CC BY
7ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2002, том 44, № 5, с. 872-876
УДК 541.64:542.952:532.73
ГИДРОГЕЛИ, ПОЛУЧЕННЫЕ СОПОЛИМЕРИЗАЦИЕЙ МАКРОМОНОМЕРОВ ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА С ГИДРОФИЛЬНЫМ И ГИДРОФОБНЫМ МЕТАКРИЛАТАМИ1
© 2002 г. Г. В. Ракова, М. А. Лагутина, С. А. Дубровский, К. С. Казанский
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук 119991 Москва, ул. Косыгина, 4
Поступила в редакцию 11.07.2001 г.
Принята в печать 22.11.2001 г.
Радикальной сополимеризацией бис-макромономера ПЭО, имеющего метакрилатные концевые группы, с "малыми" метакрилатами гидрофильного и гидрофобного типа синтезирована серия ам-фифильных гидрогелей. Введение 2-гидроксиэтилметакрилата повышает степень набухания гелей в воде на 20-25%, по-видимому, за счет роста гидрофильности узлов сетки. Величины модуля упругости G и характер их корреляций со степенью набухания Q показывают, что число эластически активных цепей сетки при этом не изменяется, однако их конформационное состояние и упругость ближе к типичным для гауссовых сеток, чем у их аналогов без добавок. Плотность сшивания сеток, содержащих н-бутилметакрилат в качестве сомономера, снижается, они лучше набухают в воде, а конкуренция гидрофобной (узлы) и гидрофильной (цепи ПЭО) составляющих приводят к немонотонной зависимости набухания от состава смеси вода-спирт.
ВВЕДЕНИЕ
ПЭО, как гидрофильный гибкоцепной полимер, давно привлекает к себе внимание в качестве основы для полимерных продуктов различной архитектуры и функциональной направленности. В настоящее время фрагменты цепей ПЭО той или иной длины вводят в состав разного рода сложных полимерных систем - блок- и привитых сополимеров, ПАВ, звездо-, гребнеобразных, а также сверхразветвленных полимеров и полимерных щеток.
Естественно, представляют интерес полимерные сетки из ПЭО и гидрогели на его основе. Однако сетки ПЭО трудно получать прямо из мономера, поскольку окись этилена полимеризуется лишь по анионному механизму, требующему весьма тонкой экспериментальной техники. Именно в связи с этим при синтезе сеток и гидрогелей на их основе удобно исходить из коммерчески доступных форм ПЭО, например ПЭГ. Учитывая эти соображения, ранее был детально раз-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Московского комитета по науке и технологиям (грант А 085).
E-mail: gels@chph.ras.ru (Казанский Константин Серафимович).
вит подход, использующий реакцию ОН-групп ПЭГ различной ММ с полифункциональными изоцианатами и приводящий к сеткам с вполне предсказуемой структурой и набуханием [1-3].
Большинство наиболее популярных типов гидрогелей получают все же более практичным методом радикальной полимеризации в водной среде, так что в препаративном отношении ПЭО явно отставал от области гидрофильных сеток в целом. Именно это отставание, перспективность гелей ПЭО в медико-биологическом комплексе [2] и ряд новых практических задач стимулировали несколько лет назад попытки вовлечения ПЭО в круг полимеров, сетки из которых образуются с использованием радикальной полимеризации. Успех этих попыток состоял в появлении более универсального подхода к синтезу гидрогелей ПЭО [4-9], позволяющего гибко регулировать их структуру и набухание [4, 7], а также сочетать в единой сетке цепи ПЭО, ионные сомономеры [9] и полиэлектролитные фрагменты [4, 6, 8]. Переход к синтезу гелей в водной среде позволил также иммобилизовать в них чувствительные биологические объекты прямо на стадии гелеобразова-ния [5].
Используемый нами метод состоит в радикальной полимеризации частично метакрилиро-ванных ПЭГ различной ММ (именуемых не вполне строго бис-макромономерами), среднее содержание полимеризуемых групп в которых в расчете на молекулу (/„ ~ 1.5-1.7) достаточно для связывания большей части полимера в сетку [5,7]. Особенности набухания и упругих свойств этих сеток указывали на особую роль в них гидрофобных полиметакрилатных узлов, образующихся при полимеризации концевых групп макромономеров [7, 10].
Настоящая работа является следующим шагом в развитии указанного подхода и имеет целью модификацию получаемых гелей путем введения "малых" сомономеров нейтральной и гидрофобной природы. Наряду с анализом чисто практических возможностей предполагалось развитие ранее предложенной структурно-физической модели образующихся при этом сеток [10].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2-Гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА) фирмы "Merck" с содержанием основного вещества не менее 97% перегоняли в токе аргона при 67°С/3 мм рт. ст. Бутилметакрилат (БМА) отмывали от гидрохинона раствором щелочи, сушили над Na2S04, перегоняли при 82°С/60 мм рт. ст. Неорганические компоненты инициирующей системы имели квалификацию х. ч. (Na2S203 • 5Н20) или ч. (K2S2Og); последний переосаждали из воды и высушивали при 50°С.
Бис-макромономеры ПЭО получали метакри-лированием ПЭГ и характеризовали по ранее описанным методикам [5, 7]. В данной работе использован макромономер с М = 4000 и /„ = 1.66; расчетная доля диметакрилата в нем составляла около 0.7.
Гомополимеризацию и сополимеризацию макромономера с низкомолекулярными метакрила-тами проводили в водной (ГЭМА) или водно-спиртовой среде (БМА) при 30°С в течение 48 ч под действием инициирующей системы K2S208-Na2S203 (по 0.7-1.0 г/л каждого). Начальная суммарная концентрация мономеров (с0, г/г) составляла в опытах с ГЭМА около 0.20 г/г, суммарная концентрация метакрилатных групп - от 0.08 до 0.17 моль/л, мольная доля ГЭМА в смеси - до 0.69. В случае БМА эти же величины составляли 0.13-0.16 г/г, 0.08-0.18 моль/л и 0.44 соответственно.
Выбранные условия реакции обеспечивали близкую к количественной конверсию мономе-
ров, что контролировали так же, как в работе [9]. Разность масс образцов, высушенных сразу после синтеза и после длительного набухания в воде, а также интенсивность полосы поглощения метакрилатных групп в УФ-спектре раствора, в котором происходило набухание, были незначительны. Содержание золь-фракции, как правило, не превышало 3-5%, и ее не учитывали в расчетах набухания. Оценки показывают, что такая доля золь-фракции примерно отвечает содержанию нефункционализированного ПЭГ в макромономере.
Гидрогели получали в форме пластин толщиной 3—10 мм, удобных для дальнейших измерений. После синтеза образцы взвешивали и выдерживали в дистиллированной воде или ее смеси с этанолом (1 : 1 по объему) до достижения постоянной массы. Объемную степень набухания гидрогелей (мл/мл) рассчитывали по уравнению
е=1+(рр/рЖ^/с0-1),
где рр (ввиду малого содержания сомономера взята плотность ПЭО, равная 1,21 г/мл) ир5- соответственно плотности полимера и растворителя, а № - отношение масс образцов в набухшем состоянии и в состоянии приготовления.
Модуль упругости равновесно набухших гелей измеряли методом пенетрации стального шарика радиусом 1.9 или 3.4 мм в образец геля [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При синтезе гидрогелей полимеризацией макромономеров ПЭО выбор ММ и функциональности однозначно задает структуру и соответственно свойства гелей [7]. Использование сополиме-ризации с "малыми" мономерами может дать дополнительные возможности контроля структуры сетки, что было показано ранее в нашей работе [9] по синтезу ионных гидрогелей ПЭО. В данном случае для аналогичной модификации гелей взяты нейтральные сомономеры гидрофильной (ГЭМА) и гидрофобной (БМА) природы. Внедрение звеньев сомономеров в узлы сетки может смягчить или вообще устранить конформацион-ные ограничения в окрестности узлов в результате "разбавления" концов ПЭО цепей. На рис. 1 схематически представлена структура сетки, иллюстрирующая возможный эффект малого сомономера в снижении плотности сегментов ПЭО вблизи узла сетки.
Рис. 1. Схематическое представление полимерной сетки, образующейся при сополимеризации макромономера ПЭО с "малым" метакрилатом: 1 - сегменты ПЭО, 2 - метакрилатные группы макромономера, 3 - звенья сомономера.
й, кПа 100
80 60
80 60 80 60
1 1 1 1 1 □ . .
.л д 1 л Д Д ДА 2 . Д Д л д д I 1 1
8 10 0., мл/мл
Рис. 2. Зависимость модуля упругости от степени набухания сополимерных гидрогелей ПЭО-ГЭМА. Номера прямых соответствуют номерам образцов гидрогелей в табл. 1.
Гидрофильно-модифицированные гели
Как уже отмечалось, гидрогели ПЭО с гидрофильно модифицированными узлами сетки были получены радикальной сополимеризацией в водной среде макромономеров ПЭО с ГЭМА. Количественная конверсия обеспечивала совпадение состава реакционной смеси и узлов сетки, куда входят ГЭМА и концы цепей ПЭО.
В табл. 1 представлены степени равновесного набухания и данные по модулям упругости, измеренным в состоянии приготовления геля и при его равновесном набухании. Как видно, введение ГЭМА приводит к некоторому (на 20-25%) росту степени набухания гелей в воде. Это обусловлено, по-видимому, увеличением гидрофильное™ уз-
Таблица 1. Характеристики набухания и упругости гидрогелей ПЭО-ГЭМА
Образец, № Мольная доля ГЭМА Степень набухания в воде <2. мл/мл Модуль упругости при приготовлении во, кПа Показатель степени т в зависимости 6(0
1 0 9.1 85 ±9 0.9010.30
2 0.56 10.8 57114 0.3810.10
3 0.69 10.2 80 ±13 0.0910.06
лов полимерной сетки и их набуханием в водной среде. Негативное влияние гидрофобных узлов на набухание сеток на основе ПЭО описано ранее [1], где оно проявлялось в росте величины параметра взаимодействия сетки в водной среде с уменьшением длины цепи ПЭГ.
Измерения модуля упругости показывают, что в состоянии приготовления геля модуль практически не зависит от содержания ГЭМА в сетке. На этом основании можно полагать, что число эластически активных цепей сетки, определяемое в первом приближении долей диметакрилата [7], практически не изменяется при введении ГЭМА.
Вместе с тем при модификации геля существенно изменяется структура узлов и конформаци-онное состояние межузловых цепей, что проявляется в зависимости модуля от степени набухания (рис. 2). Как видно, во всех случаях модуль увеличивается с ростом степени набухания, т.е. имеет место негауссово упругое поведение. В соответствии с развиваемыми нами представлениями [10], оно связано с сильным растяжением межузловых цепей при формировании сетки с узлами высокой функциональности. Соединение большого числа концов цепей ПЭО в узел приводит к возникновению топологических ограничений, которые аналогичны имеющимся в звездообразных полимерах или полимерных щетках. Из рис. 2 следует, что с ростом доли ГЭМА в сетке упругое поведение приближа-
Таблица 2. Равновесные степени набухания и модули упругости гидрогелей ПЭО-БМА в разных растворителях
Образец, № Мольная доля БМА Q*, мл/мл G*, кПа Q**, мл/мл G**, кПа
1 0.28 7.6 5.5 13.2/15.6/19.9 7.3/5.6/7.8
2 0.44 7.6 3.9 14.6/17.0/19.9 -/4.7/4.9
* В состоянии приготовления геля.
** Первая цифра - в воде, вторая - в спирте, третья - в смеси вода : спирт (1:1).
ется к гауссовому, при котором модуль падает с увеличением степени набухания как <2~1/3-
Для получения количественной информации об этой тенденции экспериментальные зависимости О(б) аппроксимировали степенными функциями б ~ От"1. Показатели степени т, приведенные в табл. 1, подтверждают, что введение ГЭМА уменьшает отклонение цепей сетки от гауссовой статистики в соответствии с моделью и ранее высказанными соображениями.
Гидрофобно-модифицированные гели
Гидрофобно-модифицированные гидрогели ПЭО получены путем радикальной сополимери-зации макромономера ПЭО с БМА. Поскольку БМА плохо растворим в воде, в качестве среды для сополимеризации использовали водно-эта-нольную смесь. По исчезновению опалесценции в предварительных опытах было установлено, что реакционная система становится гомогенной в смеси спирт: вода при соотношении ~1:1 по объему. Как и в случае с ГЭМА, можно полагать, что составы сополимерных узлов сетки и исходной смеси должны быть близки. Необходимо отметить, что введение гидрофобного метакрилата приводит к явно выраженной оптической неоднородности геля, наблюдаемой даже визуально.
Гели были охарактеризованы по равновесному набуханию в воде, этиловом спирте и водно-спиртовой смеси (1 : 1), а также по модулю упругости в состоянии приготовления и при равновесном набухании в тех же средах. Результаты этих измерений даны в табл. 2.
Как видно из табл. 2, введение БМА приводит к тому, что степень набухания геля в воде даже несколько выше в сравнении с таковой для немодифи-цированных и гидрофильных аналогов (табл. 1). Рост набухания может быть связан только со снижением плотности сшивания, что подтверждается и измерениями модуля упругости. Действительно (табл. 3), его величины в состоянии приготовления модифицированных гелей существенно ниже,
чем для немодифицированных аналогов, где они составляют 30-45 кПа. Возможно, что снижение эффективности сшивания связано с несовместимостью гидрофильных цепей ПЭО и резко гидрофобных узлов сетки - явлением, хорошо известным в гомо- и сополимеризации макромономеров [12].
Состояние метакрилатных узлов сетки может изменяться при переходе от воды как растворителя к водно-органическим смесям. В этиловом спирте степень набухания гелей ПЭО-БМА несколько выше, чем в воде (табл. 2). Еще более высокие значения степени набухания достигаются при использовании в качестве растворителя водно-этанольной смеси. Это обусловлено, очевидно, набуханием в смесевом растворителе как межузловых ПЭО-цепей, так и гидрофобных по-лиметакрилатных узлов сетки, которые в водной среде могут принимать компактную (глобулярную) конформацию.
Данные табл. 2 показывают, что для обоих образцов модуль упругости гелей ПЭО-БМА практически не зависит от степени набухания. Наблюдаемая картина совершенно аналогична отмеченной выше для гелей ПЭО-ГЭМА, т.е. встраивание БМА в полиметакрилатный узел сетки также приводит к снижению плотности цепей ПЭО вблизи узла и уменьшению их степени растяжения. В этом случае, однако, препятствием к более резкому снижению топологических ограничений может быть возрастающая гидрофобность и коллапс полиметакрилатной цепи.
Несомненно, что вопрос о форме, размерах и конформации этих цепей является существенным для представлений о структуре рассматриваемых амфифильных сеток. В последнее время интенсивно исследуются аналогичные растворимые полимеры, получаемые полимеризацией монофункциональных метакрилатов ПЭГ, однако имеющиеся гидродинамические данные разных работ указывают на совершенно различные конформации этих, как их теперь принято называть, bottle-brushes - от компактной, почти сферической [13] до практически стержнеобразной [14].
Обсуждение этого вопроса явно выходит за рамки настоящей работы.
В заключение отметим, что приведенные данные обнаруживают еще один положительный аспект синтеза гидрогелей ПЭО методом полимеризации частично метакрилированных ПЭГ (макромономеров) в водной среде по радикальному механизму, ранее совершенно не типичному для химии ПЭО. Сополимеризация макромономеров с "малыми" мономерами дает дополнительные возможности контроля амфифильного баланса гидрогелей, что представляет практический интерес.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Graham N.B. Hydrogels in Medicine and Pharmacy / Ed. by Peppas N. Boca Raton: CRC Press, 1986. V. 2. P. 96.
2. Gnanou Y., Hild G., Rempp P. // Macromolecules. 1987. V. 20. № 7. P. 1662.
3. Graham N.. Zulfiqar M. // Polymer. 1989. V. 30. № 11. P. 2130.
4. ClierJ., ScrantonA.B., Peppas N. A. //Macromolecules. 1990. V. 23. № 23. P. 4944.
5. Казанский К.С., Скуридин С.Г., Кузнецова В.И., Евдокимов Ю.М. // Высокомолек. соед. А. 1996. Т. 38. № 5. С. 875.
6. Bell C.L., Peppas NA.// J. Contr. Release. 1996. V. 39. P. 201.
7. Казанский K.C., Дубровский СЛ., Антощен-ко H.B. И Высокомолек. соед. А. 1997. Т. 39. № 5. С. 816.
8. Lowman A.M., Peppas N.A. // Macromolecules. 1997. V. 30. № 17. P. 4959.
9. Дубровский СЛ., Ракова Г.В.,Лагутина М.А., Казанский К.С. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 10. С. 1647.
10. Дубровский СЛ., Ракова Г.В.,Лагутина М.А„Ан-тощенко Н.В., Васильев В.В., Казанский К.С. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 3. С. 527.
11. Дубровский СЛ., Кузнецова В.И. //Высокомолек. соед. А. 1993. Т. 35. № 3. С. 271.
12. Ito К., Tsuchida Н., Hayashi A., Kitano Y., Yamada Е., Matsumoto Т. // Polym. J. 1985. V. 17. № 7. P. 827.
13. Ito K., Tomi K., Kawaguchi S. I I Macromolecules. 1992. V. 25. № 5. P. 1534.
14. Kawaguchi S., Akaike K„ Zhang Zuo-Ming, Matsumoto H„ Ito K. // Polym. J. 1998. V. 30. №. 12. P. 1004.
Hydrogels Prepared by Copolymerization of Poly(ethylene oxide) Macromonomers with Hydrophilic and Hydrophobic Methacrylates
G. V. Rakova, M. A. Lagutina, S. A. Dubrovskii, and K. S. Kazanskii
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina 4, Moscow, 119991 Russia
Abstract—A number of amphiphilic hydrogels were obtained by the free-radical copolymerization of poly(ethylene oxide) bis(macromonomer) containing methacrylate end groups with small hydrophilic and hydrophobic methacrylates. It is shown that the addition of 2-hydroxyethyl methacrylate increases the degree of gel swelling in water by 20-25%; this effect seems to be due to the enhanced hydrophilicity of network junctions. The values of elastic modulus G and the character of their correlation with the swelling degree Q suggest that the number of elastically active chains in the network remains unchanged, but the conformational state and elasticity of chains are closer to values typical of Gaussian networks compared to their analogs without any additives. The crosslink density of networks containing «-butyl methacrylate as a comonomer decreases, their swelling in water improves, and a competition between a hydrophobic (network junctions) and hydrophilic (PEO chains) components results in the nonmonotonous dependence of swelling on the composition of a water-alcohol mixture.
