CC BY
51
Физико-химическая биология Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 2 (2), с. 516-522
УДК 502:613:678.744.33
СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ НОВЫХ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЛЕЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АКРИЛОВЫХ СОПОЛИМЕРОВ
© 2010 г. И.Н. Калашников 1, В.Ф. Урьяш 1, В.М. Треушников 2, Н.В. Пастухова 2
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 ООО Предприятие «Репер-НН», Нижний Новгород
И^@^ет. ипп. ги
Поступила в редакцию 13.04.2010
Изучено влияние способа синтеза и молекулярной массы акрилового сополимера, используемого в качестве основы при производстве противоожегового покровного материала и искусственных хрусталиков, на его физико-химические свойства. Сопоставление физико-химических свойств изученных образцов сополимера позволяет рекомендовать наиболее оптимальный состав и методику синтеза акриловых сополимеров для получения материалов медицинского назначения.
Ключевые слова: акриловый сополимер, физико-химические свойства, искусственные хрусталики, противоожеговый материал.
Введение
Современный человек испытывает многофакторное воздействие со стороны окружающей среды, поэтому необходимость объективного анализа существующих закономерностей данного влияния требует междисциплинарного подхода, объединенного единым принципом -принципом профилактики.
Основной проблемой медицинской экологии и экологии человека является сохранение и укрепление здоровья, а также улучшение качества жизни населения. Это задача огромной социальной значимости решается в двух направлениях. Во-первых, разрабатываются различные мероприятия по предупреждению заболеваний и, во-вторых, создаются методы и способы лечения человека. В последние годы в производстве полимерных материалов медицинского назначения наметилось новое направление -использование фотополимеризующихся композиций на основе олигомеров, способных к радикальной полимеризации [1, 2]. Следовательно, в настоящее время можно говорить о перспективности данного направления для изготовления противоожеговых покровных материалов, интраокулярных линз и т.п. Однако для создания эффективных терапевтических систем необходимо проведение физико-химических исследований, что позволяет оптимизировать количественный и качественный состав сложных полимерных композиций. Поэтому актуальность данного направления исследований не вызывает сомнений.
В связи с изложенным, целью данной работы являлось изучение влияния молекулярной массы олигоуретанметакрилата и способа синтеза акриловых сополимеров, используемых в качестве основы при производстве противоожегово-го покровного материала и искусственных хрусталиков, на их физико-химические свойства.
Сопоставление физико-химических свойств изученных образцов позволило оптимизировать состав и методику синтеза акриловых сополимеров для получения материалов медицинского назначения.
Материалы и методы исследования
Объектами исследований служили образцы олигоуретанметакрилата (ОУМА) различной молекулярной массы (2000, 4600 и 6000), сополимеры ОУМА с феноксиэтилметакрилатом (ФЭМА) и октилметакрилатом (ОМА), полученные методами фронтальной полимеризации (Ф) и при общем освещении (О), а также шесть образцов пленок сополимеров, прошедших блокировку остаточных радикалов (табл. 1).
Блокировка заключалась в том, что пленки образцов выдерживали в подходящем спиртовом растворителе при 60оС в течение 4-5 часов, а затем сушили в вакууме при 60оС. В результате такой обработки вымывались остаточные мономеры и ингибиторы.
По внешнему виду ОУМА различной молекулярной массы (2000, 4600 и 6000) представляли собой прозрачные, нелетучие, вязкие жидкости, смешивающиеся с олигоэфирметакрила-
Таблица 1
Качественный состав изученных образцов акриловых сополимеров, блокированных (Б) и без блокировки (ББ)
Обозначение образца Стандарт (ст.) № 1 № 2
Мономеры 0УМА-2000 0УМА-6000 0УМА-6000
ФЭМА Бензилметакрилат (БзМА) ФЭМА
ОМА - ОМА
Метакриловая кислота (МАК) МАК МАК
Масса образцов, г Б ББ Б ББ Б ББ
0.4936 0.3987 0.3983 0.4408 0.4488 0.4844
-15D -100 -50 0 50 t. °С
Рис. 1. Термограммы образцов олигоуретанметакрилата с различной молекулярной массой: 1 - 2000, 2 - 4600, 3 - 6000
тами, олигокарбонатметакрилатами и мономерами, что имеет значение для варьирования упруго-эластичных и прочностных свойств сополимеров. ОУМА представляют большой интерес для создания изделий медицинского назначения как соединения, способные к радикальной фотополимеризации с образованием трехмерной сетчатой структуры полимера. По своим физико-химическим свойствам образующийся полимер является реактопластом с «памятью формы», т.е. при снятии нагрузки восстанавливает первоначально заданную при условиях эксплуатации форму; нерастворим в органических растворителях; обладает повышенной стойкостью к у- и лазерному излучению; нетоксичен, что подтверждено токсикологическими и клиническими испытаниями изделий из него [3].
В качестве метода исследования температур релаксационных переходов полимеров исполь-
зовали дифференциальный термический анализ (ДТА) в области -190 - +150оС [4]. Эксперимент проводили в атмосфере гелия. Эталоном служил кварц. Температуру образца и разницу температур между образцом и эталоном измеряли хромель-копелевой термопарой с погрешностью 0.5 град [5]. По рекомендации International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry (ICTAC) за температуру релаксационных переходов (Тс, Тр и Ту) полимеров принимали среднюю температуру интервала, в котором происходит переход, так как именно эта температура обладала наилучшей воспроизводимостью [6, 7].
Сначала образцы охлаждали от комнатной температуры до -190оС со скоростью ~20 град/мин. Затем нагревали со скоростью 5 град/мин до 60оС. После каждого прогрева образца от -190 до 60оС он охлаждался со скоростью 5 град/мин до комнатной температуры.
40
20
-20
о.
Л -40
-60
-80
-100 50 г
Молекулярная масса ОУМА 2000 4600 6000
10
У 0
-30
-40
-50
Молекулярная масса ОУМА
2000 4600 6000
40
30
20
-10
2000 4600 6000
Молекулярная масса ОУМА
Рис. 2. Зависимость температур релаксационных переходов ^с1, ^2, ^4) ОУМА от его молекулярной массы
После этого образец выдерживали при комнатной температуре 20 часов, затем вновь охлаждали до -190оС со скоростью ~20 град/мин и повторно получали термограмму при нагревании образца.
Результаты и их обсуждение
Результаты термического анализа образцов ОУМА с различными молекулярными массами представлены на рис. 1. У данных образцов на термограмме проявляются релаксационные переходы эндотермического характера - расстеклование. У олигоуретанметакри-
лата с молекулярной массой 6000 их четыре Ось ^2, ^3 и ^4) (рис. 1, кривая 3), а у образцов с молекулярной массой 2000 и 4600 проявляется три перехода Ось ^2 и ^4) (рис. 1, кривые 1, 2). Сравнение образцов ОУМА с различными молекулярными массами показывает, что не наблюдается монотонной зависимости температур релаксационных переходов от молекулярной массы олигомера (рис. 2). Температура основного стеклования с наибольшим отклонением базовой линии от нулевого хода 0с2) у всех трёх образцов практически совпадает (-47.5 + -51.5°С), а температура первого стеклования (^) различается. У ОУМА с мо-
0
-10
-20
-60
Таблица 2
Температуры физических переходов сополимера ОУМА-ФЭМА-ОМА*
Образец 1-й прогрев 2-й прогрев 3-й прогрев Средний результат, 0С
Температуры физических переходов, 0С
I «Ф»** ^1 -28 -27.5 -27 -27.5±0.5
^2 73 73.5 73 73±0.5
I «О» ^1 -28 -28.5 -29.5 -28.5±0.5
^2 34 49 59 47±9
^3 91.5 117 108 105.5±9.5
II «Ф» ^1 -27 -26.5 -29 -27.5±1
^2 82.5 91 102 92±6.5
^3 - - 126 126±1
II «О» ^1 -29 -24 -25 -26±2
^2 50 55 44.5 50±3.5
^3 68 70 69 69± 1
^4 89 92 95.5 92±2
^5 112 114.5 114.5 113.5±1
^6 - - 138 13 8± 1
*Молекулярная масса ОУМА: I - 2000; II - 4600.
**Сополимеры получены: «Ф» - фронтальной полимеризацией; «О» - при общем освещении.
•-------------------------------------------------------ц______________________!__________________________________.--------------------------.----------------------------------------------------------------,-------------------I.
-50 й 50 1110 1КЧ "С
Рис. 3. Термограммы образцов сополимера ОУМА (молекулярная масса 2000) с ФЭМА и ОМА, полученных методами: 1 - фронтальной полимеризации (1«Ф»), 2 - при общем освещении (1«О»)
лекулярной массой (4600) ^ на 14.5оС выше, чем у ОУМА с меньшей (2000) и большей (6000) молекулярной массой.
Экспериментальные результаты исследования физико-химических свойств сополимеров ОУМА с ФЭМА и ОМА, полученных методами фронтальной полимеризации и при общем освещении, а также при изменении молекулярной массы ОУМА от 2000 до 4600 приведены в табл. 2. Термограммы с усредненными температурами релаксационных переходов представлены на рис. 3.
Как видно из термограмм (табл. 2, рис. 3), у всех образцов, так же как и у ОУМА, проявляет-
ся несколько релаксационных переходов эндотермического характера (расстеклование) и они хорошо воспроизводятся при последовательных циклах охлаждения и нагревания (табл. 2).
Наибольшую амплитуду имел переход в интервале -50 + -5оС (^1 = -26 + -28.5оС). Следует отметить, что ни молекулярная масса ОУМА, ни способ синтеза сополимера практически не влияли на температуру низкотемпературного стеклования. При увеличении молекулярной массы ОУМА только увеличивалось отклонение базовой линии от нулевого хода в температурном интервале этого перехода.
Таблица 3
Температуры физических переходов изученных образцов акриловых сополимеров, блокированных (Б) и без блокировки (ББ)
Образец* 1-й прогрев 2-й прогрев 3-й прогрев Средний результат, С
Температуры физических переходов, оС
Блокированный (Б) ст. ^1 -54 -59.5 -66 -60±4
^2 -30 -26 -32 -29±2
^3 70 72 73.5 72±1
^4 91 97 104.5 97.5±4.5
1 ^1 -41.5 -40 -40 -40.5±0.5
^2 69.5 63 75.5 69±4
^3 91.5 90 99 93.5±3.5
2 ^1 -30.5 -30 -31 -30.5±0.5
^2 43 45.5 48 45.5±1.5
^3 86 92.5 95 91±3.5
Без блокировки (ББ) ст. ^1 -50 -53 -47.5 -50±1.5
^2 -20 -18 -22 -20±1
^3 40.5 31.5 36 36±3
^4 77.5 68 72 72.5±3
^5 - 97 124 110.5±13.5
1 ^1 -99 -98 -100.5 -99±1
^2 -40 -42 -40.5 —41±1
^3 53 45 52 50±3
^4 91 96.5 113 100±8.5
2 ^1 -87 -91 -95 -91±2.5
^2 -35 -37 -39 -37±1
^3 28 26 26 27±1
^4 94 101.5 94.5 97±3
^5 114.5 119.5 127 120±4
* «ст.», «1», «2» - см. табл. 1.
Таблица 4
Температуры физических переходов эластичного (ХрЭл) и жесткого хрусталиков (ХрЖ)
Образец 1-й прогрев 2-й прогрев 3-й прогрев Средний результат, 0С
Температуры физических переходов, 0С
^1 -87 -88.5 -85 -87±1
tc2 -47.5 -43 -51 -47±3
ХрЭл tc3 -15 -19 -20 -18±2
tc4 17 19 21.5 19±1.5
^5 44.5 51 56.5 50.5±4
^1 -50 -52 -52.5 -51.5±1
ХрЖ tc2 -11 -14 -17 -14±2
tc3 42 35 40 39±2.5
tc4 92 94.5 90 92±1.5
То, что у всех изученных образцов проявлялось несколько температурных интервалов расстеклования, указывает на их микрогетерогенность [8]. Такое поведение наблюдалась у сополимера бутилметакрилата (БМА) с МАК [9, 10].
Аналогичная картина была у сополимеров метилметакрилат (ММА) - БМА и ММА - этил-гексилакрилат [11, 12]. Причем при общем освещении получается более неоднородный образец, т.к. число релаксационных переходов в
этом случае больше, чем при фронтальной полимеризации (рис. 3, табл. 2). Увеличение молекулярной массы ОУМА также приводит к появлению дополнительных релаксационных переходов.
Результаты исследования температуры стеклования шести образцов пленок сополимера представлены в табл. 3. Как видно из табл. 3, процесс так называемой блокировки влияет на физико-химические свойства сополимеров. У блокированных образцов число переходов меньше, чем у сополимеров, не прошедших блокировку. На термограммах образцов № 1Б и № 2Б отсутствует стеклование при -91 и -99оС. По-видимому, в образцах № 1ББ и № 2ББ остается непрореагировавший ОУМА (6000).
Замена ФЭМА в образце № 2Б на БзМА (№ 1Б) и исключение из образца № 2Б ОМА приводит к тому, что у сополимера № 2Б повышается и понижается 1;с2.
Термический анализ хрусталиков (табл. 4, рис. 4) показал, что у эластичных хрусталиков (ЭлХр) основными являются переходы с 1с1 = -82оС, 1с2 = -47.5оС и 1с3 = -18оС в области < 0оС, т.к. они имеют большую амплитуду. У образца жесткого хрусталика, напротив, основные переходы лежат в области 1 > 0оС (1с3 = 39оС и и = 92оС).
Заключение
В результате проведенных исследований показано, что температуры физических переходов в олигоуретанметакрилате изменяются не монотонно при увеличении молекулярной массы олигомера с 2000 до 6000. Экстремальное значение температур физических переходов наблюдается у олигомера с молекулярной массой 4600.
Исследование температур стеклования в сополимерах олигоуретанметакрилата с фенокси-этилметакрилатом и октилметакрилатом показало, что у всех образцов проявляется несколько температурных интервалов расстеклования, что указывает на их микрогетерогенность. Увеличение молекулярной массы олигоуретанметакрилата с 2000 до 4600 приводит к появлению дополнительных релаксационных переходов и, следовательно, к увеличению микрогетерогенности образцов.
Процесс так называемой блокировки влияет на физико-химические свойства сополимеров. У блокированных образцов число переходов меньше, чем у сополимеров, не прошедших блокировку.
При общем освещении получается более неоднородный образец, т.к. число релаксационных переходов в этом случае больше, чем при фронтальной полимеризации.
Проведенные исследования показали, что у эластичных хрусталиков основные релаксационные переходы лежат при температурах ниже 0°С, а у жестких, напротив, выше 0°С.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 годы)» (проект № 2.1.2/1056).
Список литературы
1. Штильман М.И. Полимеры медико-биологического назначения. М.: ИКЦ «Академ-книга», 2006. 400 с.
2. Треушников В.М., Зеленцова С.В., Олейник А.В. Кинетические закономерности протекания фотохимических реакций в слоях фоторезистов и их
светочувствительность // Журн. научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1989. Т. 33. № 2. С. 146-157.
3. Патент 2198661 РФ, МПК А61К31/74, C08F20/18, A61F9/00. Эластичный искусственный хрусталик глаза / Треушников В.М., Викторова Е.А., Рыбин А.Г., Чугунов М.А. (Россия). - № 2000126817/14; заявлено 27.10.2000; опубл. 20.02.2003. Бюл. № 7. 2006.
4. Урьяш В.Ф., Мочалов А.Н., Покровский В.А. Установка для дифференциального термического анализа // В межвуз. сб.: Термодинамика органических соединений / Горький: Изд-во ГГУ. 1978. Вып. 7. С. 88-92.
5. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. 395 с.
6. Gam P.D., Menis O. Instrumental effects on glass transition temperatures // Amer. Chem. Soc.: Plym. Prepr. 1976. V. 17. P. 151-156.
7. Garn P.D., Menis O. Instrumental effects on glass transition temperatures // J. Macromol. Chem. 1977. V. B13. P. 611-629.
8. Пол К., Ньюмен Х. Смеси полимеров. Т. 1. М.: Мир, 1980. 485 с.
9. Овчинников Е.Ю., Горелов Ю.П. Фазовая структура статистических сополимеров метилметак-рилата с акрилатами // Высокомолек. соед. 1988. Т. 30А. № 9. С. 677-681.
10. Чупрова С.В., Урьяш В.Ф., Князева Т.Е., Из-возчикова В.А., Кокурина Н.Ю., Карякин Н.В. Влияние диоктилфталата на температуры физических переходов сополимера бутилметакрилата с метакри-ловой кислотой // Вестник Нижегородского университета. Сер. химия. Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2001. №1(3). С. 5-9.
11. Урьяш В.Ф., КнязеваТ.Е., Извозчикова В.А., Кокурина Н.Ю., Иосилевич И.Н. Калориметрическое исследование фазового состава сополимеров бутил-метакрилата с метакриловой кислотой - связующего для трансдермальных терапевтических систем // Перспективные материалы. 1999. № 4. С. 46-50.
12. Чупрова С.В. Дис. ... канд. хим. наук. Нижний Новгород: ННГУ, 2003. 118 с.
PROPERTIES OF SOME NEW THERAPEUTIC SYSTEMS AND MATERIALS BASED
ON ACRYLIC COPOLYMERS
I.N. Kalashnikov, V.F. Uryash, V.M. Treushnikov, N. V. Pastukhova
The impact of synthesis procedure and molecular mass of an acrylic copolymer (used as a basis for production of antiburn cover materials and artificial intraocular lenses) on its physico-chemical properties has been studied. The comparison of the copolymer physico-chemical properties makes it possible to prompt an optimal composition and synthesis procedure of acrylic copolymers for producing therapeutic materials.
Keywords: acrylic copolymer, physicochemical properties, intraocular lenses, anti-burn materials.
