Введение к работе
Актуальность темы исследования. Научный интерес к созданию и исследованию супрамолекулярных ансамблей на основе синтетических полимеров со сложной архитектурой обусловлен возможностью их практического применения в технологии создания наноматериалов, биотехнологии, медицине и фармации. Особую значимость в разработке самоорганизующихся систем имеет выбор химических соединений способных к образованию нано- и микроразмерных молекулярных агрегатов и ассоциатов за счет комплементарности компонентов и высокоселективных нековалентных взаимодействий. В этом плане особый интерес представляют гиперразветвленные полимеры, обладающие дендридоподобной нерегулярной топологической структурой и значительным количеством терминальных функциональных групп доступных для модификации. Сочетание полифункциональности с наличием полостей в структуре гиперразветвленных полимеров позиционирует их как перспективные реагенты для связывания целевых субстратов различной природы, в том числе биологических и лекарственных субстанций, а также создания новых материалов с упорядоченной структурой.
Концептуальным подходом в улучшении функциональных свойств синтетических гиперразветвленных полимеров является создание бинарных смесей гиперразветвленный полимер/ПАВ, что позволяет существенно модифицировать их структурные и физико-химические свойства.
В тоже время изучение физико-химических свойств самоорганизующихся систем на основе гиперразветвленных полимеров и бинарных систем гиперразветвленный полимер/ПАВ осложнено отсутствием общих теоретических подходов к оценке термодинамических параметров данных систем. На сегодняшний день уровень исследований в данной области характеризуется несистематическим накоплением фактического материала, а информационная база данных мала. Поэтому исследования в области супрамолекулярной физической химии систем на основе гиперразветвленных полимеров и их бинарных смесей с ПАВ значимы, носят фундаментальный характер и направлены на выяснение особенностей и механизмов межчастичных и межмолекулярных взаимодействий в многокомпонентных самоорганизующихся системах.
Таким образом, создание новых самоорганизующихся систем на основе гиперразветвленных полимеров и их бинарных смесей с ПАВ, установление закономерностей процессов самоорганизации в данных системах, оценка возможностей связывания целевых субстратов является актуальной научной и практической задачей.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время имеется достаточно обширная база фундаментальных и практически полезных знаний в области самоорганизации линейных полимеров и их бинарных систем с ПАВ. Самоорганизация макромолекул со структурой ядро-оболочка, а именно дендримеров и гиперразветвленных полимеров изучена в гораздо меньшей степени. Для гиперразветвленных полимеров описание процессов самоорганизации ограничено лишь отдельными аспектами их самосборки на подложках. При этом, одним из ключевых мотивационных моментов разработок в данном направлении является создание эффективных, нетоксичных, деградируемых, биологически активных коньюгатов, полиплексов и ассоциатов для решения задач фармации, медицины и материаловедения Детальное исследование, оценка физико-химических параметров и описание закономерностей самоорганизации гиперразветвленных полимеров позволит обосновать выбор условий для их использования в направленном и контролируемом взаимодействии с целевыми субстратами.
Разработка новых бинарных систем полимер/ПАВ представляет несомненный Разработка новых бинарных систем полимер/ПАВ представляет несомненный интерес, так
2 как они позволяют сочетать преимущества мицеллярных агрегатов со связыванием субстрата полимером для целей солюбилизации перспективных полимерных материалов с ограниченной растворимостью в водных средах, а также для создания эффективных систем инкапсулирования и доставки субстратов. Следует отметить, что и в этом случае, в отличие от систем линейный полимер/ПАВ и дендример/ПАВ, процессы самоорганизации и возможности практического применения бинарных систем гиперразветвленный полимер/ПАВ представлены в литературе ограниченно. Это может быть обусловлено большей конформационной подвижностью молекул гиперразветвленных полимеров по сравнению с молекулами дендримеров, а, следовательно, подобием гиперразветвленных полимеров и их производных структуре и поведению агрегатов ПАВ. Сочетание этих двух факторов значительно затрудняет оценку термодинамических параметров и характеризацию бинарных систем гиперразветвленный полимер/ПАВ. Поэтому актуальной задачей будет разработка простых подходов к оценке физико-химических параметров самоорганизации в таких системах, что позволит определить теоретические основы их дальнейшего практического использования.
Цели и задачи работы. Целью работы является создание новых самоорганизующихся систем на основе гиперразветвленных полимеров и их бинарных смесей с ПАВ, установление физико-химических закономерностей процессов самоорганизации в данных системах, оценка влияния химического строения, структуры и соотношения компонентов. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Получить бинарные системы гиперразветвленные полиэфирополиолы различных генераций/неионогенные ПАВ, оценить влияние структуры полимера и ПАВ на их физико-химические характеристики, морфологию молекулярных агрегатов в растворах.
Разработать методы синтеза, определить спектральные характеристики гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот второй и третьей генераций, содержащих различное количество фрагментов акриловой кислоты в терминальных положениях.
Оценить влияние степени функционализации, концентрации и генерации гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот второй и третьей генераций на их агрегационные свойства и морфологию сложных агрегатов в растворах.
Исследовать процессы образования молекулярных агрегатов в бинарных системах на основе гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот второй и третьей генераций и неионогенных ПАВ, оценить влияние структуры поликислоты и ПАВ на физико-химические характеристики, морфологию агрегатов и параметры ассоцциации агрегатов с антираковым препаратом доксорубицин.
Провести морфогенетическую оценку активности ассоциатов доксорубицина с полиэфирополиакриловыми кислотами и их бинарными системами с неионогенными ПАВ по отношению к некоторым культурам раковых клеток.
Научная новизна работы. Созданы новые бинарные системы гиперразветвленный полиэфирополиол/неионогенный ПАВ (Brij-35, TritonX-100, Tween-20). На основании данных комплекса методов определен ряд термодинамических функций и параметров образования молекулярных агрегатов в водных растворах бинарных систем, в том числе критическая концентрация агрегации (ККА), свободная энергия мицеллообразования
3 (Gm), стандартная поверхностная энергия Гиббса (Gs), предельная адсорбция (Гmax), площадь посадочной площадки структурных единиц на поверхности раздела фаз (Аmin). Выявлена зависимость процессов самоорганизации в растворах всех исследованных бинарных систем от генерации гиперразветвленного полиэфирополиола (BHx, где х=20, 30, 40), концентрации и структуры ПАВ. Предложены вероятные типы супрамолекулярных структур в растворах бинарных систем гиперразветвленный полиэфирополиол/неионогенный ПАВ.
Определены размерные характеристики и концентрация молекулярных агрегатов в растворах бинарных систем гиперразветвленный полиэфирополиол/неионогенный ПАВ (Brij-35, TritonX-100, Tween-20). На основе анализа концентраций агрегатов в растворе предложен подход к оценке параметров межфазного распределения при солюбилизации гиперразветвленных полиэфирополиолов неионогенными ПАВ. Выявлено, что увеличение генерации гиперразветвленного полиэфирополиола приводит к уменьшению индекса полидисперсности и гидродинамического диаметра молекулярных агрегатов полиэфирополиол/ПАВ в растворах бинарных систем BHx/Brij-35 и BHx/Trion X-100. Наибольшая доля связывания мицеллами ПАВ характерна для полиэфирополиола третьей генерации и составляет 93%.
Выявлен значительный рост солюбилизационной емкости бинарных систем гиперразветвленный полиэфирополиол/неионогенный ПАВ (Brij-35, TritonX-100, Tween-20) по отношению к нерастворимому органическому красителю Orang-OT в ряду Brij-35 Разработаны методики синтеза и синтезированы новые гиперразветвленные полиэфирополикарбоновые кислоты второй и третьей генераций, содержащие от 6 до 28 фрагментов акриловой кислоты в терминальных положениях. Показано, что увеличение степени функционализации платформы полиэфира фрагментами акриловой кислоты приводит к снижению области рН формирования сложных агрегатов до рН=2 с одновременным уменьшением их гидродинамического диаметра и полидисперсности. Созданы новые бинарные системы гиперразветвленная полиэфирополиакриловая кислота/неионогенный ПАВ (Brij-35, TritonX-100), способные к образованию молекулярных ассоциатов с антираковым препаратом доксорубицин (DOX). Оценена морфология сложных ассоциатов антиракового препарата доксорубицин с гиперразветвленными полиэфирополиакриловыми кислотами второй и третьей генераций BHх(COOH)m и их бинарными системами с неионогенными ПАВ Brij-35 и TritonX-100 в зависимости от генерации, степени функционализации поликислоты и природы ПАВ. Показано, что образование асоциацатов с доксорубицином наблюдается для всех поликислот и бинарных систем BHх(COOH)m/ПАВ, максимальное связывание доксорубицина наблюдается для поликислот BH20(COOH)6, BH30(COOH)12 и BH30(COOH)24 и составляет 53-60% при концентрации поликислот 2.510-3 мМ. Наличие в системе BH30(COOH)24+DOX двух типов совместных ассоциатов со значениями 4 гидродинамического диаметра Dh1= 98±2 нм и Dh2= 200±30 нм, обуславливает сохранение высокой степени связывания доксорубицина (60%). Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны и реализованы методики создания новых бинарных систем гиперразветвленный полимер/ПАВ на основе биодеградируемых гиперразветвленных полиэфирополиолов и полиэфирополиакриловых кислот разных генераций, неионогенных ПАВ. Предложен набор подходов и методов для изучения процессов самоорганизации в данных системах и оценки параметров, образующихся супрамолекулярных агрегатов. Результаты работы вносят вклад в развитие физической химии растворов гиперразветвленных полимеров и их бинарных систем с ПАВ. Показана принципиальная возможность использования молекулярных агрегатов гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот второй и третьей генераций и их бинарных систем с неионогенными ПАВ (Brij-35, TritonX-100) для связывания антиракового препарата доксорубицин, что имеет существенное значение для разработки новых систем адресной доставки лекарственных препаратов. Доказана активность ассоциатов доксорубицина с гиперразветвленными полиэфирополиакриловыми кислотами и их бинарными системами с Тriton Х-100 по отношению к культурам клеток HeLa и клеткам карциномы человека MCF-7. Установлено, что ассоциат доксорубицина с гиперразветвленной полиэфирополиакриловой кислотой второй генерации BH20(COOH)6 подавляет модельную культуру клеток HeLa при дозах 35 мг/кг и обладает активностью близкой доксорубицину при меньшей токсичности. Наилучшей активностью в подавлении культуры клеток карциномы человека MCF-7 по величине коэффициента жизнеспособности, индексов пролиферации, цитотоксичности, митотического индекса обладает ассоциат доксорубицина с бинарной системой на основе гиперразветвленной полиэфирополиакриловой кислотой третьей генерации BH30(COOH)24/Triton X-100. Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований применялся комплекс современных физико-химических методов синтеза, установления структуры и состава гиперразветвленных полиэфирополикарбоновых кислот, а именно рН-потенциометрическое титрование, ИК-Фурье спектроскопия, ЯМР 1Н и 13С спектроскопия. Исследование процессов самоорганизации в растворах полимеров и их бинарных систем с неионогенными ПАВ выполнено с использованием методов кондуктометрии, тензиометрии, рН-метрии, электронной спектроскопии поглощения, динамического рассеяния света, впервые для исследования подобных систем применялся метод анализа траекторий наночастиц (NTA). Положения, выносимые на защиту. Результаты исследования характеристик самоорганизации в бинарных системах гиперразветвленный полиэфирополиол/ПАВ (Brij-35, Triton X-100, Tween-20) в водных средах, параметры образования молекулярных агрегатов в растворах бинарных систем, солюбилизационной емкости бинарных систем по отношению к нерастворимому органическому красителю Orange-ОТ и факторы их определяющие. Методики синтеза гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот второй и третьей генераций, их спектральные данные и параметры самоорганизации. Закономерности образования и морфология молекулярных агрегатов в растворах гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот и их бинарных систем с неионогенными ПАВ (Brij-35, Triton X-100). Характеристики самоорганизации и морфология ассоциатов в системах гиперразветвленная полиэфирополиакриловая кислота/ПАВ+доксорубицин, с оценкой влияния химической структуры, генерации и концентрации поликислоты, природы ПАВ. Методика создания новых транспортных систем биомедицинского назначения на основе гиперразветвленных полиэфирополиакриловых кислот и их бинарных систем с неионогенными ПАВ (Brij-35, Triton X-100). Параметры активности ассоциатов доксорубицина с полиэфирополиакриловыми кислотами их бинарными системами с Triton X-100 по отношению к модельным клеткам культуры HeLa и клеткам карциномы человека MCF-7. Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач работы, анализе литературных данных, выполнении экспериментальных исследований, обсуждении результатов работы и формулировке выводов, подготовке статей и тезисов докладов. Основные экспериментальные исследования выполнены на кафедре неорганической химии Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ. Эксперименты по оценке активности по отношению к культурам раковых клеток были выполнены в Федеральном центре радиационной и биологической безопасности. Степень достоверности. Достоверность результатов работы подтверждается использованием комплекса современных физико-химических методов оценки параметров исследуемых систем, в том числе метода анализа траекторий частиц (NTA). Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов на I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011), XI Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Материалы и технологии XII века» (Казань, 2012), XXII Российской молодежной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.А. Тагер (Екатеринбург, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012), XI Международной конференции по химии и физико-химии олигомеров (Ярославль, 2013), Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2014), ХХVI Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Казань, 2014), Х Всероссийской конференции «Химия и медицина» с молодежной научной школой (Уфа-Абзаково, 2015), XXII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Казань, 2015). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в рецензируемых отечественных и международных журналах, 12 тезисов докладов на конференциях различного уровня. Структура и объем работы. Работа изложена на 176 страницах, содержит 19 таблиц, 96 рисунков, 2 схемы, 289 библиографических ссылок. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (1 глава), экспериментальной части (Глава 2), обсуждения результатов (Глава 3 - 4), заключения, списка цитируемой литературы и одного Приложения.