Содержание к диссертации
Введение
1. Химическое модифицирование хитозaha 11
1.1.Хитин и хитозан - строение, структура и свойства 11
1.2. Полимераналогичные превращения хитозана 15
1.3.Привитая полимеризация виниловых мономеров на хитозан 22
1.4.Смесевые композиции хитозана с синтетическими и природными полимерами 29
1.5. Полимерные гидрогели хитозана с синтетическими и природными полимерами 36
2. Методы получения привитых, блок-сополимеров и смесевых композиций хитозана с n-винил пирр оли до ном, акриламидом и диметиламиноэтилметакрилатом и определение их физико-механических свойств 40
2.1. Методы получения привитых и блок-сополимеров хитозана с N-винилпирролидоном, акриламидом и диметиламиноэтилметакрилатом 40
2.2. Определение молекулярной массы гомополимеров и сополимеров 46
2.3. Изготовление пленок на основе привитых сополимеров и смесей гомополимеров, определение их физико-механических свойств. 49
2.4. Приготовление гидрогелей и изучение их свойств 50
2.5. Методики определения флокулирующей и сорбционной способностей хитозана и его сополимеров 52
3. Синтез сополимеров хитозана с n-винилпирролидоном, акриламидом и диметиламиноэтилметакрилатом. свойства пленочных материалов и гидрогелей на основе сополимеров хитозана и его смесей с гомополимерами 54
3.1. Привитая и блок-сополимеризация виниловых мономеров с хитозаном 54
3.2. Выделение и идентификация привитых и блок-сополимеров 67
3.3. Исследование физико-механических свойств пленок 74
3.4. Исследование гидрогелей на основе сополимеров хитозана с акриламидом и смесевых композиций хитозана с поливинилпирролидоном 86
3.5 Фл окулирующая и сорбционная способности хитозана и его сополимеров 100
Выводы 111
- Полимераналогичные превращения хитозана
- Полимерные гидрогели хитозана с синтетическими и природными полимерами
- Определение молекулярной массы гомополимеров и сополимеров
- Выделение и идентификация привитых и блок-сополимеров
Введение к работе
6 номеров винилового ряда -N-винилпирролидона (ВП) и акриламида (АА) на хитозан (ХТЗ); исследование структуры, физико-механических свойств, флоку-лирующей способности полученных сополимеров, создание пленочных материалов и гидрогелей на основе смесевых композиций соответствующих гомо-полимеров и привитых сополимеров, исследование их структуры и свойств. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи; подбор оптимальных условий синтеза (температуры, рН реакционной среды, соотношения компонентов) привитых сополимеров хитозана с ВП (АА), обеспечивающих высокие скорости процесса при незначительной деструкции цепей полисахарида, определение термодинамических характеристик процесса привитой полимеризации; изучение ультразвуковой деструкции цепей хитозана в водных растворах, синтез блок-сополимеров с ВП и диметиламиноэтилметакрилатом (ДМАЭМ); изучение строения и физико-механических свойств пленок на основе полученных сополимеров и смесей гомополимеров; получение и исследование вязкоупругих свойств гидрогелей, калориметрическое изучение их термодинамических свойств (теплоемкости, энтальпии плавления) в широком интервале температур от Т—* О К до 350 К, а также содержания свободной и связанной воды; исследование флокулирующей способности сополимеров хитозана и акриламида на модельных и реальных объектах и сравнение таковой с гомополимера-ми.
Объекты исследования. В работе использовали хитозан (акционерное общество "Сонат", Москва, "Биопрогресс", п. Биокомбинат, Московская обл.), полученный из панцирей краба, с ММ- 8.7х 10 - 2.5х 10 и степенью деацети-лирования 80-82% без дополнительной очистки. Массовая доля минеральных веществ в хитозане не превышала 0.6%, влаги - 6%, нерастворимых веществ -0.1%. ВП перегоняли под вакуумом, отбирали фракцию с т. кип. 354.1-354.8 К при давлении 666.5 Па, содержание основного вещества по данным хромато-графического анализа 98.9%. АА перекристаллизовывали из бензола, Т пл.=
358.15 К, содержание основного вещества по данным бромид-броматного титрования составляет 99.5%. В качестве инициатора использовали динитрил азои-зомаслянной кислоты и персульфат аммония.
Методы исследования. Глубину превращения ВП (АА) контролировали весовым методом, методом бромид-броматного титрования, хроматографиче-ски (газовый хроматограф ЛХМ-80, сорбент SE-30, длина колонки 2 м, 433 К, газ - носитель гелий). Методами экстракции, турбидиметрического титрования и ИК-спектроскопи и (спектрофотометр "Perkin-Elmer") очищенных продуктов доказывали образование сополимеров. С использованием дифференциального автоматического микрокалориметра ДАК1-1А определяли энтальпию полимеризации ВП в растворе хитозана и энтальпию смешения хитозана и ПВП. Вязкость разбавленных растворов полимеров определяли на капиллярном вискозиметре Уббелоде, умеренно концентрированных растворов привитых сополимеров и смесей гомополимеров - с помощью ротационного вискозиметра "Рсо-тест - 2". Гидродинамические и молекулярные характеристики привитых сополимеров хитозана с АА исследовали методами поступательной диффузии с помощью диффузометра Цветкова, в котором используется интерферометриче-ская схема Лебедева. Механическую прочность пленок сополимеров и смесей гомополимеров определяли на разрывной машине РМИ-5 при скорости растяжения 60 мм/мин, их структуру исследовали методами рентгенографического анализа (дифрактометр ДРОН-4, СиКа - излучение с монохроматором из пиро-литического графита на отраженном пучке) и атомно-силовой микроскопии ("Solver-P4", Зеленоград). Газопроницаемость пленок изучали хроматографиче-ским методом, используя специально сконструированную ячейку для подачи газа через мембрану из пленки полимера и сополимера. Флокулирующую способность хитозана и его сополимеров оценивали спектрофотометрическим методом на фото колориметре ФЭК-М.
Экспериментальная часть работы по исследованию конформационных свойств макромолекул хитозана и полученных сополимеров, термодинамических характеристик процессов полимеризации и физических превращений гид- рогелей выполнялась совместно с Научно-исследовательским институтом физики Санкт-Петербургского государственного университета и лабораторией термодинамики полимеров Научно-исследовательского института химии Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского соответственно.
Научная новизна
Впервые установлены закономерности привитой полимеризации водорастворимых виниловых мономеров - АА и ВП на хитозан; калориметрическим методом определены энтальпии полимеризации и гидролиза ВП в водно-уксуснокислых растворах полисахарида. Выявлено проявление концентрационных эффектов в процессе привитой полимеризации АА. Впервые показана принципиальная возможность получения блок-сополимеров хитозана с ВП (ДМАЭМ) под действием ультразвука.
Методами поступательной диффузии и вискозиметрии впервые исследована структура макромолекул привитых сополимеров хитозана с АА в водных растворах, выявлена их большая внутриклубковая плотность по сравнению с хитозаном. На основе полученных сополимеров, а также смесей гомополи-меров хитозана с ПВП получены пленочные материалы, методами рентгенографического анализа, атомно-силовой и ИК-спектроскопии доказано влияние структуры на их физико-механические свойства. В частности резкое увеличение пластичности, связанное с уменьшением степени кристалличности структуры.
Получены рН- и термочувствительные гидрогели на основе модифицированного хитозана, калориметрически изучены температурные зависимости теплоемкости, температуры и энтальпии физических превращений гидрогелей на основе хитозана с ПВП или ПАА и их полимерных составляющих; по полученным экспериментальным данным рассчитаны количества связанной воды на условный моль полимерных систем и термодинамические функции гидрогелей С(Т), Н(Т)-Н(0), S(T)-S(0), G(T)-Hc(0) для области от Т-» 0 до 350 К.
Практическая значимость. На основе сополимеров хитозана с АА, ВП и смесевых композиций гомополимеров хитозана с ПВП может быть получен ги-поаллергенный материал с регулируемым влагопогл ощени ем для закрытия раневых поверхностей различного происхождения. Кроме этого, могут быть созданы многослойные покрытия, способные удерживать и контролируемо выделять лекарственные вещества. На основе сополимеров хитозана с АА разработан новый высокоэффективный катионоактивный флокулянт для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности.
На защиту выносятся положения, сформулированные в выводах.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивались их воспроизводимостью и комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием современных методов экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 23-25 июня 2003 г.), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 21-26 сентября 2003 г.), II Международной конференции «Кол-лоид-2003» (Минск, 20-24 октября 2003 г.), III Всероссийской Каргинской Конференции «Полимеры-2004» (Москва, 27 января-1 февраля 2004 г.), IX Нижегородской сессии молодых ученых («Голубая Ока», 25-30 апреля 2004 г.), 8-ой Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых "Биология -наука XXI века" (Пушино, 17-21 мая 2004 г.), Всероссийском научном симпозиуме по термохимии и калориметрии (Нижний Новгород, 1-3 июля 2004 г.), Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 31 января-2 февраля 2006 г.), 11-ой Международной конференции студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 24-25 мая 2005 г.).
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах работы - от постановки задачи, планирования и выполнения экспериментов до обсуждения и оформления полученных результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано в соавторстве 4 статьи и 10 тезисов докладов конференций различного уровня - от всероссийских до международных. Одна статья направлена в печать: Мочалова А.Е. Термодинамические свойства гидрогелей на основе хитозана в области от Т—+0 до 350 К / А.Е. Мочалова, Л.В. Никищенкова, Н.Н. Смирнова, Л.А. Смирнова // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2007. - Т. 49 (в печати).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка цитируемой литературы из 171 наименования и 2 приложений, изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 22 таблицы, 45 рисунков.
Полимераналогичные превращения хитозана
Помшераналогичиые превращения - химические реакции боковых групп или атомов основной цепи с низкомолекулярными соединениями, протекающие без разрыва химических связей между звеньями макромолекулы и не приводящие к изменению строения ее скелета. Наличие в хитозане двух гидроксильных и первичной аминной групп расширяет возможности его модификации. По данным группам может быть осуществлено получение простых и сложных эфиров, а также, в отличие от хитина, и N-производных различного типа [30]. Для получения избирательно замещенных О-производные хитозана необходима либо защита аминогрупп во время реакции, либо подбор реагентов и условий реакции, либо проведение реакций на хитине с последующим деацетилиро-ванием амидной группы. N-замещение часто не требует защиты гидроксильных групп и достигается по реакциям, характерным для первичных аминов. Сложные эфиры хатозаиа. Синтез сульфопроизводных хитозана, впервые осуществленный в 1956 году, до сих пор остается в центре внимания исследователей благодаря выявленным аптикоагуляционным свойствам этого производного [31]. В литературе описан ряд способов получения сульфатов хитозана с использованием сульфатирующих реагентов (H2SO4, SO3, хлорсульфо-новая кислота) в среде органических растворителей (изопропиловый спирт, ди-м етил сульфоксид, пиридин) [1-3]. Фракционный состав сульфатированного хитозана, зависящий от способа его получения, был изучен в работе [32]. Авторами было установлено, что при использовании полимера с ММ ЗхЮ4 активность N,0 - замещенного продукта составляет 90% от активности гепарина (природного антикоагулянта крови), в то время как, у N - замещенного производного наблюдается отсутствие антикоагуляционного эффекта. Параллельно с созданием аналога гепарина совершенствовалась технология синтеза, выделения и очистки сульфата хитозана. Перевод сульфатированного продукта в соль бария или кальция существенно упрощает процесс [33]. Очищенный продукт по анти-коагуляционной активности не отличается от натриевой соли сульфохитозана. Исследована возможность получения нерастворимых производных хитозана и сульфата хитозана взаимодействием этих соединений с глутаровым альдегидом, глицидиловым эфиром олигоэтиленоксида и олигоэтиленоксидэпокси-сульфонатом. Получены модифицированные нерастворимые производные хитозана и сульфата хитозана, содержащие различные функциональные группы: амино-, сульфо-, сульфато-, гидроксильные и олигоэтиленоксидные цепи.
Они могут быть использованы для сорбции биологически активных веществ в качестве сорбентов с анионообменными свойствами. На основании изучения кинетических и термодинамических характеристик реакции сульфатирования хитозана показано, что наиболее эффективным способом активации хитозана является размол хитозана в экструдере в среде ДМФА [33]. Фосфорсодержащие производные хитозана. Введение фосфора в полисахариды производят с целью придания им огнестойкости. Для этого используются различные фосфорсодержащие реагенты - фосфонитрилхлорид, гекса-, окта- или линейные олигомерные хлорфосфазены в среде органических растворителей (тетрахлорэтан, толуол, пиридин), содержание фосфора в продукте не превышало 8% [2]. Водорастворимые фосорсодержащие производные хитозана были получены конденсацией хитозана с формальдегидом и фосфористой кислотой (или диэтилгидрофосфитом) [34,35]. Ацнльные производные хитозана. Неизбирательное ацилирование хитозана может быть осуществлено в его растворах с помощью ангидридов кислот с длинной цепи C2-i8 [36-42]. Полностью N,0 - ацилированные хитозаны со степенью замещения, равной 4 (замещение гидроксильных групп и двух водородов у аминогруппы), были получены при действии хл оран гидридов соответствующих кислот в пиридине. Ацилирование хитозана проходит успешно и в условиях межфазной конденсации в системе кислый водный раствор хитозана - раствор хлорангидрида в органическом растворителе в присутствии КОН. Меняя соотношение реагирующих веществ, можно в широких пределах изменять степень замещения хитозана (таблица 1). Используя в качестве растворителей соли хитозана и трифторуксусной кислоты ДМАА или смесь ацетон-вода, возможно проведение реакции ацилирования одновременно по группам ЫНг и ОН в присутствии третичных аминов, причем более эффективно реакция протекает в присутствии пиридина [36-42].
Сравнительно недавно разработан метод твердофазной модификации хитозана высшими карбоновими кислотами в двушнековом экструдере при 25-100 С [43], с продолжительностью процесса 3-5 мин. Исследование структуры полученных производных показало, что присоединение одноосновных кислот происходит как с образованием ковалентной амидной связи между кислотой и аминогруппой хитозана, так и с образованием ионной связи. Присоединение дикарбоновых кислот также проходит по смешанному механизму с частичным образованием мостичных связей между макромолекулами хитозана. В аналогичных условиях была проведена реакция хитозана с ангидридами фталевой, янтарной и малеиновой кислот. Реакционная способность ангидридов в указанных условиях убывает в ряду малеиновый янтарный фталевый, во всех случаях идет образование как амидной, так и солевой связей. Простые эфиры хитозана. Из известных способов получения избирательно N- или О-замещенных хитозанов наиболее интересным представляется карбоксиметилирование. Получение N- карбокиметилхитозана осуществляется по двухстадийной схеме, где на первой стадии при обработке хитозана глиок-салевой кислотой образуется N - карбоксиметилидснхитозан, последующее восстановление которого цианборгидридом натрия приводит к получению N-карбоксиметилхитозана [44]: Для получения избирательного О-карбоксиметилированного производного алкилирование ОН групп Na-солью монохлоруксусной кислоты проводят после предварительного блокирования аминогрупп хитозана салицилиденовы-ми группировками [45]. Исследование строения и фракционного состава неизбирательно замещенного карбоксиметилхитозана показало, что синтезированные образцы являются преимущественно О-замещенными: при суммарной СЗ = 0.6 - 1.1; замещение по аминогруппам составляет 0.15 - 0.40, соответственно [46]. Изучение вязкости их разбавленных растворов в зависимости от рН и ионной силы позволило выяснить влияние степени замещения на жесткость макромолекулы, было показано, что с увеличением СЗ гибкость макроцепи карбок-симетилхтозана увеличивается [47]. Авторами [48] разработано анестезирующее средство, представляющее собой химически связанный дикаин гидрохлорид с полимерным носителем глицидилатом N- карбоксиметилхитозана. Новое средство характеризуется повышенной анестезирующей эффективностью, высокой длительностью действия, низкой токсичностью. В работе [49] по реакции нуклеофильного присоединения (реакция Михаэля) получены производные хитозана с эфирами акриловой кислоты, растворимые в водных растворах с рН = 1-11, СЗ хитозана не превышала 0.55 при соотношении акриловый реагент/ЫН2-хитозан =2 моль, t=50 С:
Полимерные гидрогели хитозана с синтетическими и природными полимерами
В последнее время полимерные гидрогели (трехмерные сшитые системы на основе полимеров) нашли широкое применение в качестве поддерживающих и разделяющих средств для электрофореза, в гель-проникающей хроматографии, в качестве носителей иммобилизованных биологически активных соединений (БАС), материалов для изготовления эндопротезов и т.д. [112]. Причиной столь широкого и разнообразного применения гидрогелей является их уникальная пористая структура, обеспечивающая набухание гидрогелей в воде, высокую проницаемость для низко- и высокомолекулярных соединений, а также хорошую биосовместимость. Проблема создания биосовместимых гидрогелей, используемых для получения изделий, контактирующих с тканями живого организма, и изучение их свойств в настоящее время чрезвычайно актуальна. Обычно полимерные гидрогели получают полимеризацией водорастворимых ненасыщенных соединений в присутствии бифункционального сшивающего агента. Содержание воды в равновесно набухших гидрогелях составляет от 10 до 95 %. В таких композициях БАС не связано с гидрогелем химическими связями, и скорость его выделения определяется его природой и строением гидрогеля. Регулирование скорости выделения БАС достигается при синтезе гидрогеля путем варьирования природы водорастворимого мономера или соотношения между мономером и сшивающим агентом. Кроме того, существуют полимеры, способные изменять степень набухания при изменении параметров окружающей среды, что открывает более широкие возможности для регулирования скорости выделения БАС и создания на их основе систем с контролируемым выделением лекарственных веществ по механизму обратной связи [113]. Наиболее простая и универсальная модель такого устройства представляет собой жесткий контейнер с отверстиями, заполненный гидрогелем, набухшим в растворе БАС (рис. 5). При изменении внешних условий гидрогель либо уменьшает степень набухания, либо частично разрушается. В результате в контейнере появляется раствор лекарства, который достаточно легко диффундирует в окружающую среду.
Очевидно, что главная задача заключается в синтезе подходящего для каждого конкретного случая гидрогеля, в котором при небольших изменениях параметров внешней среды должен происходить фазовый переход первого рода, сопровождающийся значительным изменением объема. На сегодняшний день есть примеры реализации таких систем, однако проблема в целом остается актуальной. Так, гидрогели на основе N-замещенных производных полиакриламида являются термореактивными. Помещенный в устройство такой гидрогель при температуре ниже нижней критической температуры смешения практически не выделяет ЛВ. При повышении температуры выше критической гель коллапси-рует, и скорость выделения лекарства увеличивается. Снижение температуры приводит к тому, что скорость его выделения падает до нуля. Таким образом, это устройство может действовать многократно вплоть до полного использования первоначально введенного в него препарата [113]. Аналогично действуют и рН-чувствительные гидрогели, которые обычно синтезируют полимеризацией мономеров с функциональными группами кислотного и основного характера в присутствии сшивающего агента [114]. С точки зрения практического применения рН-чувствительные гидрогели могут использоваться для лечения ран, а также патологий, сопровождающихся изменением рН. Разработаны рецептуры гидрофильных гелей, получаемых взаимодействием производных хитозана с 5-40%-ными водными или спиртовыми растворами поли(Ы- виниллактама), включающих гомополимер или сополимер поли-винилпирролидона, при соотношении хитозан / полимер 1:1-1:12 [115]. Препараты наносили на коллагеновую или полимерную пленку, тканную или нетканую подложку. В состав гелей вводили различные поверхностно-активные средства, лекарственные субстанции, например, нитроглицерин, скополамин, пилокарпин, эрготамин, теофиллин, тетрациклин, неомицин, триклозан, сали-цилаты, капсаицин, бензокаин. Препарат можно использовать в перевязочном материале, сухих пленках для ранозаживления, лечении ожогов, в косметических масках. Гидрогели на основе смесей ПВС с хитозаном с весовым содержанием хитозана в смеси 0%, 15% и 40% исследовали на противобактериальное и противогрибковое действие [116]. Гидрогели не проявляют противобактери-альную активность по отношению к Staphylococcus aureus, однако оказывают противогрибковое действие на Fusarium moniliforme. В ряде случаев необходимо создание гидрогелей с повышенной прочностью. На основе декстран сульфата [117], полиакриловой кислоты [118] и хитозана созданы гели с высокой рН-чувствительностыо, содержанием связанной воды и физико-механическими свойствами. Оптимальные механические свойства имеют гели при отношением содержания NH2/COOH=25/75. В этом случае содержание воды в гидрогеле минимально. Показана биодеструкция этих гидрогелей с помощью некоторых ферментов и почвенными нитевидными грибками [119]. Таким образом, наличие реакционноспособных функциональных групп в макромолекуле хитозана и его растворимость в водных растворах кислот обеспечивает возможность разнообразных химических модификаций по реакциям полимераналогичных превращений, путем привитой и блок-полимеризации мономеров винилового типа.
Создание смесевых композиций на основе хитозана с синтетическими полимерами позволяет усиливать присущие ему свойства или придавать новые в соответствии с предъявляемыми требованиями. Биологическая активность хитозана в сочетании с антимикробным действием делает актуальным разработку на его основе пленочных материалов, гелей и губок медицинского назначения. Природная возобновляемость источников сырья, биодеградируемость, экологическая безопасность хитозана и его производных открывают возможность их использования для эффективной очистки сточных вод промышленных предприятий различных отраслей. Хитозан растворяли в разбавленных растворах уксусной кислоты. Использовали уксусную кислоту марки «ХЧ» ГОСТ 61-75 (99.5%). ММ = 60 г/моль, Т кип. = 289.6 К, плотность - 1.049 г/см . ДМАЭМ был предоставлен ОАО «Оргстекло», содержание основного вещества 98.4%. ВП перегоняли под вакуумом, отбирали фракцию с т. кип. 354.1-354.8 К при давлении 666.5 Па. АА перекристаллизовывали из бензола, содержание основного вещества 99.5%, т. пл. 358.1 К [120]. В качестве инициаторов радикальной полимеризации использовали ПСА марки «ХЧ» (ГОСТ 20478-75) и ДАК, перекристаллизованный из этанола. ПВП получали радикальной полимеризацией в растворе изопропилового спирта (объемное соотношение мономер/ИПС = 1/2) с инициатором ДАК (c=5 10" моль/л, 333 К), Продукт высаживали диэтиловым эфиром или гексаном и сушили в вакуумном шкафу до постоянной массы. ММ=(4.8-7.0) х104. ПАА получали радикальной полимеризацией АА в воде с использованием в качестве инициатора ПСА (7,3 Ю 3 моль/л) при 333 К. Полимер высаживали ацетоном и сушили в вакуумном шкафу до постоянной массы. ММ= 1x106. Блок-сополимер хитозана и ДМАЭМ получали методом радикальной полимеризации мономера на активных центрах, образующихся при ультразвуковой деструкции цепей полисахарида. Эксперимент проводили, используя ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т (частота излучателя 22 kHz, сила тока 40 иА). Глубину превращения со временем контролировали гравиметрическим методом, отбирая через каждые 5 минут навеску пробы. Высаживали продукт со-полимеризации ацетоном. Динамическую вязкость (т) растворов исходного хитозана и его сополимеров определяли на вискозиметре Гепплера типа ВН-2. Принцип работы вискозиметра сводится к определению скорости падения шарика в цилиндрической трубке, наполненной испытуемой жидкостью и наклоненной на 10 по отношению к вертикали. Величину динамической вязкости рассчитывали по формуле: где К- постоянная, соответствующая данному прибору и шарику, мПас; і - время, сек; d\ nd2- плотности шарика и жидкости, соответственно, г/см3. Привитую полимеризацию ВП на хитозан проводили в 1.5-2%-ном водном растворе CHjCOOH, содержащем 2% хитозана, с использованием в качестве инициатора ПСА или ДАК при 333 К. Глубину превращения ВП контролировали весовым и хроматографическим методами, отбирая пробы по ходу процесса,. Образовавшийся продукт, высаживали ацетоном и сушили до постоянной массы в вакуумном шкафу при 313 К.
Определение молекулярной массы гомополимеров и сополимеров
ММ хитозана, ПВП и ПАА определяли вискозиметрическим методом на капиллярном вискозиметре Уббелоде. Расчет проводили по формуле [т)]= Л/ , где для хитозана при 21С в смеси 0.33 N СН3СООН и 0.3 N NaCl А=3.41х10"\ а=1.02 [126]; для ПВП при 24С в воде yt=1.4 10"4, а=0.7; для ПАА при 25С в воде Л:=6.8х10-\а=0.66 [127]. Для отделения привитых цепей ПАА проводили гидролиз хитозановой части сополимеров по методике, описанной в работе [128]. Определение молекулярной массы и гидродинамических характеристик сополимеров ХТЗ ЛЛ диффузионным методом. Измерение коэффициента диффузии проводили с помощью диффузомет-ра Цветкова, в котором используется интерферометрическая схема Лебедева. Коэффициент диффузии вычисляли методом максимальной ординаты и нулевого момента (площади) кривой. По экспериментальным значениям максимальной ординаты дт и площади под интерференционной кривой Q определяли значение интеграла вероятности 1/уи дисперсии диффузионной границы о2. Ко-эффициснт диффузии D=(1/2)(ACT /At) вычисляли по наклону эксперименталь-ных зависимостей о от времени t. Значения инкремента показателя преломления Дп/Дс, рассчитывали по площади, ограниченной диффузионной кривой. Характеристики оптической схемы: коэффициент увеличения Куи= 1.070, величина двоения шпатов а=0.094 см, расстояние между интерференционными полосами (постоянная оптического клина) В = 0.149 см. Использовали стеклянную кювету с длиной по ходу луча / = 3 см. Интерференционные картины фиксировали через определенные промежутки времени на фотопленке Микрат-200, Измерения проводили в смешанном растворителе; 0.33М СН3СООН+О.ЗМ NaCl со следующими характеристиками при 25С: плотность ро=1.015 г/см3, вязкость т[о=0.95 сП. Характеристические вязкости [г] образцов были определены по стандартным методикам с использованием вискозиметра Оствальда [129]. Молекулярные массы образцов рассчитаны по значениям коэффициентов поступательной диффузии и характеристической вязкости с использованием концепции гидродинамического инварианта Ао по формуле: MDn-A03/[D]3[n] (8) где характеристический коэффициент диффузии [D] = Don0/T, а в качестве значения гидродинамического инварианта было использовано значение Ао А0-3.40х10Ч0эргхград"1хМоль"ш.
Гидродинамический радиус RH рассчитывали по формуле Стокса: RH=kT/6j!noDo (9) Среднюю плотность макромолекулярного клубка в растворе оценивали по формуле рер= MD/NAV, где V - объем эквивалентной гидродинамической сферы. Измерения выполняли в научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета д.ф.-м.н. Павлов Г.М. и к.ф.-м.н. Зайцева И.И. Личный вклад автора: синтез сополимеров и активное участие в обсуждении результатов. 2.3. Изготовление пленок на основе привитых сополимеров и смесей гомонолимеров, определение их физико-механических свойств. Пленки на основе привитых сополимеров ХТЗ и ВП (АА) и смесей гомо-полимеров ПВП (ПАА) и ХТЗ готовили методом полива на лавсановую и стеклянную подложку [130]. Механическую прочность пленок (в виде полос длиной 5 см и шириной 1 см) определяли на разрывной машине РМИ-5 при скорости растяжения 60 мм/мин. Толщину пленок измеряли микрометром. Разрывную прочность (а) и относительное удлинение () полученных полимерных пленок рассчитывали по формулам : CF - разрывная прочность, Н/м ; Р - приложенная нагрузка, Н; S -площадь поперечного сечения пленки, м2. Є - относительное удлинение, %; 10 - исходная длина образца, см; // - длина образца, предшествующая разрыву, см. Структуру пленок хитозана, ПВП (ПАА) смесей и привитых сополимеров исследовали методами ИК-спектроскопии (спектрофотометр "Perkin-Elmer"), рентгенографического анализа (дифрактометр ДРОН-4, CuAot - излучение с монохроматором из пиролитического графита на отраженном пучке) и атомносиловой микроскопии ("Solver-P4 \ Зеленоград). Измерения выполняли в институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород). Влаго- (d) и водопоглощеиие (а) сополимеров хитозана изучали по изменению массы их пленок, находящихся в парах воды или в воде при 298 К соответственно. Процент набухания рассчитывали по формуле: где т0 и т - масса исходной пленки и пленки в набухшем состоянии. Газопроницаемость пленок исследовали хроматографическим методом в лаборатории газовой хроматографии НИИХимии ННГУ им. Н.И. Лобачевского используя специально сконструированную ячейку для подачи газа через мембрану из пленки полимера и сополимера. Скорость подачи газовой смеси 30 мл/мин. Сравнивали интенсивность пиков отвечающих отдельным компонентам при прохождении смеси через ячейку с мембраной и без нее. 2.4. Приготовление гидрогелей и изучение их свойств. Полимерные гидрогели получали сополимеризацией АА в уксуснокислых растворах хитозана ( при соотношении [АА]/[звено глюкозамина] = 3, где [АА] и [звено глюкозамина] в моль/л) в присутствии сшивающего агента N,N-метилен-бис-акриламида (2.6x10 моль/л) с использованием в качестве инициатора полимеризации персульфата аммония при 323 К в течение 3 ч и прогреве при 333 К в течение 1 ч (гидрогель ХТЗ -ПАА (Г I)). Гидрогели на основе хитозана и ПВП получали нагреванием водного раствора (рН 4.5) смеси этих полимеров ([ВП]/[звено глюкозамина]=0,45) в присутствии сшивающего агента-глутарового альдегида (7.5х10 3моль/л) при 313 К в течение 6 ч. (гидрогель ХТЗ -ПВП (Г II)). Образец гидрогеля ХТЗ-ПВП содержал 95 мас.% Н20, 0.69 мас,% ПВП, 2,3 мас.% ХТЗ, 2.2 мас.% янтарной кислоты (ЯК) и 0.075 мас.% глутарового альдегида (ГА). Образец гидрогеля ХТЗ-ПАА содержал 91.81 мас.% Н20, 3.83 мас.% АА, 1.44 мас.% уксусной кислоты, 2.88 мас.% ХТЗ и 0.038 мас.% N,N -метилен-бис-акриламида, В расчете на условный моль в образце гидрогеля ХТЗ-ПВП содержится 99.26 мол.% воды, 0.26 мол.% звеньев глюкозамина, 0.12 мол.% звеньев ПВП, 0.36 мол.% янтарной кислоты и 0,014 мол.% глутарового альдегида; в образце гидрогеля ХТЗ-АА - 98.17 мол.% воды, 0.46 мол.% уксусной кислоты, 0.33 мол.% звеньев глюкозамина, 1.037 мол.% звеньев ПАА и 0,0048 мол.% N,N - метилен-бис-акриламида. Образцы представляли собой прозрачные, каучукоподобные, упругие материалы. Массу «условного моля» гидрогелей вычисляли способом, описанным в работе [131]. Вязкоупругие свойства гидрогелей в зависимости от концентрации сшивающего агента изучали методом тангенциального смещения пластинки на аналитических весах [132]. Набухание характеризовали степенью набухания (а), которую определили как количество поглощенной полимером жидкости, отнесенное к единице массы полимера:
Выделение и идентификация привитых и блок-сополимеров
Образование привитых и блок-сополимеров доказано методами экстракции, турбидиметрического титрования и ИК-спектроскопии. Выделенный после полимеризации продукт, гипотетически мог представлять собой привитой (блок-) сополимер полисахарида и АА (ВП, ДМАЭМ), либо смесь гомополимеров хитозана и ПАА (ПВП, ПДМАЭМ), или ПАА (ПВП, ПДМАЭМ) и привитой (блок-) сополимер. Содержание гомополимера ПАА (ПВП, ПДМАЭМ) в продукте реакции определяли по разности массы навески полимера до и после экстракции его на аппарате Сокслета. В предварительных экспериментах было установлено время, необходимое для полного разделения гомополимеров ПАА (ПВП, ПДМАЭМ) и хитозана из механической смеси, которое составило 36-40 ч. По полученным данным были рассчитаны степень и эффективность прививки (формулы 6,7, глава II) (табл. 5,6). При увеличении отношения [ВП]:[ХТЗ] степень прививки ВП на хитозан, как и в случае с АА, возрастает от 15 до 135%, эффективность прививки - от 55 до 98% (табл. 6). При доказательстве образования привитых и блок-сополимеров методом турбидиметрического титрования сравнивали зависимость оптической плотности от объема добавленного осадителя для специально приготовленного раствора смеси гомополимеров и раствора продукта синтеза. В первом случае наблюдаются две ступени, отвечающие раздельному осаждению хитозана и ПАА (ПВП, ПДМАЭМ), в то время как во втором случае фиксировали один переход, что говорит об образовании привитого сополимера АА (ВП, ДМАЭМ) и хитозана (рис. 17,18). В ИК-спектрах продуктов полимеризации, отмытых от гомополимеров на аппарате Сокслета, присутствуют полосы, соответствующие колебаниям функциональных групп хитозана. В спектре привитого сополимера ХТЗ-АА (рис. 19) полоса при 1636 см"1 (амид 1 хитозана) смещается в область 1667 см"1; кроме того, имеет место смещение полос в области 1229-915 см"1. В сополимере появляется полоса поглощения v=1955 см", характерная для валентных колебаний карбонильной группы амида (1921 см"1). В ИК-спектре привитого сополимера ХТЗ-ВП появляется полоса поглощения карбонильной группы ПВП в области 1670 см"1. Методами поступательной диффузии и вискозиметрии были исследованы конформационные свойства макромолекул хитозана и его привитых сополимеров с АА в смешанном растворителе 0.33 М СНзСООН + 0.3 М NaCl, В работах Павлова было показано, что в растворах с большой ионной силой гидродинамическое поведение молекул хитозана может быть адекватно описано с помо- щью модели частично протекаемой червеобразной цепи и сходно с поведением других полисахаридов в органических растворителях. При этом молекулы хитозана характеризуются равновесной жесткостью цепи А (220±30) А, типичной для умеренно жесткоцеппых полимеров.
Расчетные данные по гидродинамическим и молекулярным характеристикам хитозана и его сополимеров с ак-риламидом представлены в табл.7. Видно, что ММ сополимеров в несколько раз превосходят ММ исходного хитозана. Вместе с тем, значения характеристической вязкости сополимеров существенно меньше, чем для хитозана. Это связано с большей внутриклубковой плотностью сополимерных макромолекул, что подтверждают проведенные нами оценки (табл. 7). Для отделения привитых цепей ПАА проводили полный гидролиз хитозановой части сополимеров. В результате гидролиза (в таблице 7 это иллюстрируется для образца № 4) было обнаружено, что привитые цепи ПАА имеют средневязкостную ММ 9.0x10 , т.е. в среднем на макромолекулу хитозана прививается не менее 4-5 цепей ПАА. Средний гидродинамический радиус каждой из них превышает таковой для хитозана в 1.5 раза, т.е. клубки привитых цепей существенно перекрываются между собой и хитозаном. Результатом является отмеченное выше увеличение внутриклубковой плотности макромолекул привитого сополимера по сравнению с исходным хитозаном, а также зависимость гидродинамического радиуса от молекулярной массы, близкая к линейной (рис. 20). Для монодисперсных двухкомпонентньтх систем (полимер-растворитель) площади под интерференционными кривыми прямо пропорциональны концентрации полимера. В данном случае растворитель является многокомпонентной системой, а кроме того полимер может быть полидисперсным. Однако существенное изменение площади наблюдалось только в первые 1.5-2 часа, что, по-видимому, связано с выравниванием концентрации солей в растворе и растворителе (рис. 21).
Существенного изменения площади в дальнейшем процессе диффузии, связанном с выравниванием концентрации полимера, не наблюдалось. Качественно это свидетельствует о достаточной монодисперсности образцов. Молекулярные массы сополимеров в несколько раз превосходят молекулярную массу исходного хитозана, при этом впутриклубковая плотность звеньев макромолекул возрастает - в 1,5 раза. Многочисленные литературные данные свидетельствуют о перспективности использования хитозана и его производных в виде пленочных и волокнистых изделий, лечебных и защитных покрытий, а также в виде разделительных мембран в медицине, биотехнологии, фармацевтике, пищевой промышленности. Наряду с отсутствием токсичности, био- и гемосовместимостью, биоразрушаемостью, очень важную роль играет пористая структура этих изделий. Использование для получения указанных изделий модифицированного привитой полимеризацией виниловых мономеров хитозана и смесей хитозана с другими полимерами, в том числе по-лиэлектролитных комплексов на основе хитозана, позволяет находить рациональные решения при оптимизации их свойств. Высокие сорбционные свойства таких изделий позволяют рекомендовать их для использования как гигиенических средств [2]. Целью данной части работы явилось изучение физико-механических свойств пленок на основе хитозана и его производных, которые планируется использовать в медицине при изготовлении покрытий для закрытия ран различной этимологии (ожоги, порезы и царапины, язвы). Результаты исследования разрывной прочности и величины предельной деформации пленок на основе привитых сополимеров, гомополимеров ХТЗ и ПАА, а также механических смесей последних представлены в табл. 8. Разрывная прочность пленок возрастает с увеличением содержания АА в сополимере. Следует отметить, что пленки на основе смеси хитозана с ПАА имеют низкий уровень свойств, что связано с образованием полиэлектролитного комплекса. Так при v[FIAA]:v[XT3] 3 система расслаивалась с выделением осадка белого цвета. Однако, использование сополимеров ХТЗ-АА вместо ПАА, позволяет получить высококачественные пленки на основе смесевых композиций ХТЗ-АА - хитозан, ХТЗ-АА - полиакрила-мид с удовлетворительными физико-механическими показателями, т.к. привитые цепи создают стерические препятствия, снижающие вероятность образования ПЭК. Изменяя соотношение компонентов в смесях, можно в широких пределах варьировать свойства пленок и их пористость. Смесевые композиции на основе хитозана с ПВП и привитые сополимеры также имеют улучшенные физико-механические показатели по сравнению с пленками из чистого хитозана (табл. 9). Зависимость прочности пленок от соотношения компонентов в сополимерах хитозан - ВП имеет экстремальный характер, причем наибольшая прочность наблюдается при содержании ВП 20 мол.%. Величина разрушающего напряжения возрастает в 3 раза для смесей гомополимеров по сравнению с немодифицированным хитозаном и лишь незначительно для привитых сополимеров. Относительное удлинение при разрыве увеличивается до 15% для смесей гомополимеров и существенно больше (до 70%) для привитых сополимеров против 8-10% для хитозана.
