ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2013, том 55, № 2, с. 225-228
ПОЛИМЕРНЫЕ _ГЕЛИ
УДК 541.64:539.2
РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИАКРИЛАМИДНОГО ГИДРОГЕЛЯ
© 2013 г. Л. В. Ванчугова, Л. И. Валуев, И. Л. Валуев, Ю. А. Талызенков
Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 29 Поступила в редакцию 16.04.2012 г. Принята в печать 25.06.2012 г.
На примере трех типов полиакриламидных гидрогелей, полученных обычной радикальной сополи-меризацией акриламида и N^N'-метилен-бисакриламида, сополимеризацией этих мономеров в присутствии передатчика цепи или псевдоживой сополимеризацией в присутствии агента обратимой передачи цепи, показано, что одним из факторов, определяющих микроструктуру сшитых полимерных систем, является молекулярно-массовое распределение сополимера, образующегося на начальной стадии процесса. Чем ближе к единице отношение Mw/Mn сополимера, тем меньше вклад пор большего размера в общее количество пор гидрогеля.
DOI: 10.7868/S0507547513020141
Благодаря высокой пористости и неплохой биосовместимости полимерные гидрогели находят широкое применение в медицине и биотехнологии как для изготовления эндопротезов мягких тканей, так и в качестве носителей иммобилизованных биологически активных веществ и разделяющих сред для жидкостной хроматографии [1— 3]. Наиболее распространенным способом получения таких гидрогелей является радикальная со-полимеризация гидрофильного мономера и бифункционального сшивателя в водном растворе под действием окислительно-восстановительной каталитической системы [4]. Параметры структуры гидрогеля, главным образом степень его набухания в воде, обычно регулируют изменением суммарной концентрации мономеров или соотношения мономер : сшиватель. При таком регулировании распределение пор по размерам практически не изменяется, и оно остается достаточно широким, что в значительной степени ограничивает биомедицинское применение гидрогелей [5, 6]. В связи с этим возникает вопрос, как можно регулировать данный параметр и что может быть первопричиной неравномерного распределения пор по размерам? Нам представляется, что неравномерность распределения закладывается уже на начальной стадии процесса в условиях образования еще не сшитых сополимеров с широким, характерным для радикальной полимеризации,
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 1208-00123) и Программ Отделения химии и наук о материалах РАН № 3 и 7.
E-mail: vanchugova@ips.ac.ru (Ванчугова Людмила Витальевна).
ММР [7]. А затем уже как в детской игре в кубики. Попробуйте из кубиков различного размера и формы построить устойчивый дом с множеством одинаковых комнат!
Цель настоящей работы — изучение зависимости структурных параметров гидрогеля от способа его получения в условиях образования исходных, еще не сшитых сополимеров с различным ММР, на примере полиакриламидных гидрогелей. Были синтезированы три типа гидрогелей. Гидрогели типа I получали обычной радикальной сополимеризацией акриламида и М,№-метиленбисакрила-мида (БИС) при окислительно-восстановительном инициировании системой персульфат аммония (ПС) — М,М,М',№-тетраметилэтилендиамин (ТЕМЕД). Гидрогели типа II синтезировали аналогичным способом, но в присутствии передатчика цепи — меркаптоуксусной кислоты (МУК). Гидрогели типа III получали посредством "псевдоживой" радикальной сополимеризации акриламида и БИС в присутствии инициатора полимеризации — 4,4'-азобис-(4-цианопентановой кислоты) (ЦПК) и агента обратимой передачи цепи — аммонийной соли 4-8-дитиобензоата 4-циа-нопентановой кислоты (ДТБ).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Акриламид ("ДиаэМ", Россия), БИС ("Диа-эМ", Россия), ТЕМЕД ("Serva", США), ПС ("ДиаэМ", Россия), бикарбонат аммония ("Aldrich", Германия), МУК ("Serva", США), утиный овому-коид (ОМ) ("Белмедпрепараты", Беларусь) (M = = 3.1 х 104), свиной инсулин (СИН) ("Sigma", США) (M = 6.0 х 103), человеческий сывороточ-
226 ВАНЧУГОВА и др.
Таблица 1. Зависимость Mw и Mw/Mn полиакриламидов от способа их получения
[МУК], моль/л [ДТБ], моль/л [Инициатор], моль/л Время реакции, ч Температура, °С М^ х 10—3 Mw/Mn
— — 0.0044 2 25 455 1.9
— — 0.1400 2 25 65 2.0
0.0029 — 0.0044 2 25 50 1.5
0.0120 — 0.0044 2 25 27 1.4
— 0.017 0.0024 2 77 18 1.1
— 0.017 0.0024 20 77 60 1.2
ный альбумин (ЧСА) ("Sigma", США) (M = 6.7 х х 104), алкогольдегидрогеназу из дрожжей (АДГ) ("Sigma", США) (M = 14.1 х 104) использовали без дополнительной очистки. ЦПК ("Aldrich", США) очищали перекристаллизацией из метанола. ДТБ синтезировали по методике [8]. Для получения аммонийной соли навеску ДТБ растворяли в водном растворе бикарбоната аммония с последующей лиофилизацией полученного раствора.
Полиакриламидные гидрогели типа I синтезировали полимеризацией при комнатной температуре мономерной смеси, содержащей 1.4 моль/л акриламида и 0.032 моль/л БИС. В качестве инициатора применяли окислительно-восстановительную систему, включающую эквимолярные количества ПС и ТЕМЕД (0.0044-0.22 моль/л).
При получении гидрогелей типа II к мономерной смеси аналогичного состава дополнительно добавляли МУК (0.0029-0.02 моль/л).
Для синтеза гидрогелей типа III использовали такую же мономерную смесь, а в качестве инициатора — ЦПК (0.0024 моль/л). Реакцию проводили в присутствии обратимого передатчика цепи -аммонийной соли ДТБ (0.0024—0.017 моль/л) в запаянной ампуле при температуре 78 ± 2°С, рН 3.6—3.8 и давлении 10—3 мм рт. ст. в течение 20 ч.
Во всех случаях конверсия мономеров была близка к 100%, о чем свидетельствует практическое равенство масс лиофильно высушенных гидрогелей и исходных мономеров.
Водорастворимый полиакриламид получали аналогично соответствующим образцам гидрогеля, но в отсутствие БИС.
Mw и ММР полимера определяли методом водной эксклюзионной хроматографии на хромато-графической системе фирмы "Shimadzu" (Япония). Система включала насос LC-10ADvp, автоинжектор SIL-10AD, термостат CT0-10ACvp, дифференциальный рефрактометр RID-10A и компьютер. Для разделения использовали набор колонок Ultrahydrogel 250, 500 и 1000 фирмы "Waters", элюент 0.1 М NaNO3, скорость потока 0.6 мл/мин, температуру 30°С. Калибровку осуществляли по ПЭГ и ПЭО стандартам (в диапазо-
не М = (1 х 103)—(8.5 х 105)) с низкой полидисперсностью.
Степень набухания гидрогелей оценивали гравиметрически. Степень набухания рассчитывали по формуле 8Г = т1/т2 — 1, где т1 и т2—массы равновесно набухшего и лиофильно высушенного гидрогеля соответственно.
Для изучения проницаемости гидрогелей набухший в воде гель измельчали с помощью механического пресса через сито с диаметром пор 1 мм. К 2 мл геля добавляли 4 мл раствора белка с концентрацией 6.5 х 10-5 моль/л для ОМ, 3 х х 10-5 моль/л для ЧСА, 2.5 х 10-4 моль/л для СИН и 1.4 х 10-5 моль/л для АДГ. Смесь оставляли при 4°С на 48 ч. После установления равновесия в системе на спектрофотометре "НкасЫ-3410" (Япония) при 280 нм измеряли оптическую плотность растворов белков над гелями. Концентрацию белка в исходном растворе и в растворе после инкубирования с гелем оценивали по построенной для каждого белка калибровочной зависимости. Учитывая соотношения объемов фаз, рассчитывали количество пор, доступных для каждого белка, принимая за 100% количество пор, доступных для воды.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Поскольку оценить ММР сополимеров акрила-мида и БИС достаточно сложно из-за возможности их сшивания уже на начальной стадии полимеризации, в настоящей работе в качестве модельной системы была исследована гомополимеризация ак-риламида в условиях различного инициирования. В табл. 1 приведены наиболее типичные параметры гомополимеров, синтезированных тремя различными способами. Как и следовало ожидать, переход от обычной радикальной полимеризации к полимеризации в присутствии передатчика цепи и к "псевдоживой" радикальной полимеризации приводит к получению полимеров с более узким ММР, независимо от полимеров. Можно предположить, что аналогичная зависимость существует и для сополимеров акриламида с БИС. Если это предположение верно и если в основе
РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИАКРИЛАМИДНОГО ГИДРОГЕЛЯ
Таблица 2. Влияние концентрации инициатора на свойства гидрогелей типа I
227
[ПС], моль/л
Степень набухания*
Доступность пор геля для молекул**, %
рН 7.1 рН 2.0 СИН ОМ ЧСА АДГ
0.0044 10.2 10.2 100 89 82 49
0.0088 10.3 10.2 100 91 83 51
0.018 10.8 10.4 100 94 86 50
0.044 13.0 11.6 100 95 91 58
0.088 16.8 13.1 100 97 89 60
0.14 18.5 14.4 100 94 88 57
0.22 32.3 16.6 100 96 90 60
* Ошибка ± 0.5% и ** 4%.
распределения пор по размерам лежит ММР получаемых на начальной стадии сополимеров, то мы должны наблюдать какие-либо различия в параметрах структуры гидрогелей, полученных при различных способах инициирования полимеризации.
В табл. 2 представлена зависимость свойств гидрогелей типа I от концентрации инициатора. Видно, что с повышением концентрации ПС степень набухания гидрогелей также увеличивается. Причина этого, скорее всего, заключается в том, что реальные сетки обязательно содержат цепи, прикрепленные к сетке только с одного конца [9]. При радикальной полимеризации такие "свободные концы" — висящие цепи появляются в результате присоединения к двойной связи радикала (804)', который образуется при распаде инициатора. Увеличение количества последнего приводит к росту количества висящих цепей и, следовательно, к уменьшению плотности сшивки. Аналогичный результат был получен в работе [10] при изучении гораздо менее сшитых гидрогелей (0.8 мас. % сшивающего агента вместо используемых в настоящей работе 5 мас. %) на основе смеси М-трет-бутилакриламида, М,№-диме-тилакриламида и М-изопропилакриламида.
Определенный вклад в повышение степени набухания гидрогелей с увеличением концентрации инициатора может вносить также возрастание количества ионизованных концевых сульфо-групп, которое растет с увеличением количества инициатора.
Что касается распределения пор по размерам, то изменение концентрации инициатора не оказывает существенного влияния на этот параметр. Поры всех син
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.