Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 14
1.1. Общая характеристика полимерных систем, чувствительных к внешним воздействиям 15
1.2. Термочувствительные полимеры . 15
1.3. рН-чувствительные полимеры . 18
1.3.1. Классификация рН-чувствительных полимеров . 19
1.3.1.1. Поликислоты 19
1.3.1.2. Полиоснования 21
1.4. Комбинация термо- и рН-чувствительных свойств . 22
1.5. Архитектура стимул-чувствительных полимеров 22
1.6. Стимул-чувствительные привитые сополимеры . 23
1.7. Синтез привитых сополимеров 24
1.7.1. Полимеризация с переносом атома (ATRP) 25
1.7.2. Особенности синтеза молекулярных полимерных щеток методом ATRP 27
1.7.3. Недостатки классической радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP) . 28
1.7.4. Методики проведения ATRP 29
1.7.5. Полимеризация с переносом атома с использованием активаторов, генерируемых одноэлектронным переносом (AGET ATRP) . 30
1.7.6. Синтез термочувствительных сополимеров с составляющей ПДМАЭМА методом контролируемой радикальной полимеризации 32
1.8. Термо- и рН-чувствительные свойства привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА 35
1.8.1. Влияние концентрации и рН на поведение привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА в водных растворах 37
1.8.2. Влияние низкомолекулярной соли на поведение привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА в водных растворах 38
1.8.3. Влияние природы растворителя на поведение привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА 40
1.9. Перспективы применения сополимеров, содержащих ПДМАЭМА 42
1.10. Использование сополимеров с блоками ПДМАЭМА для получения наночастиц серебра 43
1.11. Методы синтеза наночастиц серебра 45
1.12. Заключительные замечания и постановка задач диссертации 46
Глава 2. Экспериментальная часть 49
2.1. Характеристика исходных веществ, материалов и их подготовка 49
2.2. Методики синтеза 50
2.2.1. Получение гидроксилсодержащих полиимидов . 50
2.2.2. Синтез полиимидных макроинициаторов 50
2.2.3. Синтез привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА по методике классической ATRP 51
2.2.3.1. Выделение привитых сополимеров, полученных по методике классической ATRP 51
2.2.4. Синтез привитых сополимеров с боковыми цепями ПДМАЭМА по методике AGET ATRP 52
2.2.4.1. Выделение привитых сополимеров, полученных по методике AGET ATRP 52
2.2.5. Синтез нанокомпозиций серебра 53
2.3. Выделение боковых цепей привитых сополимеров . 53
2.4. Исследование кинетики ATRP . 54
2.5. Подготовка водных растворов ПИ-прив-ПДMAЭMA к исследованиям рН- и термочувствительности 54
2.6. Подготовка водно-солевых растворов ПИ-прив-ПДMAЭMA к исследованиям рН- и термочувствительности 55
2.7. Методы исследования . 55
Глава 3. Результаты и их обсуждение 59
3.1. Синтез полиимидных привитых сополимеров с боковыми цепями поли(N,N-диметиламиноэтилметакрилата) 59
3.1.1. Разработка и оптимизация состава реакционной системы для синтеза ПИ-прив-ПДМАЭМА методом ATRP 60
3.1.2. Влияние экспериментальных условий получения ПИ-прив-ПДМАЭМА методами ATRP на конверсию мономера 63
3.2. Изучение продуктов полимеризации ДМАЭМА на ПИМИ спектральными методами 66
3.3. Изучение кинетики полимеризации ДМАЭМА на ПИМИ и молекулярно-массовых характеристик продуктов полимеризации 69
3.4. Выделение боковых цепей ПИ-прив-ПДМАЭМА 73
3.5. рН- и термочувствительность ПИ-прив-ПДМАЭМА в водных и водно-солевых растворах 74
3.5.1. Молекулярно-массовые характеристики ПИ-прив-ПДМАЭМА 74
3.5.2. Поведение ПИ-прив-ПДМАЭМА в водных и водно-солевых растворах при pH < 8.0 77
3.5.3. Поведение ПИ-прив-ПДМАЭМА в водных и водно-солевых растворах при pH > 8 и комнатной температуре 78
3.5.4. Влияние температуры на характеристики водно-солевых растворов ПИ-прив-ПДMAЭMA 80
3.6. Влияние концентрации ПИ-прив-ПДМАЭМА, рН и содержания соли NaCl на температуры фазового расслоения 83
3.7. Анализ процессов установления равновесного состояния системы 86
3.8. Получение гибридных нанокомпозитов, состоящих из ПИ-прив-ПДМАЭМА и наночастиц серебра 89
Выводы 94
Список литературы 96
Благодарности 121
- Термочувствительные полимеры
- Методы исследования
- Изучение кинетики полимеризации ДМАЭМА на ПИМИ и молекулярно-массовых характеристик продуктов полимеризации
- Получение гибридных нанокомпозитов, состоящих из ПИ-прив-ПДМАЭМА и наночастиц серебра
Термочувствительные полимеры
Температура является наиболее широко распространенным внешним воздействием для стимул-чувствительных полимерных систем. Изменение температуры относительно легко подвергается контролю не только в исследованиях in vitro, но также и in vivo, что делает термочувствительные полимерные системы интересным объектом исследования для последующего применения в различных областях биотехнологий и медицины [9, 10]. Одним из уникальных свойств термочувствительных полимеров является наличие критической температуры растворения. Критическая температура растворения – это температура, выше или ниже которой исследуемое вещество и растворитель смешиваются в любых соотношениях. Наличие критической температуры растворения для концентрированных или полуразбавленных растворов проявляется в выпадении полимера в осадок при повышении/понижении температуры. В сильно разбавленных растворах при вариации температуры наблюдается конформационный переход клубок-глобула на уровне отдельных полимерных цепей [11]. На Рисунке 1 представлены фазовые диаграммы двухкомпонентных систем полимер-растворитель в координатах температура-состав. Для систем полимер-растворитель состав выражают обычно в массовых или объемных (ф) долях полимера, а также числом граммов полимера в 100 мл раствора. Существуют системы, характеризующиеся нижней критической температурой растворения (НКТР) (Рисунок 1а), то есть температурой, ниже которой ни при какой концентрации раствора не наблюдается расслоения в системе. Максимум на другой фазовой диаграмме (Рисунок 1б) отвечает верхней критической температуре растворения (ВКТР), минимальной температуре, выше которой ни при какой концентрации раствора полимера не наблюдается расслоения в системе. Концентрации, соответствующие минимуму/максимуму на фазовых диаграммах, называются критическими концентрациями.
Большинство приложений связаны с полимерными системами, изменения которых под действием внешних факторов основаны на наличии НКТР. Например, поли(N-изопропилакриламид) (ПИПААм) в водных растворах выше определенной температуры претерпевает обратимый фазовый переход клубок– глобула [12]. При этом внутримолекулярный коллапс происходит из-за межмолекулярной агрегации и коллапса отдельных полимерных цепей. Фазовое разделение между сколлапсированными макромолекулами полимера и вытесненным растворителем (водой) определяет температуру помутнения.
Взаимодействие между макромолекулами полимера и молекулами воды является еще одной важной характеристикой термочувствительных полимеров. Межмолекулярные взаимодействия в водной среде могут способствовать агрегации мицелл или физической сшивке макромолекул. К их числу относятся водородные связи и гидрофобные взаимодействия. Например, межмолекулярная ассоциация, основанная на водородных связях, обусловливает переход спираль– клубок, при котором за счет понижения температуры две или три цепи биополимера (например, желатина) образуют спиральную конформацию, что приводит к фазовому переходу с образованием геля [13]. Другим примером может служить ассоциация/диссоциация между различными боковыми группами вследствие образования водородных связей, которые могут подвергаться температурному контролю. С другой стороны, межмолекулярная ассоциация может контролироваться гидрофобными взаимодействиями, усиливающимися при возрастании температуры.
Растворимость полимеров в водных средах зависит от различных факторов, таких как молекулярная масса, температура, рН, сорастворитель и др. Если на фазовой диаграмме, где представлена зависимость концентрации полимера в растворе от температуры, присутствует как однофазная, так и двухфазная область, то можно определить критическую температуру растворения: ВКТР или НКТР. Следует отметить, что данные термины применимы, только если была построена фазовая диаграмма. Любой другой переход от растворимого в нерастворимое состояние или наоборот (при фиксированной концентрации) следует обозначать как температура перехода, температура фазового расслоения или температура помутнения. Однако, некоторые полимеры, такие как ПИПААм демонстрируют фазовый переход, который почти не зависит от концентрации или молекулярной массы [14]. Тогда температура перехода при любой заданной концентрации почти идентична НКТР. В Таблице 1 приведен ряд полимеров с НКТР или ВКТР в водных растворах. Эти полимеры имеют фазовый переход в области температур 20 – 40C, близких к температуре человеческого тела, что представляет интерес для медицинских применений.
Методы исследования
Спектры 1H ЯМР регистрировали на приборе Bruker AC-200 (200.1 MHz) относительно сигналов растворителя (DMSO-d6).
ИК-спектры регистрировали на Фурье спектрометре “Vertex 70” фирмы Bruker в режиме МНПВО (многократное нарушенное полное внутреннее отражение) с разрешением 4 см-1, число сканов – 30.
Спектры в ультрафиолетовой и видимой областях света регистрировали на спектрофотометрах СФ-256 УВИ фирмы ЛОМО Фотоника (Россия), Specord M-40 фирмы Carl Zeiss JENA (Германия). В качестве растворителей использовали тетрагидрофуран и N,N-диметилформамид.
Конверсию ДМАЭМА определяли с помощью газового хроматографа Shimadzu GC-2010 Plus, снабженного пламенно-ионизационным детектором (ПИД), с использованием капиллярной колонки Agilent J&W DB-WAX GC Column (30 м, 0.53 мм, 0.50 мкм). Температура ПИД и инжектора составляла 250 C.
ЭЖХ-анализ образцов проводили, используя хроматографический комплекс Agilent-1260 Infinity, оборудованный двумя колонками с сорбентом PLgel MIXED C (размеры колонок 7.5х300 мм, размер частиц 5 мкм). Режим элюирования изократический, элюент – ДМФА, содержащий 0.1 моль/л LiBr (скорость потока 1 мл/мин при 50C). Использовали комбинацию рефрактометрического, вискозиметрического и светорассеивающего детекторов. Молекулярно-массовые характеристики полимеров рассчитывали на основе «тройного» детектирования с помощью калибровочных стандартов ПММА.
Для ЭЖХ-исследований выделенных из привитых сополимеров боковых цепей (ПМАК) использовали хроматограф Analytic HPLC (JASCO) с рефрактометрическим (RI-930) детектором, оснащенным 2 колонками с сорбентом PSS SUPREMA gel (SUPREMA 1000 и SUPREMA 30, Waters, 10 мкм, 8x300мм). В качестве элюента использовали 0.1M NaNO3/NaN3 (изократический режим, скорость потока элюента – 1 мл/мин при 30 C). Для определения молекулярно-массовых характеристик полимеров использовали пуллулановые стандарты.
Диаметр частиц в водной дисперсии (Dd) оценивали методом динамического светорассеяния на анализаторе Malvern Zetasizer Nano-ZS (Великобритания).
Электронные микрофотографии были получены на просвечивающем электронном микроскопе JEM-1011 фирмы JEOL Ltd (Япония).
Исследования молекулярно-массовых характеристик привитых сополимеров методом седиментационно-диффузионного анализа проводили в растворе в хлороформе при Т = 22С. Скоростную седиментацию исследовали на аналитической ультрацентрифуге МОМ-3180 (Венгрия) при скорости вращения ротора = 45000 об/мин и температуре 22С. Использовали оптическую систему регистрации Филпота-Свенссона. Для измерения характеристической вязкости использовали капиллярный вискозиметр Освальда. Парциальный удельный объем v измеряли в стеклянном пикнометре объемом 2.038 см3. Поступательную диффузию изучали на поляризационно-интерферометрическом диффузометре Цветкова. Диффузионные кривые обрабатывали методом площади -максимальной ординаты. Статическое и динамическое светорассеяние изучали на установке Photoсor (OOO “AHTEK -97”, Россия) с He-Ne-лазером Spectra-Physics в качестве источника света (длина волны = 632.8 нм, мощность 10 мВ) и коррелятором «Photocor-FC» (число каналов 288). Молекулярно-массовые характеристики выделенных боковых цепей привитых сополимеров определяли с помощью метода статического рассеяния в 2M NaNО водном растворе. Угловая зависимость интенсивности рассеяния света не наблюдалась, поэтому для расчетов использовали метод Дебая. Инкремент показателя преломления измеряли на рефрактометре Refractometer RA - 620 (КЕМ, Япония). Данные исследования проведены совместно с сотрудниками лаборатории №16.
Термо- и рН-чувствительность полученных образцов изучали методами светорассеяния и турбидиметрии на установке Photocor Complex (Photocor Instruments Inc., Россия). Источником света служил диодный лазер Photocor-DL с длиной волны = 658.7 нм. Корреляционную функцию интенсивности рассеянного света обрабатывали с помощью коррелятора Photoсor-PC2 с числом каналов 288 (ЗАО «Антекс», Россия). Эксперименты проводились в интервале температур Т = 10 - 75C. Температуру изменяли дискретно с шагом от 0.5 до 5C, скорость нагревания составляла 2С/мин, температура поддерживалась с точностью 0.1 С. Процедура измерения была следующей. Если после установления заданной температуры наблюдалось изменение интенсивности рассеянного света /, фиксировались только зависимости / и оптического пропускания / от времени t. Эти измерения приводились на угле рассеяния 90. Когда значения I переставали меняться во времени, получали распределение интенсивности I по гидродинамическим радиусам Rh. Вклад Si каждого типа рассеивающих частиц в суммарную интенсивность светорассеяния оценивали по площади под кривой распределения интенсивности светорассеяния по Rh. При этом исследовались угловые зависимости величин I, Rh и Si в интервале углов светорассеянии от 40 до 140, что позволило доказать диффузионный характер наблюдаемых методом динамического рассеяния света мод, а также получить экстраполированные значения Rh и Si, которые используются при дальнейшем обсуждении. Необходимо отметить, что, даже если интенсивность светорассеяния не зависела от времени, раствор выдерживался при данной T по меньшей мере 1500 с, после чего проводились описанные выше измерения.
Значение I в ходе эксперимента изменялась на несколько порядков, поэтому, для того, чтобы сохранить линейность прибора по интенсивности, величина фиксируемого светорассеяния ослаблялась. Для снижения интенсивности рассеянного света, попадающего на ФЭУ, использовались диафрагмы, снижающие интенсивность в 3.3, 8 и 16 раз. В результате, измеряемая величина I никогда не превышала 1.5 мГц.
Изучение кинетики полимеризации ДМАЭМА на ПИМИ и молекулярно-массовых характеристик продуктов полимеризации
Данные изучения кинетических зависимостей для полимеризации ДМАЭМА в среде N-МП или 1,4-диоксана при использовании в качестве лиганда HMTETA или dNbpy, полученные методом ГХ, сопоставляли с результатами, полученными методом ЭЖХ. Кинетические зависимости первого порядка, полученные в различных условиях полимеризации ДМАЭМА, представлены на Рисунке 12. Линейный характер приведенных зависимостей свидетельствует об отсутствие реакций необратимого обрыва цепи. В области времен реакции, соответствующей «выполаживанию» полулогарифмических зависимостей конверсии от времени, «живой» характер ATRP нарушался из-за неизбежных в радикальных процессах реакций рекомбинационного обрыва цепи. Зависимости 1-3 (Рисунок 12) получены для полимеризации на ПИМИ1 и ПИМИ2 при 25С в условиях методики классической ATRP под действием CuCl/HMTETA в среде N-МП. Видно, что различие в химической структуре ПИМИ не сказывается на скорости полимеризации. При внесении в исходную реакционную смесь дезактиватора при прочих равных условиях отклонение кинетической зависимости от линейности наблюдалось при конверсиях на 10% выше (Зависимости 1 и 2).
Условия ATRP:
1-ПИМИ1/CuCl/CuCl2/HMTETA/ДМАЭМА = 1/1/0.2/1.5/500, N-МП, [ПИМИ]=0.4, 25С;
2-ПИМИ1/CuCl/CuCl2/HMTETA/ДМАЭМА = 1/1/0.2/1.5/200, N-МП, [ПИМИ]=1.1, 25С;
3-ПИМИ2/CuCl/ HMTETA/ДМАЭМА = 1/1/1.5/200, N-МП, [ПИМИ]=1.1, 25С;
4-ПИМИ1/CuCl/CuCl2/dNbpy/ДМАЭМА = 1/1/0.2/1.5/500, N-МП, [ПИМИ]=1.1, 25С;
5-ПИМИ2/CuCl2/dNbpy/Sn(EH)2/ДМАЭМА = 1/1/2/1/200, 1,4-диоксан, [ПИМИ]=1.1, 60С.
Полимеризация в среде N-МП протекала существенно быстрее, при этом в сходных условиях (Рисунок 12, зависимости 1-4) значения кажущейся константы скорости полимеризации под действием каталитических комплексов Cu(I)/HMTETA и Cu(I)/dNbpy различались на порядок и составляли kapp = 1.1710-4 с-1 и kapp = 1.4610-5 с-1, соответственно. С помощью ЭЖХ-анализа было установлено, что молекулярно-массовые распределения образцов, синтезированных в среде TV-МП, мультимодальны (Рисунок 13а). В случае использования каталитического комплекса Cu(I)/dNbpy в среде TV-МП продукты полимеризации характеризуются довольно высокими значениями коэффициентов полидисперсности, существенно превышающими 2, что свидетельствует о плохой контролируемости ATRP.
Контролируемость ATRP оказалась выше при проведении полимеризации в среде 1,4-диоксана. Согласно кинетическим данным (Рисунок 12, зависимость 5), полимеризация в растворе 1,4-диоксана по методике AGET ATRP идет существенно медленнее, также имеется индукционный период, очевидно, обусловленный временем образования активирующего полимеризацию комплекса Cu(I). Кажущаяся константа скорости полимеризации при 60С составляет карр = 4.910-6 с-1, что на два порядка ниже, чем в случае полимеризации по методике ATRP в среде TV-МП под действием каталитического комплекса Cu(I)/HMTETA при 25С. По данным ЭЖХ, хроматограммы всех образцов, полученных в среде 1,4-диоксана, мономодальны (Рисунок 13б, 13в).
Из данных, приведенных в Таблице 4, видно, что определенные методом ЭЖХ молекулярно-массовые характеристики образцов ПИ-прив-ПДМАЭМА, полученных в среде 1,4-диоксана, хорошо согласуются с их теоретическими молекулярными массами, рассчитанными по конверсии мономера. Индекс полидисперсности образцов ПИ-прив-ПДМАЭМА составляет 2.22.6 (Таблица 4). Близость этих значений к MJMn = 2.24 для исходного ПИМИ2 говорит об относительной однородности прививки боковых цепей ПДМАЭМА. Косвенно это свидетельствует о доступности всех инициирующих групп в начале процесса, что способствует практически одновременному возникновению активных центров и их синхронному росту, необходимому для достижения контролируемости процесса ATRP.
Получение гибридных нанокомпозитов, состоящих из ПИ-прив-ПДМАЭМА и наночастиц серебра
Образцы привитого сополиимида ПИ-прив-ПДМАЭМА использовали в качестве полимерного нанореактора для синтеза и стабилизации наночастиц (НЧ) серебра. В большинстве работ, посвященных синтезу НЧ благородных металлов с участием сополимеров ПДМАЭМА, синтез проводили в присутствии дополнительно введенного в реакционную систему восстановителя (боргидрид натрия или аскорбиновая кислота). Вместе с тем, в единичных работах линейный блок-сополимер [156] и звездообразный сополимер ПДМАЭМА [185] использовали в качестве и стабилизирующего, и обладающего восстановительными свойствами агента. В данной работе получение органо-неорганических нанокомпозитов, содержащих НЧ серебра, проводили путем смешения водного раствора AgNO3 с водным раствором полимерных образцов при комнатной температуре и естественном освещении без дополнительного восстановителя. Спустя некоторое время после момента смешения, наблюдали появление и постепенное усиление красно-коричневой окраски реакционного раствора. За формированием НЧ серебра следили по изменению спектров поглощения реакционной смеси, в которых наблюдали появление характерной для НЧ Ag0 полосы плазмонного резонанса (ППР) при max=430 нм и нарастание ее интенсивности (Рисунок 25). Оптическая плотность этой полосы росла в течение нескольких суток, после чего менялась незначительно. Выделенные образцы композитов, содержащих НЧ Ag0 представляли собой порошки темно-коричневого цвета, хорошо растворимые в воде.
Восстановление ионов Ag+ под действием третичных аминогрупп ПДМАЭМА, по-видимому, сопровождается образованием положительно заряженных аммониевых групп с нитратным противоионом. С этим предположением согласуется наличие в ИК-спектрах композитов ПИ-прив-ПДМАЭМА/Ag0 (Рисунок 26) полос поглощения в области 3600-2500 см-1 и 1200-1400 см-1, соответственно.
Рисунок 26 - ИК-спектр ПИ-прив-ПДМАЭМА (1) и полученной на его основе нанокомпозиции ПИ-прив-ПДМАЭМА/Ag0 (2).
Методом динамического светорассеяния показано, что в растворе ПИ-прив ПДМАЭМА наблюдается мультимодальное распределение рассеивающих объектов по размерам (Рисунок 27а). После завершения процесса восстановления ионов серебра в растворе ПИ-прив-ПДМАЭМА происходит перераспределение полимерных частиц по размерам. Так, образцы ПИ-прив-ПДМАЭМА образуют с НЧ серебра частицы гибридных композиций одного размера с Dd=140160 нм (Рисунок 27б).
Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии, полученные НЧ серебра имеют сферическую форму и диаметр 213 нм (Рисунок 28).
Полученные растворы композиций сополимеров с НЧ серебра весьма стабильны. Агрегативная устойчивость в воде сохранялась в течение 20 месяцев. После высушивания и повторного растворения сухого остатка в воде происходило диспергирование частиц с сохранением их исходных характеристик.
Наночастицы серебра привлекают большое внимание исследователей благодаря способности ингибировать рост штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам. Антибактериальные свойства композиции ПИ-прив-ПДМАЭМА/Ag0 были охарактеризованы стандартным дисково-диффузионным методом по значению зоны полного подавления роста ряда микроорганизмов (Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa) вокруг дисков бактериальной целлюлозы, пропитанной водным раствором этой композиции. Показано, что образцы сополиимида ПИ-прив-ПДМАЭМА не обладают антибактериальной активностью, а в случае нанокомпозиций ПИ-прив-ПДМАЭМА/Ag0 проявляют антибактериальные свойства, сопоставимые с активностью промышленно выпускаемого антибактериального препарата повиаргол, представляющего собой композиты наночастиц серебра с поли(N-винилпирролидоном) (Таблица 6).
Отличительным преимуществом нанокомпозиций ПИ-прив-ПДМАЭМА/Ag0 является простота их получения. Варьирование длины боковых цепей ПДМАЭМА не приводит к существенным изменениям значений диаметра зон задержки роста бактерий.