Введение к работе
Актуальность темы. Техногенные нагрузки на окружающую среду, возникающие в результате работы различных отраслей промышленности, приводят к существенному росту факторов риска для здоровья человека. Создание новых типов полимерных материалов, предназначенных для решения задач реабилитации человека и окружающей среды, является актуальным направлением химии и технологии высокомолекулярных соединений.
В последние десятилетия интенсивно развиваются исследования в области получения гидрогелей, на основе которых разрабатываются материалы различной физической формы. Ковалентное сшивание полимеров в их водных растворах бифункциональными реагентами приводит к формированию непрерывной сетки геля, обладающей прочностью и в то же время обеспечивающей свободную диффузию воды. Уникальные свойства гидрогелей позволяют разрабатывать на их основе новые сорбционные материалы, материалы биотехнологического (культивирование клеток) и биомедицинского (тканевая инженерия) назначения.
Гидрогели, полученные при положительных температурах, при удалении растворителя вследствие релаксации пористой структуры и контракции пор теряют способность удерживать воду. Добиться стабилизации пористой структуры можно путем проведения процесса гелеобразования в криоусловиях, когда замороженный растворитель, выполняющий роль порогена, после оттаивания системы придает гидрогелю макропористую структуру с системой сообщающихся пор.
Перспективным полимером для получения гидрогелей является биосовместимый, биоразлагамый природный полисахарид хитозан. Хитозан содержит доступные для модификации реакционноспособные аминогруппы, позволяющие легко осуществлять сшивание и функционализацию полимера. Наиболее распространенным сшивающим реагентом хитозана, используемым для получения гидрогелей, является глутаровый альдегид. Возможное присутствие в составе продуктов его взаимодействия с хитозаном сопряженных с двойными связями карбонильных групп приводит к росту токсичности гидрогеля. В этой связи весьма актуальным является разработка методов получения высокопористых гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих снижение токсичности и стабилизацию пористой структуры.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями исследований кафедры аналитической, физической и коллоидной химии МГТУ им. А.Н. Косыгина, в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.) (проект № 2.1.1/2859), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (Госконтракт № 16.740.11.0059), гранта РФФИ 08-04-12065-офи и Гранта молодых ученых МГТУ им. А.Н.Косыгина (2009 г.).
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось получение гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих стабилизацию пористой структуры и снижение содержания сшивающего реагента, изучение особенностей структуры гелевых матриц, их гидродинамических и сорбционных свойств.
Для достижения поставленной цели были определены основные задачи:
изучить влияние состава реакционной смеси и условий криотропного гелеобразования на свойства криогелей хитозана, сшитого глутаро-вым альдегидом;
установить закономерности гелеобразования в растворах хитозана в присутствии диальдегидного производного нуклеозида;
разработать метод функционализации криогелей хитозана;
изучить эффективность использования криогелей хитозана для удаления из растворов радионуклидов и тяжелых металлов
Научная новизна.
Установлена взаимосвязь условий перехода раствор хитозана - гель в присутствии сшивающего реагента в области отрицательных температур, характера пористой структуры и свойств криогелей хитозана. Впервые показано, что, на широкопористую морфологию ковалентно-сшитых криогелей хитозана оказывают влияние эффекты переохлаждения реакционной массы во время ее замораживания.
Установлено, что особенности изменения гидродинамических свойств криогелей хитозана (уменьшение скорости протекания воды и снижение степени набухания гелевого каркаса) при повышении молекулярной массы хитозана связаны с влиянием разнонаправленных конкурирующих факторов: криокон-центрирования реагентов и нарастания вязкости системы, приводящей к снижению подвижности макромолекулярных цепей.
Установлено, что взаимодействие хитозана с диальдегидным производным уридина приводит к химическому сшиванию хитозана с образованием альди-минных связей и гелеобразованию в его растворах.
Впервые получено функционализованное производное хитозана путем его взаимодействия с пиридоксаль 5'-фосфатом.
Обнаружена высокая сорбционная способность функционализованных криогелей хитозана по отношению к ионам Sr , обусловленная как процессами комплексообразования с остатками пиридоксаль 5'-фосфатом, так и соосаж-дением гидролизованных форм нитрата стронция, инициированным образованием труднорастворимой соли стронция и пиридоксаль 5'-фосфата, привитого к хитозану.
Практическая значимость. Разработан метод получения высокопористых гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих снижение содержания сшивающего реагента и стабилизацию пористой структуры, которые могут быть использованы в качестве новых сорбционных материалов и материалов биотехнологического и биомедицинского назначения. Разработан новый метод функционализации криогелей хитозана пиридоксаль 5'-фосфатом. Показана эффективность применения функционализованных криогелей хитозана для удаления ионов металлов и дезактивации растворов с низким уровнем радиоактивности.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 17 печатных работах: 10 статей, в том числе, 3 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК, и 6 тезисов докладов. Получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации обсуждались и докладывались на: Шестой Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, 10-11 апреля, 2007); Всероссийской студенческой олимпиаде «Технология химических волокон и композиционных материалов на их основе» (Санкт-Петербург, 29-29 марта, 2007); 6ой Международной научно-практической конференции «Техника и технология химических волокон» (Чернигов, Украина, 21-25 мая, 2007); 4th Saint-Petersburg Young Scientists Conference (Saint-Petersburg, April 15-17, 2008); XV Всероссийской Конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2008); XIVі Symposium on Chemistry of Nucleic Acid Components (Cesky Krum-lov, Czech Republic, June 8-13, 2008); Conference «Nanofibres for the 3r millennium - nano for life» (Prague, Czech Republic, March 11-12, 2009); 91 International Conference of The European Chitin Society (Venice, Italy, May, 2009); Пятой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010» (Москва, 21-25 июня 2010); Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Нижний Новгород, 29 июня-2 июля, 2010).
Личный вклад соискателя. Экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно и обсуждены с научными руководителями работы. Радиологические исследования проводили совместно с лабораторией радиохимии ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (рук. к.х.н. Велешко И.Е.). ИК-спектры получены автором и обсуждены со специалистом фирмы Hitachi (Япония) к.х.н. Владимировым Л.В. Содержание остаточной воды по методу К.Фишера определяли совместно с Л.Н. Булатниковой (ИНЭОС РАН).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 171 странице машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, методической части, выводов, списка цитируемой литературы из 153 ссылок. Работа содержит 19 таблиц и 51 рисунок.
