Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 13
1.1. Монодисперсные полимерные частицы 13
1.2. Методы формирования монодисперсных полимерных частиц 14
1.3. Электроповерхностные свойства и структура поверхности частиц... 30
1.4. Взаимодействие биолигандов с поверхностью полимерных частиц... 34
1.5. Применение полимерных частиц в биотехнологии 40
1.6. Самосборка монодисперсных полимерных частиц в фотонные кристаллы 42
1.7. Методология исследования 48
Глава II. Экспериментальная часть 51
1. Основные реагенты 51
2. Методы гетерофазной полимеризации 58
3. Методы исследования процесса полимеризации и характеристик полимерных частиц 59
4. Изучение специальных свойств полимерных частиц и их структур 65
Глава III. Результаты и их обсуждение 68
1. Монодисперсные частицы полистирола с карбоксигруппами 68
2. Монодисперсные частицы полиметилметакрилата с карбоксигруппами 105
3. Монодисперсные частицы сополимеров акролеина со стиролом или метилметакрилатом 135
4. Электроповерхностные свойства частиц ПСАК, ПММА, ПММААК и связывание ими белка 143
Выводы 262
Библиографический список 264
- Методы формирования монодисперсных полимерных частиц
- Применение полимерных частиц в биотехнологии
- Методы исследования процесса полимеризации и характеристик полимерных частиц
- Монодисперсные частицы полиметилметакрилата с карбоксигруппами
Введение к работе
Метод гетерофазной полимеризации в эмульсионном, дисперсионном или суспензионном вариантах обеспечивает в настоящее время производство полимерных дисперсий (латексов) различного назначения (каучуки, дисперсионные краски, покрытия). При этом достижения современной технологии позволяют регулировать строение цепей, их молекулярно-массовое распределение, улучшать прозрачность, пленкообразующие и физико-механические свойства образующихся полимерных систем, что делает полимерные дисперсии широко востребованными в крупнотоннажном масштабе.
В конце XX столетия возникли новые задачи по разработке полимерных дисперсий, отвечающих специфическим требованиям не только к диаметру частиц и их распределению по размерам, но также к строению и свойствам их поверхностного слоя, в том числе, к его толщине, функциональности, степени гидрофобности и стабильности поверхностной структуры. Эти требования были сформулированы в связи с появлением новых возможностей использования полимерных дисперсий в биотехнологии для создания диагностичесішх иммунореагентов путем связывания биологически активных веществ (БАВ) с частицами и проведения биоспецифических процессов в их поверхностном слое, а также в нанотехнологии - для формирования новых типов материалов, в том числе, пространственно-периодических твердотельных структур с нелинейными оптическими свойствами. Потребности в таких полимерных дисперсиях не являются крупнотоннажными, но их разработка и получение крайне важны для развития биотехнологии и новой техники. Вышесказанное вызывает необходимость создания научных основ управления поверхностными свойствами частиц в процессе гетерофазной (со)полимеризации и при их последующей поверхностной модификации. В частности, для биотехнологии актуальны исследования изменений в поверхностной структуре частиц при связывании БАВ, а также изучение влияния гидрофобности поверхностного слоя, распределения в нем реакционно-способных и ионогенных групп, их кислотно-основных свойств на эффективность экспонирования биолигандов для участия в биоспецифических реакциях. Актуальность исследований, связанных с методами получения монодисперсных частиц электропроводящих полимеров, а также композитных частиц, содержащих магнитные или металлические наночастицы, определяется необходимостью придания им специальных (магнитных, электропроводящих, оптических) свойств, востребованных в нанотехнологии. При этом также выдвигается задача создания научных основ процесса формирования частиц определенной морфологии с включением наночастиц-модификаторов в состав поверхностного слоя. Для нанотехнологии особенно актуально выявление условий, в которых монодисперсные частицы проявляют способность к самосборке, поскольку этот процесс перспективен для создания метаматериалов с внутренней иерархической структурой, которые могут стать новой элементной базой оптоэлектроники и телекоммуникационной индустрии. Исследование влияния природы полимера, дисперсности и поверхностной структуры частиц на качество образуемых ими решеток, а также поиск новых синтетических подходов для введения в них люминофоров и хромофорных группировок, испускающих или поглощающих свет в области фотонной запрещенной зоны трехмерно упорядоченных полимерных матриц, актуально для разработки методов управления их фотонно-кристаллическими свойствами.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИВ С РАН, а также по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Индустрия наносистем и материалов - шифр «2007-3-1.3-07-03-082») и Научным программам Президиума РАН («Наноструктуры в полимерных системах, перспективных для оптоэлектроники», «Органические и гибридные наноструктурированные материалы для фотоники»), Отделения химии и наук о материалах РАН «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений» (2003-2005 гг.) и СПбНЦ РАН (2000, 2002, 2005, 2006 гг.), при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 01-03-32414 «Направленное регулирование поверхностных свойств полимерных наночастиц в процессе синтеза» и 04-03-33080 «Исследование реакционной способности функциональных групп и биолигандов на поверхности полимерных частиц»).
Цель работы состояла в разработке методологических подходов к формированию монодисперсных полимерных частиц требуемого размера, поверхностной структуры и функциональности для применения в био- и нанотехнологии.
В ходе исследования решались задачи:
• выявления факторов, позволяющих управлять размером, дисперсностью, поверхностной структурой и функциональностью частиц в процессе эмульсионной и дисперсионной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола;
• исследования влияния степени гидрофобности поверхностного слоя, распределения и реакционной способности функциональных групп частиц на связывание и эффективность экспонирования БАВ для участия в биоспецифических реакциях;
• разработка методов модификации монодисперсных полимерных частиц наночастицами магнетита, благородных металлов, хромофорными группировками;
• выявление влияния дисперсности и поверхностных характеристик субмикронных частиц на их способность к самосборке в трехмерно упорядоченные периодические структуры, проявляющие фотонно-кристалличсские свойства.
Научная новизна. Впервые разработана методология управления дисперсными характеристиками и поверхностными свойствами частиц, формируемых в процессе гетерофазной (со)полимеризации, и выявлено определяющее влияние этих свойств на способность частиц к связыванию биолигандов и их эффективному экспонированию для участия в биоспецифических реакциях. Установлено, что формирование монодисперсных полимерных частиц требуемого размера и функциональности (карбоксильные, альдегидные и аминогруппы) с оптимальной степенью гидрофобности и стабильности поверхностной структуры достигается путем целенаправленного варьирования природы и концентрации основных и функциональных сомономеров, инициатора, регуляторов роста цепи, гидрофильных полимеров-стабилизаторов, поверхностно-активных веществ, а также рН, ионной силы и полярности реакционной среды. Разработаны оригинальные методы формирования карбоксилированных магнетитсодержащих нано- и субмикронных частиц, в которых магнетит экранирован полимером от взаимодействия с дисперсионной средой; а также полимерных микросфер, покрытых наночастицами благородных металлов. Найдены новые синтетические подходы (контроль реакции обрыва цепи и степени ионизации реагентов) к получению субмикронных частиц сополимеров стирола с функциональными сомономерами со среднеквадратичной дисперсией размера менее 2%, которые способны к самосборке в трехмерные решетки фотонных кристаллов высокой степени совершенства.
Практическая значимость. Разработаны методы получения широкого круга монодисперсных полимерных частиц диаметром от 30 нм до 5.3 мкм с поверхностной концентрацией карбоксильных, альдегидных, аминогрупп в диапазоне 0.28-4.5 мкг-экв/м", в том числе, магнетитсодержащих частиц. Полученные частицы перспективны для использования в различных областях био- и наноіехнологии. Оптимизированы условия связывания этими частицами ряда антител и антигенов белковой природы, что позволило обеспечить их экспонирование на границе раздела фаз и сохранение биоспецифической активности. Монодисперсные частицы сополимеров стирола с функциональными сомономерами успешно применены в качестве структурных элементов фотонных кристаллов высокой степени совершенства.
Положения, выносимые на защиту:
• Направленное регулирование в процессе гетерофазной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола размера, дисперсности, функциональности и структуры поверхностного слоя формируемых частиц может быть осуществлено путем варьирования природы и концентрации основного мономера, инициаторов с функциональными группами, функциональных сомоиомеров, сшивающих агентов, регуляторов роста цепи, анионных ПАВ, гидрофильных полимеров, буферной соли, а также рН, полярности реакционной среды и температурного режима процесса.
• Целенаправленное распределение биолигандов на поверхности носителя для эффективного участия в биоспецифичееккх реакциях. Этому способствует рациональный выбор типа полимерных частиц и оптимальные условия их поверхностной модификации путем адсорбции или ковалентного связывания. При этом учитывается реакционная способность функциональных групп, степень гидрофильности и стабильности структуры поверхностного слоя, величина и распределение в нем поверхностного заряда.
• Использование двухстадийной гетерофазной сополимеризации с введением функциональных сомономеров на второй стадии процесса и фиксацией их звеньев с помощью сшивающих агентов в поверхностном слое образующихся монодисперсных частиц. Такой подход является эффективным методом введения люминофоров, а также функциональных групп для ковалентного связывания хромофорных группировок или фотовосстановления благородных металлов на полимерной поверхности.
• Формирование монодисперсных магнетитсодержащих наночастиц и микросфер, в которых магнетит экранирован полимером от дисперсионной среды, может быть осуществлено методами одно- и двухстадийной эмульсионной полимеризации в присутствии магнитных жидкостей в условиях, когда частицы магнетита и полимерной матрицы имеют разноименные заряды.
• Возможность реализации процесса самосборки монодисперсных полимерных частиц в трехмерно упорядоченные периодические структуры, проявляющие фотонно-кристаллические свойства, определяется природой полимерной основы частиц, их дисперсностью и специфическими свойствами поверхностных слоев.
Апробация работы проведена при защите трех кандидатских диссертаций, выполненных под руководством автора. Результаты исследований доложены на международных симпозиумах II-V «Molecular Mobility and Order in Polymer Systems» (С.-Петербург, 1996, 1999, 2002, 2005), международных конференциях XI и XII «Surface Forces» (Москва, 1996; Звенигород, 2002), «Polymer Colloids» (Irsee, Германия, 2002), XVI и XVII European Chemistry at Interface (Владимир, 2003; Loughborough, UK, 2005), «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (С.-Петербург, 2001, 2004), «Spectroscopy of Partially Ordered Macromolecular Systems» (Прага, Чехия, 2003), «Current and Future trends in polymeric materials» (Прага, Чехия, 2005), «Polymers in Dispersed Media» (Лион, Франция, 2004), «Modern Problems of Condensed Matter Optics» (Киев, Украина, 2006), IV «Фундаментальные проблемы оптики» (С.-Петербург, 2006), 1-st European Chemistry Congress (Будапешт, Венгрия, 2006), на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), VIII—XIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2001—2006), III Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово, 2006) и II-IV Всероссийских Каргинских конференциях (Москва, 2000, 2005, 2007).
Полимерные частицы-носители и методики их модификации биолигандами переданы в организации биомедицинского профиля, где показана эффективность их применения в основанных на реакции агглютинации латекса тест-системах для определения дифтерийного токсина, антител к возбудителям менингита, легионеллеза, рецепторам мозговой ткани, а также к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ). Модифицированные карбоксиметилдекстраном частицы полиметилметакрилата (ПММА) успешно применены в ГНЦ прикладной микробиологии как адъюваптные носители, усиливающие иммунный ответ организма на связанный с ними антиген. Моиодисперсные частицы полистирола и (со)полимеров на основе дивинилбензола или диметакрилата этиленгликоля испытаны с положительным результатом в Российском государственном педагогическом университете им. Л.И. Герцена в качестве формообразующих нанореакторов для фотовосстановления благородных металлов в их поверхностном слое. Фотонные кристаллы высокой степени совершенства, полученные путем самосборки монодисперсных полимерных частиц, использованы в Физико-техническом институте РАН как модельные объекты для изучения тонких фотонно-кристаллических эффектов и экспериментальной апробации теоретических разработок.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов, библиографического списка (377 наименований), изложена на 297страницах, содержит 132 рисунка и 66 таблиц.
Методы формирования монодисперсных полимерных частиц
К полимерным дисперсиям с узким распределением частиц по размерам (РЧР) относят латексы, содержащие частицы полимера сферической формы, если отклонение их размера от среднего составляет 1-3% для частиц с диаметром 0.1-10 мкм и 10-30 % для частиц с диаметром менее 0.1 мкм и более 10 мкм [1,2]. Монодиспсрспые полимерные частицы используют как калибровочные эталоны и модельные коллоиды при изучении реологического поведения, стабильности, седиментации, агрегации и электрокинетики [3].
В последние годы такие частицы эффективно применяют в иммуноанализе в качестве носителей иммунореагентов [4-6]. Использование турбидиметрии, нефелометрии, спектрофотометрии в качестве метода учета результата иммунохимической реакции требует седиментационно устойчивых частиц с размерами 0.1-0.5 мкм. Диаметр частиц, необходимый для иммунохроматографических и фильтрационных методов анализа, определяется размером пор используемых мембран и фильтров. Постановка латекс-тестов в капле с визуальным учетом результата анализа возможна при размере частиц латексного иммунореагснта 0.5-2 мкм. Крупные частицы диаметром 2-10 мкм, соизмеримые с форменными элементами крови, позволяют моделировать иммунологические процессы с их участием, а также проводить визуальный учет результатов анализа по оседанию частиц в лунках иммунологических планшетов [2]. Наиболее востребованы монодисперсные частицы субмикронного размера.
В нанотехнологии монодисперсные полимерные частицы используют как наполнители и структурные элементы различных композиционных материалов, а также как формообразующие темплатьт, нано- и микрореакторы. При этом, синтез новой фазы происходит в поверхностном слое или объеме одной частицы, а способ структурирования многокомпонентной системы определяется дисперсностью, поверхностными свойствами частиц, а также комплексом взаимодействий на межфазной границе [7]. В полимерной химии уже разработан ряд методов, позволяющих получать монодисперсные частицы заданного размера, в том числе, с реакционно-способными группами [8]. 1.2. Методы формирования монодисперсных полимерных частиц
В классической эмульсионной полимеризации (ЭП) мономер плохо растворим в реакционной среде, как правило, воде, но эмульгирован в ней при помощи поверхностно активных веществ (ПАВ). Критическая концентрация мицеллооб-разования (ККМ) ПАВ уменьшается с повышением температуры, а таюке в присутствии органических веществ и электролитов, поэтому эффективность эмульгирования мономера и размер частиц латекса зависит не только от природы и концентрации ПАВ [8-10], но и от этих факторов.
Для инициирования ЭП используют растворимые в воде персульфаты калия и аммония, перекись водорода, гидроперекиси, 5,5 -азо-бис(5-цианпентановую кислоту), 4,4 -азо-бис(4-цианизовалериановую кислоту) (ЦВК), 2-азо-бис[2-(имидазидинил-2)пропан] дигидрохлорид (АИП) и 2-азо-бис(2-метилпропано-амидин) дигидрохлорид, окислительно-восстановительные системы: перекись водорода - сульфат железа (II), персульфат натрия — тиосульфат натрия, а таюке растворимые в мономере: 2,2 -динитрил-азо-бис-изомасляной кислоты (ДИНИЗ), перекись бензоила (ПБ) и т. п. Если инициатор растворим в воде, то полимеризация начинается вне капель мономера и мицелл. Затем олигорадикалы абсорбируются мицеллами, насыщенными мономером. Так образуются полимер-мономерные частицы (ПМЧ), которые затем становятся основной зоной полимеризации [11]. Если скорость диффузии мономера из капель эмульсии в ПМЧ существенно превышает скорость полимеризации, устанавливается равновесная концентрация мономера в ПМЧ и ЭП протекает с постоянной скоростью (стационарный период). При малом размере ПМЧ (до 100 нм), одна частица может содержать не более одного растущего радикала. Следующий радикал, попав в ПМЧ, обрывает рост цепи в результате реакций рекомбинации или диспропорционирования. Согласно теории Смита - Эварта [12], это приводит к среднему числу радикалов в ПМЧ равному 0.5. При большем размере в ПМЧ могут сосуществовать несколько радикалов. Число радикалов в частицах может возрастать таюке за счет снижения их подвижности вследствие повышения вязкости в ПМЧ при увеличении конверсии мономера [13] или при локализации инициирующих центров в адсорбционном слое [14-19]. В результате обрыв цепи становится менее вероятным, скорость полимеризации резко возрастает и проявляется, так называемый, гель-эффект. После полного перехода мономера из капель эмульсии в ПМЧ наблюдается снижение скорости ЭП вследствие уменьшения концентрации мономера в частицах.
Применение полимерных частиц в биотехнологии
Иммунодиагностические тесты основаны на реакции между антигенами (веществами, несущими признаки генетически чужеродной информации для данного вида организма) и антителами, продуцируемыми клетками иммунной системы организма в ответ на появление антигена [154,155]. Реакция образования комплекса антиген-антитело является высокоспецифической. Антигены и антитела могут взаимодействовать перекрестно, образуя пространственные сетки (агглютинаты). Связывание антигенов (антител) с полимерным носителем, который выполняет индикаторную функцию, дает возможность даже невооруженным глазом обнаружить появление агглютинатов частиц носителя [156]. Это позволяет применять реакцию агглютинации латекса (РАЛ) в качестве экспресс-метода выявления антител или антигенов. Преимуществами РАЛ являются простота, быстрота выполнения и отсутствие необходимости в сложной аппаратуре. Простые и экономичные латексные тест-системы могут применяться как для индивидуального анализа, так и масштабного скрининга. В настоящее время с помощью латексных тест-систем можно определить более ста инфекционных заболеваний, в том числе бактериальных, вирусных, грибковых и др. [157-168]. Кроме того, существует более шестидесяти различных латексных тест-систем, позволяющих определять резус-фактор, группу крови, устанавливать беременность, наличие лекарственных средств, ядов и наркотиков.
Важным преимуществом методов РАЛ при анализе на антитела является более ранняя диагностика, поскольку в реакции агглютинации принимают участие не только антитела класса IgG, но и класса IgM, которые образуются первыми при иммунном отклике организма. Даже при визуальной регистрации РАЛ исследователями была отмечена более высокая чувствительность и специфичность по сравнению с иммуноферментным анализом (ИФА), что связано с более развитой однородной межфазной поверхностью латексов в отличие от лунок иммунологических планшетов, обладающих меньшей сорбционной емкостью. Кроме того, для латекс-тестов отпадает ряд осложнений ИФА, обусловленных специфичностью конъюгата, стабильностью субстрата, качеством отмывки и эффектами краевых лунок планшета. Исследование латексные тест-систем для определения антител к ВИЧ [169-171] показало, что их специфичность и чувствительность соизмеримы с иммуноферментными тест-системами.
Частицы биосовместимых полимеров могут быть введены внутрь организма и служить носителями БАБ при создании препаратов для иммунизации [1,172-175]. Выработка организмом антител в ответ на антиген должна осуществляться максимально быстро, поэтому антигены следует размещать на поверхности частиц. Основной принцип, положенный в основу создания современных вакцин, состоит в использовании субъединичных антигенов, отвечающих за индукцию специфичес ких антител. Благодаря разработке новых синтетических и биосинтетических методов они стали доступны, однако в большинстве обладают слабой иммуноген-ностью и требуют применения адъювантов - веществ, усиливающих иммунный ответ организма [172,176-179]. Адъюванты позволяют защитить антигены от разрушения ферментативными системами организма и преждевременного выведения, что дает возможность использовать антигены в меньших количествах. Наряду с адъювантами минерального происхождения (гидроокись алюминия, бентониты, фосфаты алюминия) и эмульсиями (полный и неполный адъюванты Фрейнда), а также адъювантами на основе неионогенных блок-сополимеров, пептидов (мурамилдипептид) и липидов (липид А), для этой цели могут быть использованы и биосовместимые полимерные частицы. Выведение продуктов деградации полимерного адъюванта естественным путем позволяет избежать побочных эффектов, которые часто наблюдаются при использовании адъювантов минерального происхождения. Кроме того, препараты для иммунизации на основе полимерных частиц, не теряют своей активности в процессе хранения до полугода, что позволяет готовить их однократно и использовать по мере надобности, в отличие от адъювантов Фрейнда, содержащих клеточный материал.
Крейтер и соавторы проводили исследования адъювантной активности частиц ПММА при вакцинации лабораторных мышей, используя в качестве антигена БСА. Размер частиц варьировали от 62 до 306 нм. Было отмечено, что их адъювантная активность превосходила активность 0.2% дисперсии гидроксида алюминия (III) и возрастала с уменьшением размера полимерных частиц [172,176].
Таким образом, полимерные микросферы находят применение в биотехнологии в качестве носителей иммунореагентов как для иммунодиагностики, так и для процессов иммунизации. В своем обзоре Текстер [190] отмечает, что при самоорганизации монодисперсных заряженных полимерных частиц гранецентрированная кубическая решетка, сформированная изначально в дисперсионной среде, сохраняется и при удалении воды. Поскольку в водной фазе упорядоченные слои заряженных частиц не имеют непосредственного физического контакта друг с другом (рис. 1.2), то такие структуры достаточно нестабильны и могут быть разрушены при незначительных вибрациях или перемешивании. В упорядоченных твердотельных структурах, в результате удаления непрерывной фазы полимерные частицы находятся в «точечном» контакте друг с другом. Скорость образования ПКС превышает скорость образования твердотельных периодических структур, однако в неполярных дисперсионных средах самоорганизации частиц не происходит.
Терада с сотрудниками [191] разработал «динамичную броуновскую» модель, описывающую процесс самоорганизации сильно заряженных коллоидных частиц в ПКС. Было показано, что при объемной концентрации частиц равной 0.483 вначале образуются одномерные коллоидные кристаллы, на основе которых и происходит формирование ПКС. Эти данные не противоречат работам Крюгера [192,193], в которых показано, что дисперсная система минимизирует свою энергию, образуя ГЦК решетку из заряженных монодисперсных полимерных частиц. Прочность такой решетки зависит от элекгростатического взаимодействия частиц и достигает максимального значения при наибольшей плотности поверхностного заряда и минимальной ионной силе раствора.
Методы исследования процесса полимеризации и характеристик полимерных частиц
Полимеризацию проводили в том же реакторе, используя в качестве среды смеси на основе абсолютированного этилового спирта, толуола или воды-бидистиллята, стерическим стабилизатором служил ПВП. Инициатор ЦБК вводили при комнатной (25С) или повышенной температуре. Концентрации стирола и ПВП варьировали в пределах 0.77-1.92 моль/л и 5-30 г/л соответственно, концентрация ЦВК во всех опытах составляла 0.0143 моль/л. Полимеризацию проводили в течение 4-6 часов, поддерживая температуру 78±1С. Затем в реактор добавляли воду и отгоняли образовавшуюся азеотропную смесь (спирт/стирол-толуол/вода), удаляя органические компоненты и переводя латекс в водную среду.
По ходу (со)полимеризации из реактора отбирали пробы объемом 1 мл, вводили во взвешенный флакон с 2 мл раствора гидрохинона в ДМФА (0.29 моль/л) и расчетным количеством внутреннего стандарта (изоамиловый или н-бутиловый спирты). Условия анализа: хроматограф CHROM 4 (Laboratorni prisroje Praga), детектор ионизационно-пламенный, колонка металлическая 3,0 х 1200 мм, твердый носитель Chromaton N-AW, фракция 0,250-0,315 мм, пропитанная 15% Reoplex-400, интегратор SP 4100 фирмы Spectra. Расчет хроматограмм проводили по методу внутреннего стандарта [258], погрешность - 5%.
Поверхностное натяжение латексов определяли при 20С по методу отрыва кольца [25]. Перед определением прибор калибровали по бидистиллированной воде. Водорастворимые примеси удаляли трехкратным последовательным центрифугированием и редиспергированием латексных частиц в бидистилляте. Для перевода латекса ПС в П-форму через него при постоянном перемешивании в ультрафильтрационной ячейке ФМ02-КСО со скоростью 3-5 мл/мин прокачивали воду-бидистиллят, подкисленную НС1 до рН 5, а затем чистую воду-бидистиллят до достижения равенства электропроводностей подаваемой и выходящей жидкости, которую измеряли с помощью кондуктометра «Анион 2100».
Диаметр полимерных частиц определяли электронной микроскопией (электронный микроскоп JEM 100 S фирмы "JEOL", Япония). Образцы наносили на формоваровые подложки, обработанные 1% раствором додецилсульфата натрия. После высушивания производили фотографирование. Размер частиц определяли с помощью лупы с 0.1 мм шкалой, измеряя 200-500 частиц. Их среднеквадратичную дисперсию 6 и коэффициент полидисперсиости к рассчитывали по формулам: 5 = [(2(пА2) / 2ПІ) - (ВДЭО / ZnO 2]Ш / №А) / So,), (2.1) = Dml Dn, (2.2) где щ - количество частиц; Dt - диаметр частиц, мкм; Dm и Dn - среднемассовый и среднечисленный диаметры частиц.
Полимерные частицы сутки выдерживали в буферных растворах (концентрация электролита 10"2 н.) для установления равновесного диаметра. Затем измеряли светорассеяние дисперсий на спектрофотометре СФ-26. Расчет диаметра частиц проводили согласно уравнениям [25]: _ 8яг Z = — (2.3), D constx (2.4), Л где X - длина волны света, const не зависит от размера частиц и от длины волны падающего света; х - функция размера частиц, не зависящая от длины волны. Величину х определяли как тангенс угла наклона кривой lgD=f(lgX). По значению х с помощью графической зависимости z=f(x) определяли соответствующую ему величину z и по формуле (2.3) рассчитывали радиус частиц.
Характеристическую вязкость растворов полученных полимеров определяли в толуоле или в ДМФА при 297 К. Для расчета Мц ПС использовали уравнение Марка - Куна - Хаувинка с параметрами для ПС К - 4.16-10"5, а = 0.788 в толуоле и К = 3.18-10"4, а = 0.603 для ПС в ДМФА и для ПММА в ДМФА К = 1.73-10"4 и а=0.645 [248]. 11.3.7. Метод высокоэффективной эксклюзионной хроматографии
Молекулярно-массовое распределение (ММР) полимеров изучали на микроге-левом хроматографе "ХЖ 1309" (производства МТО АИ СССР) с лазерным рефрактометрическим детектором, колонка Gel 6-5, элюент - метилэтилкетон, скорость элюирования - 3 мкл/мин. Калибровку прибора производили по узкодисперсным стандартам ПС ("Waters", США и "Polymeric Laboratories", Англия).
Латекс высушивали в вакууме при комнатной температуре. Точную навеску полимера помещали в аппарат Сокслета, с предварительно взвешенной колбой и фильтром. Экстракцию проводили в течение 3 дней в кипящем хлористом метилене. Затем растворитель удаляли, высушивали фильтр и колбу до постоянного веса [25]. По приросту массы колбы и убыли массы фильтра определяли массу гель-фракции и рассчитывали се процентное содержание.
Для экстракции привитых сополимеров ПС/ПВП с поверхности частиц ПС 20 мл 10% водного латекса центрифугировали и редиспергировали в 20 мл абсолютизированного этилового спирта. При перемешивании добавляли 100 мкл водного раствора NaOH с концентрацией 2 моль/л. Процесс десорбции протекал в течение 2 часов при температуре 50С. После центрифугирования отбирали супернатант, содержащий экстрагированные привитые сополимеры ПС/ПВП. Латекс вновь редиспергировали в щелочном спирте и повторяли экстракцию трижды. Полученную надосадочную жидкость концентрировали на роторном испарителе, а затем доводили до постоянной массы в вакуумной сушилке при 20С.
Монодисперсные частицы полиметилметакрилата с карбоксигруппами
При получении полимерных частиц-носителей иммунореагентов использование мономеров, отличных от стирола, представляет интерес для придания им новых свойств. В частности, ПММА менее гидрофобен, что должно уменьшать песпецифическое взаимодействие белков с его поверхностью. Кроме того, этот полимер имеет более высокую плотность и меньший показатель преломления, что является его преимуществами в процессах, требующих быстрого оседания частиц или применения оптических методов контроля прохождения реакций [289]. В связи с этим, было целесообразно изучить возможности метода БЭП под действием карбоксилсодержащего инициатора для получения монодисперсных частиц ПММА с карбоксилированной поверхностью [290].
Для того чтобы проследить влияние рН среды на инициированную ЦВК полимеризацию ММА и характеристики формируемых латексов, се проводили при 75С, используя различные значения рН0 (табл. 3.2.1). Поскольку при полимеризации стирола наблюдалось сильное изменение рН уже в первые минуты синтеза [270], количество NaOH, необходимое для достижения заданного рНо, определяли при предварительном титровании реакционной смеси раствором щелочи как в присутствии ММА, так и без него (рис. 3.27). В присутствии ММА кривая титрования лежит правее до рН 11.5, что связано, вероятно, с растворением небольшой доли ЦВК в органической фазе. В условиях опытов 1м и 2м (табл. 3.2.1) можно оценить эту долю в 6% от общей концентрации инициатора.
В отличие от БЭП стирола [267,270], заметный индукционный период, значительное падение скорости реакции и конверсия ММА ниже 80%, наблюдались при высоком рНо (рис. 3.28 а, оп. 5м). При достижении степеней конверсии 30-50% во всех опытах скорость полимеризации и ММ резко возрастали (рис. 3.29), свидетельствуя, что основной зоной роста полимерных цепей являются ПМЧ, достаточно крупные для проявления гель-эффекта [14,21].
Поверхностное натяжение реакционных смесей уже в начале БЭП имеет низкие значения (рис. 3.28 б), что следует связать с собственной способностью ММА понижать поверхностное натяжение воды, поскольку для смесей, содержащих стирол, в начале синтеза а было не ниже 50 мН/м [270]. При полимеризации ММА поверхностное натяжение оставалось низким до наступления гель-эффекта, как это происходило и при БЭП стирола. Затем в опытах 1м-4м оно возрастало до значений, близких к о воды, что указывает на поглощение всего мономера ПМЧ [20]. Лишь в опыте 5м сохранялось низкое поверхностное натяжение, подтверждая присутствие в водной фазе ММА и олигомерных ПАВ на завершающей стадии процесса.
Уже в первые минуты синтеза рН реакционной смеси резко падает во всех случаях (рис. 3.28 в) кроме опыта 1м, начатого при низком рН0 = 5.51, что характерно и для БЭП стирола. Однако при полимеризации ММА падение рН оказалось гораздо более выраженным. В связи с этим, даже при высоких значениях рН0, на стадии роста ПМЧ полимеризация происходит уже в слабощелочной или нейтральной среде. Максимумы на кинетических зависимостях рН, соответствуют по времени гель-эффекту на конверсионных кривых и повышению поверхностного натяжения реакционной смеси, что свидетельствует об исчерпании ММА в водной фазе. Следовательно, понижение рН на последней стадии синтеза связано с процессами, происходящими на поверхности частиц. Одним из них может быть медленное выдвижение полимерных цепей с концевыми карбоксигруппами из объема к поверхности ПМЧ, как и при полимеризации стирола [270]. Вместе с тем, в конце синтеза наблюдается монотонное смещение рН в кислую область. Оно тем большее, чем выше было значение рН0. Так, при рН0 11.5 (оп. 5м), концентрация ионов ОН" падает в ходе процесса на 6 порядков.
Выявленные особенности полимеризации ММА проявляются при высоких рНо реакционной смеси. Они указывают на протекание в системе одновременно с полимеризацией гидролиза ММА. Оценку степени гидролиза проводили на модели реакционной смеси (МІ), в которой процесс полимеризации был исключен введением вместо ЦВК корковой кислоты (рис. 3.30). В течение одного часа наблюдалось значительное падение высоких исходных рН смесей, причем, независимо от величины рН0, за два часа устанавливалось равновесное значение, равное 7.8. По отрезкам между кривой 1 и кривыми 2 и 3 при данном значении рН графически определили количество образовавшейся метакриловой кислоты (рис. 3.31). Методом ВЭЖХ было подтверждено появление МАК в аналоге реакционной смеси с рН0 12.0. Поскольку время удерживания корковой кислоты и МАК совпадало, в смесь вводили эквивалентное количество бикарбоната натрия.
