Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальность работы обусловлена важностью разработки новых экономически эффективных и экологически чистых методов получения материалов на основе биополимеров, в частности, полисахарида хитозана, обладающего широким комплексом ценных свойств.
Полисахариды ограниченно растворимы или не растворимы в воде и в большинстве органических растворителей. Поэтому методы получения их производных сопряжены с рядом трудностей, в частности, с необходимостью предварительной активации реакционных систем, сложностью поиска совместного растворителя и высокой вязкостью растворов, так как молекулярная масса исходных полимеров достигает миллиона и больше. В связи с высокой энергией когезии температура плавления полисахаридов выше температуры их разложения, и при создании полимерных композитов традиционными расплавными методами реакционной экструзии они могут служить лишь наполнителями. Химическое взаимодействие в этом случае незначительно и не играет существенной роли в свойствах получаемых материалов. При этом возможность создания на основе полисахаридов новых полимерных материалов с ценными прикладными свойствами обусловливает интерес к ним в этой области, как и необходимость рационального использования биовозобновляемого сырья. Неудивительно, что именно процессы модифицирования целлюлозы и хитина - наиболее распространенных и обладающих огромным потребительским потенциалом полисахаридов, стали началом интенсивных исследований в области твердофазных превращений полимеров, проводившихся под руководством академика Н.С. Ениколопова и продолжающихся в настоящее время.
Преимущества твердофазного метода синтеза для химического модифицирования полисахаридов очевидны. Отсутствие растворителей и разбавителей для реакционных систем предполагает возможность разработки экологически чистых безрастворных технологий. Механическая активация реагентов позволяет избежать необходимости их расплавления и отказаться от использования катализаторов и инициаторов процессов, что также повышает экологическую чистоту метода и является важным фактором при создании безопасных материалов биомедицинского назначения, для разработки которых хитин и продукт его дезацетилирования - хитозан - представляют наибольший интерес.
Хитозан - единственный катионный полисахарид, имеющий практически в каждом элементарном звене первичную аминогруппу, что определяет его биологическую активность, а также делает его наиболее интересным объектом в ряду полисахаридов для проведения химического модифицирования. Благодаря способности к образованию пленок и волокон, уникальным сорбционным и комплексообразующим свойствам хитозан и его производные перспективны для создания ионообменных мембран, используемых при ультрафильтрации и
диализе, в качестве специальных сорбентов и флокулянтов, имплантатов и носителей лекарственных веществ в виде гелей, нано- и микрочастиц, волокон, губок и других матричных форм. При использовании в биотехнологиях с применением иммобилизованных ферментов и чувствительных к кислотности среды терапевтических агентов желательна улучшенная растворимость полимерной матрицы в физиологически приемлемых условиях. Наиболее эффективным способом придать хитозану растворимость как в водной, так и в органической средах, позволяющим при этом сохранить его биохимические свойства, является прививка на цепь-основу полисахарида синтетических полимеров с различной гидрофильностью.
В настоящее время интерес к исследованиям процессов, происходящих при механохимическом воздействии на полисахариды, значительно возрастает. Однако чаще всего их рассматривают только как компоненты композиционных материалов, обеспечивающие способность к биодеградации, или как матрицы для активации биологически активных веществ в условиях механического воздействия. По сравнению с твердофазными реакциями неорганических веществ и низкомолекулярных органических соединений механизмы твердофазных превращений полисахаридов еще мало изучены. Прививка на полисахариды фрагментов синтетических полимеров в условиях механохимического воздействия не проводилась вообще. В то же время, твердофазный синтез таких систем представляется наиболее приемлемым методом для решения проблемы термодинамической несовместимости природных и синтетических полимеров. Систематическое изучение таких процессов является актуальной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для нахождения и развития новых возможностей создания биосовместимых полимерных материалов с помощью эффективных и экологически чистых методов.
Цель работы заключалась в разработке твердофазных способов синтеза производных и сополимеров полисахарида хитозана под воздействием давления и сдвиговых напряжений, получении новых полимерных материалов на их основе, установлении закономерностей и механизмов твердофазных процессов и влияния условий проведения этих процессов на структуру и свойства полученных материалов. Основные задачи работы:
подбор условий твердофазного модифицирования хитозана органическими мономерами и полимерами и получение соответствующих производных и привитых сополимеров;
исследование структуры и свойств новых полимерных материалов и установление влияния на них условий проведения твердофазных процессов;
разработка способов формирования матричных форм на основе новых материалов и оценка перспектив их применения.
Научная новизна работы связана с разработкой методологии твердофазного синтеза производных и привитых сополимеров хитозана, которая носит общий характер и применима ко всем реагентам, способным взаимодействовать с функциональными группами полисахаридов. Впервые разработаны оригинальные твердофазные методы синтеза привитых сополимеров хитозана и синтетических полимеров: поливинилового спирта, полиакриламида, полимеров и сополимеров лактида, полиэтилена. Впервые изучены твердофазные реакции привитой полимеризации мономеров различного типа на хитозан и установлен их механизм. Выявлены закономерности реакций полимераналогичных превращений хитина и хитозана в твердых реакционных системах и предложены механизмы взаимодействий, приводящих к образованию производных и привитых сополимеров хитозана. Исследованы физико-механические и сорбционные свойства сополимеров, их способность к растворению и набуханию в разных средах, к образованию пленок и волокон, к стабилизации нанодисперсных неорганических частиц и биологически активных субстанций, биосовместимость и способность к биодеградации. Проведенные исследования важны для понимания механизмов и закономерностей твердофазных химических процессов модифицирования полисахаридов и восполняют существующие представления о реакционной способности твердых органических веществ под влиянием механической активации.
Практическая значимость работы. В результате разработки и оптимизации оригинальных твердофазных методов синтеза получены новые производные и привитые сополимеры хитозана с синтетическими полимерами и олигомерами, синтез которых осложнен или невозможен с помощью жидкофазных растворных и расплавных технологий. Показана высокая эффективность твердофазной прививки на хитозан синтетических полимеров и мономеров: высокие степени превращения и селективность процессов при значительном сокращении их продолжительности и расхода реагентов. Разработка процессов модифицирования на опытно-промышленном экструдере предполагает быстрый переход к масштабированию процессов и созданию безрастворных технологий получения полимерных материалов на основе биополимеров. Проведенное химическое модифицирование структуры и физико-химических свойств хитозана позволяет применять не традиционные для полисахаридов технологии переработки и получать ряд полимерных матричных форм (пленки, микрогранулы, нано- и микроволокона, др.), что будет способствовать существенному расширению возможностей и областей его использования. Установлено, что при модифицировании сохраняются ценные биохимические свойства хитозана, позволяющие улучшать биосовместимость материалов и придавать им способность к контролируемой биодеградации.
Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах работы, включающих выбор направления исследований, постановку конкретных задач, планирование и
проведение ключевых исследований, обобщение и литературное оформление экспериментальных данных, полученных как непосредственно автором, так и в соавторстве при выполнении работ в рамках проектов РФФИ, программ фундаментальных исследований РАН, федеральных целевых программ и договоров на проведение НИР, в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем. Автор выражает глубокую признательность своим коллегам, специалистам в области физики и химии полимеров и полимерных материалов биомедицинского назначения, в соавторстве с которыми были получены и обсуждены результаты работы.
Апробация работы. Результаты работы были неоднократно доложены и обсуждены на российских и международных конференциях, в том числе на 4-ой Всероссийской конференции "Производство и применение хитина и хитозана" (Москва, 1995); 5-ой конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 1999); 6-ой Международной конференции «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана» (Москва-Щелково, 2001); 7, 8, 10 и 11-ой Международных конференциях «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» РосХит-2003, РосХит-2006, РосХит-2010, РосХит-2012 (Санкт-Петербург, 2003; Казань, 2006; Нижний Новгород, 2010; Мурманск, 2012); 10-ой Международной конференции Европейского хитинового общества EUCHIS'll (Санкт-Петербург, 2011); 2-ом Всероссийском Каргинском симпозиуме (с международным участием) «Химия и физика полимеров в начале XXI века» (Черноголовка, 2000); 3-ей, 4-ой и 5-ой Всероссийских Каргинских конференциях «Полимеры-2004», «Наука о полимерах 21-му веку», «Полимеры-2010» (Москва, 2004, 2007, 2010); Международной конференции по механохимическому синтезу и спеканию (Новосибирск, 2004); 13-ом Европейском симпозиуме по углеводам (Братислава, Словакия, 2005); Европейском полимерном конгрессе EPF'05 (Москва, 2005); 7-ой Международной научно-практической конференции "Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов" (Щелково, 2005); 5, 6, 7-ой Международных конференциях по механохимии и механическому сплавлению INCOME-2006, INCOME-2011 (Новосибирск, 2006; Герцег Нови, Черногория, 2011); 12-ом ISTC/Korea симпозиуме по промышленному применению новых российских тонких химических технологий (Ульсан, Корея, 2006); Международном симпозиуме по реакционной экструзии (Лион, Франция, 2007); XV Ениколоповских чтениях (Москва, 2007); 3-ей Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); Международной конференции по современным проблемам получения и переработки полимеров и создания новых полимерных материалов «Polymerfest» (Палермо, Италия, 2009); 18-ой и 20-ой Международных конференциях по биоинкапсулирования (Порто, Португалия, 2010; Онтарио, Канада, 2012); 3-ем Российско-Греческом симпозиуме «Биоматериалы и бионаноматериалы:
достижения и вопросы токсикологической безопасности» (Гераклион, Греция, 2012); 3-ей и 4-ой Международных конференциях по фундаментальным основам механохимических технологий FBMT-2009, FBMT-2013 (Новосибирск, 2009, 2013).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 30 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 2-х главах в коллективных монографиях, 3-х патентах РФ на изобретения, а также в тезисах более 50 докладов на российских и международных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения; аналитического обзора механизмов механохимических превращений, методов проведения механохимических процессов и особенностей протекания органических реакций при деформировании органических веществ под давлением; трех глав с изложением и обсуждением результатов, каждая из которых содержит анализ литературных данных и оценку перспектив применения новых полимерных материалов; методической части; выводов и списка цитируемой литературы из 300 наименований. Работа изложена на 310 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 29 таблиц и 9 схем.
