых средах поликомплексов с компактной структурной организацией. Показано, что данные комплексы можно использовать для создания рН-чувствительных систем контролируемого высвобождения лекарственных веществ.
Полимеры простых виниловых эфиров гликолей, благодаря наличию в их структуре протоноакцепторных групп (гидроксильных и простых эфирных), тоже проявляют способность к образованию интерполимерных комплексов с поликарбоновыми кислотами, стабилизированных кооперативной системой водородных связей. В [13] достаточно подробно обобщены основные результаты по изучению комплексообразования с участием гомо- и сополимеров виниловых эфиров гликолей. Показано влияние природы полимеров и растворителей, рН и ионной силы раствора на процессы комплексообразования.. Комплексы, стабилизированные электростатическими взаимодействиями
Известны интерполимерные комплексы, в которых макромолекулы удерживаются благодаря электростатическому взаимодействию, т. е. комплексы, в которых макромолекулы связаны прочными солевыми связями. Такие комплексы формируются в результате реакций между катионо- и анионогенными макромолекулами (поликислотами, полиоснованиями и их солями) в водных растворах [14,15]. Эти реакции носят ярко выраженный кооперативный характер. Случайные столкновения полиионов приводят к возникновению точечных контактов в виде солевых связей, вслед за которым возникают солевые связи соседних ионных пар. Этот процесс проходит с достаточно большой скоростью, но не мгновенно, как можно было бы предположить, исходя из кооперативного характера. Медленная стадия обусловлена необходимостью соответствующей ориентации в пространстве участков цепей полиионов, участвующих в реакции [16]. Структура комплекса, образованного комплементарными ПЭ, представлена на рисунке 1.1. Комплексы представляют собой индивидуальные макромолекулярные соединения, способные диссоциировать в водных, водно-солевых и водно-органических средах [17].
Области промышленного применения полиэлектролитов и полиэлектролитных комплексов
Природа сил, благодаря которым существуют комплексы, может быть различной: водородные связи, электростатические взаимодействия, вандерваальсовы и донорно-акцепторные взаимодействия. В водных растворах существенную роль в стабилизации ПКК могут играть гидрофобные взаимодействия. Межмолекулярные связи в поликомплексах характеризуются высокой устойчивостью, которая имеет энтропийную природу, поскольку при образовании одной связи между звеньями реагирующих макромолекул образование всех последующих уже не вызывает потери дополнительных степеней свободы [16].
Исследованию структуры и свойств полимер-коллоидных комплексов, образованных полиэлектролитом и ПАВ, посвящено большое количество работ. ПКК имеют принципиально отличную структуру от полиэлектролитных комплексов. Их формирование сопровождается образованием мицелл в объеме макромолекулы [68, 76, 88, 89]. Схематически частицы такого комплекса показаны на рисунке 1.10 [16].
В [88] на примере систем полиакрилат натрия - алкилтриметиламмонийбромиды экспериментально показано, что образование внутримолекулярной мицеллярной фазы на самом деле является необходимым условием образования ПКК. Известно, что свободный ДДС при концентрации выше ККМ образует сферические мицеллы с nm;n
В данном случае поликатион не только снижает ККМ до величины ККА, но и навязывает образующейся мицеллярной фазе иную морфологию, не характерную в аналогичных условиях для свободного ПАВ [57, 87]. Вероятной структурой для данных комплексов является визикулярная (рисунок 1.11) [90].
Визикулярная структура частиц полимер-коллоидных комплексов На морфологию мицеллярной фазы оказывает существенное влияние молекулярная масса ПЭ. В работах [73, 74] показано, что в случае относительно низкомолекулярного ПЭ (Pw = 1000) формируются мицеллы ламелярной структуры. Увеличение степени полимеризации полииона в два раза приводит к формированию мицелл сферической формы. В формировании ПКК важное значение имеет вода, которая выступает не только в качестве растворителя, но и как структурный элемент ПКК. Связывание воды с ПКК приводит к изменению ее свойств по сравнению с макрофазой. В частности изменяется полярность и микровязкость воды в гидратных оболочках ПКК [91].
Методом ДСК и рентгеновского анализа при больших и малых углах [92] установлена структура нерастворимых комплексов ДНК - дистеарилдиметиламмоний хлорид. На обеих термограммах присутствует эндотермический пик около 40С, который наблюдается на термограммах везикул дистеарилдиметиламмоний хлорида в водной среде. Следовательно, можно предположить, что молекулы ПАВ в комплексах образуют ламели, структура которых сходна со структурой везикулярного бислоя дистеарилдиметиламмоний хлорида. Более детальное представление о структуре нерастворимых комплексов было получено методом рентгеновского анализа. Результаты рентгеновского анализа подтвердили ламелярную структуру, в которой молекулы ДНК располагаются между плоскостями ламелей, образованными катионами ПАВ.
В работах Зезина А.Б., Кабанова В.А. и сотрудников [93, 94] изучены ПКК на основе полиакрилата натрия и различных катионных ПАВ (алкилпиридиний- и алкилтриметиламмоний галогенидов). Показано, что такие комплексы построены из положительно заряженных ламелей ионов ПАВ, электростатически связанных с отрицательно заряженными фрагментами полиэлектролитной сетки. Катионы ПАВ в ПКК располагаются перпендикулярно цепочке полианиона, при этом углеводородные радикалы ПАВ в ламелях частично перекрываются, как показано на схеме (рисунок 1.12): ПКК, образованные алифатическими радикалами ПАВ с числом атомов углерода п 16, аморфны, а при п 16 внутри ламелярных агрегатов образуется кристаллическая гексагональная структура. Существенно, что параметры структуры в случае линейных полианионов и их слабосшитых сетчатых аналогов практически не различаются. Полученные ПКК способны сорбировать как полярные, так и неполярные вещества [94]. Это отражает их амфифильную природу: полярные участки ПЭК включают ионогенные группы полиэлектролита и ПАВ, связанные друг с другом солевыми связями, а неполярные образованы гидрофобными алифатическими радикалами ПАВ, встроенными в ламелярные мицеллы. Вода и малополярные органические растворители преимущественно сольватируют различные по полярности области ПКК. Органические вещества сорбируются главным образом внутренней неполярной частью ламелярных мицелл ПАВ, а вода - полярными областями ПКК, включающими ионогенные группы полиэлектролита и ПАВ. Сорбция паров воды и органических растворителей (толуол, гептан, ацетон, 1.4-диоксан и др.) приводит к разупорядочению структуры ПКК и, в конечном счете, к полному разрушению гексагональной упаковки алифатических радикалов ПАВ и аморфизации ламелей, включенных в ПКК.
Наиболее детально проведены исследования молекулярных свойств комплексов, образованных катионом поли-К-этил-4-винилпиридиний бромида и ДДС-анионом [95, 96], а также для СПКК на основе нативной ДНК и катионного ПАВ в хлороформе [97]. Методами измерения вязкости, изотермической диффузии, электрического двойного лучепреломления и динамического светорассеяния установлено, что в разбавленных растворах молекулы комплексов не диссоциируют на отдельные компоненты и не образуют межмолекулярные агрегаты. В хлороформе молекулы комплекса поли-Ы-этил-4-винилпиридиний бромид - ДДС имеют конформацию статистического клубка, а макромолекулы ДНК - ПАВ находятся в компактной глобулярной конформации.
В работах [98] подробно описан синтез и изучены свойства СПКК на основе полипептидов и ионов ПАВ в твердой фазе. Исследование гидродинамических, электрооптических и конформационных свойств молекул СПКК, а также данные динамического рассеяния света растворами комплексов свидетельствуют о том, что молекулы комплекса являются индивидуальными соединениями. 1.3 Использование полиэлектролитных комплексов
В настоящее время синтетические полиэлектролиты приобретают все большее значение в науке, технике, медицине и сельском хозяйстве. Продукты взаимодействия противоположно заряженных полиэлектролитов друг с другом или с поверхностно-активными веществами могут являться новыми композиционными материалами, применяющимися в различных областях промышленности. Бурно развивается полимерная нанотехнология, которая является новым направлением материаловедения, позволяющим решить многие вопросы физики, химии, биотехнологии и медицины. В число ее значимых объектов входят полиэлектролитные нано- и микрокапсулы -частицы на основе широкого спектра природных и синтетических полимеров.
Получение (со)полимеров при полимераналогичных превращениях
Комплексы линейных полиэлектролитов с ПАВ представляют собой самоорганизующиеся системы. Движущими силами самоорганизации, приводящей к формированию частиц ПКК, являются электростатические взаимодействия заряженных групп полиэлектролитной цепи и ПАВ, а также гидрофобные взаимодействия алкильных фрагментов ПАВ. Электростатическое связывание ДДС катионным полиэлектролитом можно представить схемой (рисунок 3.1).
Реакция ионного обмена между ионизованными группами ПЭ и противоположно заряженными группами ПАВ
По литературным данным [53, 54, 108] связывание ПАВ полиионом наблюдается при значительно меньших концентрациях ПАВ (эту концентрацию принято называть критической концентрацией агрегации и обозначать, как ККА), чем критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) ПАВ в воде. Для ионогенных ПЭ величина ККА снижается на два и более порядка по сравнению с ККМ того же ПАВ [54, 55]. Строго рассуждая, необходимо различать состав комплекса ф и состав реакционной смеси z. В системе ПЭ-ПАВ состав реакционной смеси z определяется как отношение мольной концентрации ПАВ к концентрации ионогенных групп ПЭ (z = [ПАВ]/[ПЭ]). Состав комплекса ф равен мольному соотношению ионов ПАВ и полимерных заряженных звеньев ПЭ, включенных в частицы ПКК (ф=[ПАВ]Пкк/[ПЭ]пкк)- Поскольку связывание полиэлектролитов с противоположно заряженными ПАВ при z 1 отличается высокой кооперативностью, можно полагать, что равновесная концентрация связанного ПАВ практически совпадает с ККА [176]. Следовательно, при достаточно высоких концентрациях ПАВ концентрация несвязанного ПАВ оказывается ничтожно малой, по сравнению с общей концентрацией ПАВ в системе, и состав образующихся комплексов ф практически совпадает с составом реакционной смеси z. Поэтому в дальнейшем мы будем считать состав реакционной смеси составом комплексов.
Взаимодействие в системе ПЭ - ПАВ можно изучать по изменению оптической плотности раствора в ходе турбидиметрического титрования раствора ПЭ раствором ПАВ. В наших экспериментах при добавлении ДДС до z = 0.1 его концентрация в растворе составляет 1-Ю М. Известно, что критическая концентрация агрегации ДДС, отвечающая началу кооперативного связывания ПАВ, для некоторых катионных полиэлектролитов в водном растворе находится вблизи значении СПАВ = 5-10 М [72]. Это значит, что концентрация ДДС в системе при титровании раствора ПЭ раствором ПАВ находится выше ККА, более чем на порядок. На типичной кривой турбидиметрического титрования можно выделить три концентрационные области существования комплексов ПЭ - ПАВ. Первая область, начиная с критической концентрации агрегации до момента начала роста мутности, соответствует образованию растворимых комплексов, при этом свободные молекулы ПЭ сосуществуют в растворе с частицами комплекса (рисунок 3.2, участок I). Далее, при увеличении содержания ПАВ в растворе выше некоторого значения мольного соотношения компонентов zm;n наблюдается появление визуально фиксируемой опалесценции и по мере увеличения z укрупнение размеров частиц ПКК. В интервале мольных соотношений компонентов от zm;n вплоть до некоторого предельного состава комплексов znpefl (рисунок 3.2, участок II) образуются агрегативно устойчивые системы полимер-коллоидных комплексов. При этом устойчивость к агрегации частиц комплексов в растворе обеспечивают свободные, не связанные с ионами ПАВ участки макромолекул. Следует отметить, что в наших экспериментах концентрация ПАВ при znpm составляла от 0.002 до 0.0025 М в зависимости от природы ПЭ, что ниже ККМддс (0.008 моль/л), а концентрация ПЭ составляла от 0.003 до 0.009 М, что для всех исследованных полимеров было ниже концентрации кроссовера. Увеличение количества ПАВ в системе свыше znpm приводит к фазовому разделению в результате агрегации частиц ПКК (рисунок 3.2, участок III).
Задача турбидиметрического титрования сводилась к определению мольного соотношения компонентов ПАВ-ПЭ, при котором образуется дисперсная система, в наименьшей степени подвергающаяся дальнейшим процессам агрегации. Экспериментальная кривая титрования ПСПХ представлена рисунке 3.3. Процессы образования ПКК наблюдаются буквально с первых порций ПАВ.
Предельный состав реакционной смеси ПСПХ - ДДС, до которого образуется агрегативно устойчивая система ПКК, равен 0.5. Для систем, полученных при z 0.5, в растворах визуально не наблюдается увеличения степени помутнения, образования каких-либо крупных агрегатов и осадков. При 0.5 z 0.8 системы становятся неустойчивыми и в них появляются осадки. Наконец, при z 0.8 полиэлектролит и ПАВ количественно связываются в нерастворимый комплекс - происходит полное осаждение ПКК. Дисперсии, образующиеся при z 0.5, являются стабильными, благодаря оставшимся свободным участкам полимерных цепей (не скомпенсированных ионами ПАВ), которые удерживают их в растворе и препятствуют агрегации.
Увеличение содержания ПАВ в реакционной смеси (увеличение z) приводит к увеличению размеров частиц и увеличению доли крупных частиц (рисунок 3.4). Размеры частиц ПКК при z = 0.3 находятся в нанообласти, а их средний размер составлет 47 нм. Іакие комплексы можно уверенно отнести к наноматериалам .
К наноматериалам, согласно утвержденному Ьвропеискои комиссией названию, относятся материалы (и системы), которые содержат частицы в свободном виде, в виде групп или агломератов, как минимум 50 процентов из которых имеет один из линейных размеров в пределах от 1 до 100 нанометров. Отдельно отмечается, что в конкретных случаях, когда речь идет о здоровье, окружающей среде или конкурентоспособности, доля частиц с размерами 1-100 нанометров может браться в пределах от 1 до 50 процентов. Увеличение значения z до величин близких к гпред, приводит к более, чем трехкратному, увеличению размеров образующихся частиц ПКК.
При визуальном наблюдении за растворами комплексов ПСПХ - ДДС обнаружено, что стабильность системы зависит не только от соотношения исходных компонентов z, но и от концентрации образующегося ПКК. Для определения оптимальной концентрации ПКК, при которой система не подвергается дальнейшей агрегации, исследовали серию растворов для системы ПСПХ - ДДС с z = 0.4 в интервале концентрации комплексов Юпкк 0.17-1.40 масс. % (таблица 3.1). Устойчивыми к последующей агрегации в течение всего времени наблюдения оказались образцы с массовой долей комплекса только до 0.2 масс. %. При Юпкк выше 0.3 масс. % уже в первые сутки с момента получения образовалось значительное количество рыхлого осадка. Вероятно, усиление процессов агрегации связано с последующим перераспределением ионов ПАВ в частицах комплексов с образованием нерастворимых в воде комплексов предельного состава. Известно [177], что процесс связывания ионов ПЭ - ПАВ зависит от ионной силы раствора. Поэтому надо брать во внимание, что при увеличении концентрации ПКК происходит увеличение концентрации низкомолекулярного электролита NaCl (таблица 3.1), который является продуктом реакции взаимодействия ПЭ - ПАВ.
Влияние различных факторов на процесс образования нано дисперсий полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида с додецилсульфатом натрия
Однако, этим влияние Л С на формирование частиц ПКК далеко не исчерпывается. Отклонения от указанных зависимостей как раз указывают на влияние химической природы Л С на структуру и размерные характеристики частиц комплексов. Наиболее существенным представляется вклад функционализированных звеньев цепей в усиление гидрофобных взаимодействий, способствующих с одной стороны компактизапии частиц, а с другой стороны усилению процессов агрегации, приводящих к укрупнению частиц полиэлектролитных комплексов, что хорошо видно на примере комплексов на основе ПСПХ, модифицированных 25 мол. % о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислоты. В любом случае могут быть подобраны составы полимеров с приданной физиологической активностью и условия получения полимер-коллоидных комплексов при взаимодействии с ионогенным ПАВ таким образом, что частицы дисперсий полиэлектролитных комплексов будут обладать размерами, входящими в интервал наноразмеров, приемлемых для биомедицинского применения.
Некоторые прикладные аспекты получения и применения полимер-коллоидных комплексов на основе полимеров N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида 3.3.1 Получение наноразмерных дисперсий полимер-коллоидных комплексов в изотоническом растворе
Выше показано, что присутствие низкомолекулярного сильного электролита NaCl в момент формирования ГЖК заметно влияет на размерные характеристики частиц полимерных комплексов. В то же время для инъекционного введения препараты наночастиц ГЖК должны быть приготовлены в изотоническом растворе (0.9 масс. % хлорида натрия). Соответственно, возникла задача разработки методики получения дисперсных систем наноразмерных частиц ГЖК комплексов на основе модифицированных макромолекул ПСПХ в изотоническом растворе. На основании результатов исследования влияния ионной силы раствора на размеры ПКК и их коллоидную устойчивость предложена методика получения систем агрегативно устойчивых наночастиц ПКК в изотоническом растворе, состоящая в следующем: 1) добавление при интенсивном механическом перемешивании водного раствора ПАВ к раствору модифицированного лекарственным соединением ПЭ до мольного соотношения компонентов z znpm; при этом полученная система будет оставаться стабильной в отношении изменения размеров не менее 30 дней; 2) добавление хлорида натрия до концентрации, соответствующей изотоническому раствору, непосредственно перед экспериментом in vivo. Необходимо отметить, что, модификация макромолекул полиэлектролита, в частности ПСПХ, лекарственными веществами (ФУК и АСК) приводит к уширению кривых дифференциально-числового распределения диаметров частиц ПКК. Тем не менее, средние размеры получающихся частиц входят в диапазон размеров, приемлемых для физиологически активных микрочастиц, обладающих свойством пассивной адресной доставки [145], и составляют для частиц содержащих анионы ФУК и АСК 52 и 97 нм, соответственно (рисунок 3.48).
Кривые дифференциально-числового распределения по диаметрам частиц ПКК, полученных на основе не модифицированного ПСПХ (1) и ПСПХ, модифицированного ФУК (2) и АСК (3). Мольное отношение ДДС : ПСПХ = 0.3, Л С : ПСПХ = 0.2. Размеры частиц определены в день эксперимента. Для наглядности ось абсцисс представлена в логарифмическом масштабе.
Изучение противовоспалительной активности наноразмерных дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного молекулами нестероидных противовоспалительных лекарственных веществ Физиологическая активность препаратов ПКК на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного нестероидными противовоспалительными соединениями - АСК и ФУК, оценена по противовоспалительной активности на модели острого каррагенинового воспаления у мышей. Результаты приведены в таблице 3.7. В группе животных, получавших препарат в виде коллоидного раствора полиэлектролитного комплекса, содержащего анионы ФУК, процент угнетения воспаления составил 42.3 и 30.8 % относительно контроля и группы, которой вводили ДКН, соответственно. Полимер-коллоидные наносистемы, включающие ЛС, задерживали развитие воспаления эффективнее, чем водный раствор модифицированного лекарственным соединением полиэлектролита в 1.4 раза в случае ДКН и в 1.9 раз больше, чем при использовании в этом комплексе АСК (таблица 3.7).
Известно, что АСК и ДКН являются препаратами с коротким периодом полураспада, равным 15-20 мин и 1-2 часа, соответственно [188], что меньше времени эксперимента. Вероятно, повышенная противовоспалительная активность как полимерных форм ЛС, так и ПКК на их основе связана со снижением доступности фармакофоров для ферментативной деструкции.
При длительном пероральном введении на данной модели воспаления противовоспалительного действия не обнаружено ни у ЛС (ДКН и АСК), ни у ПКК (ПКК-АСК и ПКК-ФУК). Однако, в этом эксперименте обнаружено значительное уменьшение язвоообразования, весьма характерного для нестероидных противовоспалительных ЛС (побочное ульцерогенное действие лекарственных средств, выражающееся в образовании дефектов слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта). Как видно из данных таблицы 3.8, изучаемые системы ПКК-ФУК не
128 потенцировали язвообразования в слизистой оболочке желудка, в отличие от контрольного ЛС. Данный факт позволяет предполагать, что действующее начало препарата локализировано внутри наночастицы ПКК, не находится в контакте непосредственно с тканями слизистой желудка и не вызывает их эрозию. Аналогичный эффект наблюдался при использовании микрокапсулированных форм АСК в работах [189, 190].
Таким образом, противовоспалительная активность водных систем наноразмерных частицы полимер-коллоидных комплексов, содержащих нестероидные противовоспалительные соединения, существенно превышала активность контрольных лекарственных средств. Согласно проведенным исследованиям, связывание ДКН в частицы поликомплексов ПСПХ-ДДС позволяет снизить раздражение слизистой оболочки желудка и улучшить их переносимость при долговременном пероральном употреблении.
