CC BY
11ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2000, том 42, № 6, с. 1016-1022
- СВОЙСТВА
УДК 541.64:532.72
КОВАЛЕНТНО-СШИТЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГЕЛИ НА ОСНОВЕ ГЧ-ВИНИЛКАПРОЛАКТАМА1
© 2000 г. И. В. Бакеева*, И. И. Пашкин*, Ю. Э. Кирш **, В. А. Тверской9", В. П. Зубов*
*Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
117571 Москва, пр. Вернадского, 86
** Государственный научный центр "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" 103064 Москва, ул. Воронцово поле, 10
Поступила в редакцию 02.11.1999 г. Принята в печать 12.01.2000 г.
Впервые радикальной полимеризацией гидрофобного Ы-винилкапролактама в воде в отсутствие ПАВ получены сферические гранулы сшитого гидрофильного полимера. Размер гранул можно регулировать путем введения в состав геля различных по структуре сшивающих агентов. Факторами, влияющими на способность гранул сорбировать воду, являются строение и количество сшивающего агента, а также температура, при которой происходит набухание. Установлено изменение скорости диффузии сорбата в процессе сорбции. Эффективная скорость диффузии молекул воды в геле заметно падает при температуре 40°С; это указывает на фазовый переход с частичным удалением воды из геля. Выявлено, что химическое сшивание, изменяя конформацию полимерной цепи, регулирует степень гидратации карбонильных групп поли-Ы-винилкапролактама.
Поли-И-винилкапролактам (ПВКЛ) - синтетический водорастворимый полимер, обратимо термоосаждаемый из водных растворов при температурах выше 33°С. Благодаря сочетанию свойств термочувствительности, гидрофильности, склонности к комплексообразованию со многими органическими соединениями и биологическими объектами, ПВКЛ и материалы на его основе представляют значительный интерес для различных областей науки и техники [1-3].
С учетом способности ПВКЛ к термоосаждению был предложен способ формирования неко-валентно сшитых гидрогелевых гранул путем дозированной подачи растворов полимера в растворы веществ, условно названных стабилизаторами, при 40°С [4]. Эти гранулы успешно использовали для включения клеток гибридом [5] и протеоли-тических ферментов [6].
В настоящей работе предложен способ получения химически сшитых гранул ПВКЛ и рассмотрены их сорбционные свойства. Обычно гидрогели получают полимеризацией в обратных эмульси-
1 Работа была выполнена при финансовой поддержке фонда
ЮТАБ (грант 93-2049).
ях вода-масло. В случае ПВКЛ, мономер которого слабо растворим в водной среде (<1% при 70°С), синтез гранул гидрогеля осуществляли гетеро-фазной полимеризацией в воде с использованием вещественного инициатора и без введения ПАВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Ы-винилкапролактам (ВКЛ), получаемый реакцией ацетилена с капролактамом [7], перегоня-
20
ли при 87°С в вакууме при давлении 2 гПа, пв = = 1.5133.
В качестве сшивающих агентов использовали дивинилбензол (ДВБ), смесь п- и т-изомеров в соотношении 60 : 40 и триэтиленгликольдиметакри-лат (ТГМ), которые очищали от стабилизаторов, пропуская через колонки с окисью алюминия.
Инициатор ДАК квалификации "ч." очищали двукратной перекристаллизацией из этилового спирта и сушили в вакууме (Гпл = 103°С).
Полимеризацию ВКЛ проводили в водной среде при 70°С в течение 5 ч. Синтезированные полимеры очищали от непрореагировавшего ВКЛ, промывая их подкисленной водой с рН 4.0. Дальней-
шую очистку полимера осуществляли его термоосаждением из раствора при 60°С. Надосадочную жидкость с растворенным в ней низкомолекулярным ПВКЛ декантировали. Процедуру повторяли несколько раз и заканчивали при отсутствии ПВКЛ в растворе. Степень очистки на всех стадиях контролировали спектрофотометрически.
Количество выделившегося золя О. рассчитывали по формуле
£> = (1 -т,//га0)х 100%,
где /поит, - массы сухого полимера до отмывки и сухого отмытого геля соответственно.
Отмытый от мономера и олигомерных продуктов гель сушили в вакууме до постоянной массы. Процесс набухания сухих гранул геля в воде проводили в интервале температур 4—40°С, помещая в термостатируемую ячейку-навеску исследуемого образца на пористом стеклянном фильтре. Регистрировали изменение массы геля во времени, проводя измерения через каждые 10 мин. Степень набухания гелей определяли по формуле
а = (т2 - т,)/т, (т1 ит2- массы сухого и набухшего геля).
Размер набухших гранул ПВКЛ определяли с помощью светового микроскопа марки МБС-10 при 56-кратном увеличении, усредняя результаты измерений не менее 100 гранул каждого образца. Среднечисленный ¿п и средневесовой ¿ш диаметры частиц рассчитывали по формулам
где Л/) - число частиц диаметра ¿¡.
Коэффициент полидисперсности частиц находили как отношение
К = <1к1с1п
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Реакция полимеризации
Водорастворимый ПВКЛ с М до 3 х 105 можно синтезировать радикальной полимеризацией ВКЛ в гомогенных средах. При этом в качестве растворителей используются спирты и другие органические
растворители, а температура составляет 60-80°С. Получение линейного ПВКЛ с М ~ 106 в водном растворе возможно лишь при радиационной полимеризации ВКЛ [3].
Вещественное инициирование полимеризации ВКЛ в водной среде приводит к образованию нерастворимого полимера. В этом случае при температуре 70°С, которая много выше температуры фазового разделения для системы ПВКЛ-во-да, реакция протекает гетерофазно и образуется редко сшитый коагулюм. Мы полагаем, что образование сшитого ПВКЛ происходит в результате отрыва протона от метиленовой группы, расположенной в а-положении по отношению к карбонильной группе. Структуру и частоту сетки в данном случае трудно контролировать.
С целью получения более густо сшитых гелей с контролируемой частотой сетки и улучшенными прочностными характеристиками их синтез был проведен в присутствии ДВЕ либо ТГМ. При этом концентрацию сшивателя с, определяемую как отношение числа молей сшивателя к числу молей мономера, варьировали от 0.13 х 10~2 до 0.1 моль/моль.
Диспергированный в воде ВКЛ образует неустойчивую эмульсию с размером капель более 10 мкм, которая расслаивается в течение 3 мин после прекращения перемешивания. Эмульсия, полученная перемешиванием смеси ВКЛ со сшивающими агентами в воде, по характеристикам аналогична эмульсии ВКЛ в воде. Введение сшивающих агентов заметно не изменяет межфазного натяжения в исходной системе. Это подтверждается тем, что времена жизни капель ВКЛ на межфазной границе для систем вода-ВКЛ (18.4 с) и вода-(ВКЛ + + ДВБ) (19.0 с) практически совпадают. Поскольку оба сшивающих агента, как и ВКЛ, практически не растворимы в воде, можно считать, что при диспергировании они находятся в каплях ВКЛ и впоследствии полностью входят в структуру образующейся ковалентной сетки.
Экспериментально выявлено, что существует критическая концентрация сшивающего агента с^,, ниже которой в условиях полимеризации ВКЛ в воде образуется только редко сшитый коагулюм. Введение в реакционную систему сшивающего агента в концентрации больше скр позволяет получать сферические гранулы гидрогеля ПВКЛ. Минимальная концентрация сшивающего агента, необходимая для образования отдельных гранул,
Таблица 1. Выход сетчатого полимера как функция концентрации сшивающего агента
с х 102, моль/моль Выход*, %
ПВКЛ-ДВБ ПВКЛ-ТГМ
1.3 56.5 -
2.0 70.3 60.9
3.3 81.0 78.0
4.7 80.1 -
6.7 - 80.0
10.0 - 97.9
* Время синтеза 3 ч.
Таблица 2. Состав гранул на разных стадиях полимеризации*
Система Время реакции,ч Содержание фракций, %
гель золь мономер
ПВКЛ-ДВБ 0.5 34.0 30.0 25.0
1.0 50.0 22.0 19.0
2.0 67.5 12.0 17.0
3.0 81.0 11.0 4.0
5.0 83.0 12.0 Следы
ПВКЛ-ТГМ 0.5 63.0 11.5 16.0
1.0 67.0 15.0 12.0
2.0 78.5 13.5 1.0
3.0 78.0 13.5 Следы
5.0 79.0 14.0 Нет
* При с = 3.33 х 10 2 моль/моль.
составляет 0.93 х 10~2 и 1.6 х 10~2 моль/моль для ДВБ и ТГМ соответственно.
За 5 ч, в течение которых проводится синтез, мономер расходуется полностью. Полимер, не вошедший в состав ковалентно сшитого геля, удаляется в процессе очистки (золь фракция). Выход
сшитого полимера увеличивается при повышении концентрации сшивающего агента (табл. 1). Исследования зависимости выхода полимера от времени (табл. 2) показали, что количество образующегося геля линейно возрастает в первые 2.5 ч, достигая предельного значения, а затем изменяется весьма незначительно.
Физико-химические свойства гидрогеля ПВКЛ
Исследования свойств полученных гранул геля были начаты с оценки их размера йп, который определяли в набухшем состоянии, так как при сушке сферическая форма гранул искажается. На рис. 1 представлены гистограммы распределения по размерам набухших в воде до состояния равновесия гранул ПВКЛ-ДВБ и ПВКЛ-ТГМ. Видно, что средние диаметры гранул отличаются почти в 3 раза. Они равны 2.08 и 0.74 мм для гранул ПВКЛ-ДВБ и ПВКЛ-ТГМ соответственно. При этом коэффициенты полидисперсности имеют значения 1.02 и 1.40. Различия в размере гранул можно, по-видимому, объяснить тем, что значительно более "гибкий" по своему строению ТГМ дает возможность макромолекулам ПВКЛ образовывать более плотные надмолекулярные структуры в условиях синтеза. Отметим, что больших колебаний в величинах среднего диаметра при изменении концентрации сшивающего агента любого типа не наблюдается, и отклонения находятся в пределах 15%. Следовательно, при прочих равных условиях размер гранул геля можно изменять путем введения сшивающего агента различной природы.
Был изучен процесс набухания в воде предварительно высушенных гранул. Температуру, при которой проводили набухание, варьировали от 4 до 40°С. Типичные кинетические кривые набухания представлены на рис. 2. Сравнение этих кривых показывает, что при одинаковой температуре как скорость набухания, так и равновесное содержание воды больше для геля ПВКЛ, сшитого ТГМ. При сшивании ПВКЛ с помощью ДВБ образуются короткие "жесткие" гидрофобные сшивки, ограничивающие не только количество сорбированной воды, но и изменения конформаций макромолекул ПВКЛ, которыми сопровождается процесс гидратации. Наблюдали, что независимо от природы сшивающего агента скорость сорбции воды и ее максимальное содержание в геле уменьшаются с повышением температуры. Это обусловлено усилением гидрофобных взаимодействий в геле с ростом температуры.
¿Ч/Щ,< 40-
20
(а)
Ш-
20
2.0
(б)
л 2'5 а, мм
10
И
0.5
1.0
1.5
й, мм
Рис. 1. Распределение по размерам для набухших гранул гидрогеля ПВКЛ-ДВБ (а) и ПВКЛ-ТГМ (б), с = 3.33 х 10~2 моль/моль.
Зависимость равновесной степени набухания от температуры для гелей, полученных при разных концентрациях сшивающих агентов, представлена на рис. 3. Поглощение воды гелями сопровождается образованием водородных связей между карбонильными группами капролактамо-вых циклов и молекулами воды и ослаблением гидрофобных взаимодействий внутри полимера. В первую очередь и с большей скоростью в гранулы проникает вода, занимающая ближнее окружение вокруг карбонильных групп ВКЛ (связанная вода). Вода, сорбированная на более поздних стадиях, не испытывает влияния карбонильных групп. Она по свойствам не отличается от воды в объеме. Это так называемая свободная вода.
Наличие нескольких конкурирующих процессов, сопровождающих диффузию воды в гель, отражается и на кинетике сорбции, что хорошо вид-
80 120 Время, мин
Рис. 2. Кинетические кривые сорбции воды гранулами геля ПВКЛ-ДВБ (а) и ПВКЛ-ТГМ (б) при 10°С. а: с х 102 = 1.3 (1), 2.0 (2), 3.3 (5) и 4.7 моль/моль (4); б: с х 102 = 2.0 (/), 3.3 (2), 6.7 (5) и 10 моль/моль (4).
но из кривых сорбции воды, представленных на рис. 4 в координатах Wx/W00 - т0-5, где и - количество сорбированной воды к моменту времени т и в равновесном состоянии соответственно. Тангенс угла наклона графиков, построенных в этих координатах, пропорционален коэффициенту диффузии и в отсутствие специфического взаимодействия сорбата с полимером не изменяется в процессе сорбции [8]. Как видно из рис. 4, в рассматриваемом случае тангенс угла наклона кривых - т°5 изменяется в процессе сорбции воды и зависит как от концентрации сшивающего
Г," С
Рис. 3. Температурная зависимость равновесной степени набухания гелей ПВКЛ (а), ПВКЛ-ТГМ (б), ПВКЛ-ДВБ (в), с х 102 = 0 (Г), 1.3(1, Г), 2.0 (2,2'), 3.3 (3,3'), 4,7 моль/моль (4').
агента, так и от температуры. Хотя абсолютные скорости поглощения воды сшитыми ПВКЛ гелями закономерно снижаются с повышением концентрации сшивающего агента, при этом уменьшается равновесное содержание воды в набухших гелях (рис. 2) и относительные скорости И^/И^ (рис. 4) увеличиваются.
Для начальной стадии сорбции воды характерны наиболее низкие величины коэффициента диффузии, что связано с необходимостью преодоления меж- и внутрицепных гидрофобных взаимодействий в геле. Уменьшение коэффициента диффузии на поздних стадиях сорбции связано, как отмечалось выше, с различием в скорости диффузий слабосвязанной и свободной воды. Из рис. 4а, 46 видно, что увеличение концентрации любого сшивающего агента приводит к росту коэффициента диффузии (тангенса угла наклона графика). По-видимому, уменьшение количества сорбированной воды при увеличении степени сшивания (рис. 3) происходит в первую очередь за счет уменьшения доли свободной воды, имеющей более низкий коэффициент диффузии. При этом возрастает относительный вклад коэффициента
диффузии связанной воды. В результате наблюдается рост суммарного коэффициента диффузии при увеличении степени сшивания.
Повышение температуры, как известно, способствует увеличению скорости диффузии молекул воды. В нашем случае угол наклона кривой И^ - х0 5 растет в интервале 10-35°С (рис. 4в, 4г). При 40°С эффективная скорость диффузии молекул воды в геле заметно падает. Это указывает на фазовый переход с частичным удалением воды из геля, который сопровождается конформаци-онным превращением участков цепей ПВКЛ [3]. В результате такого превращения изменяется расположение карбонильных групп, являющихся "мостиками" для перемещения молекул воды и соответственно становится иной структура транспортных каналов для воды.
Из данных рис. 3 следует, что гели ПВКЛ-ТГМ сорбируют в среднем в 1.5-2.5 раза больше воды, чем гели ПВКЛ-ДВБ при одинаковом содержании сшивающего агента. На примере гранул с ДВБ видно, что при достижении определенной степени сшивания (прямые 3' и 4') гели уже мало отличаются друг от друга по способности к сорбции воды. Практически все кривые на рис. 3 пересекаются в области 40°С, в которой исчезают различия в абсолютных значениях равновесной степени набухания для всех изученных гелей. В указанной области в гелях содержится ~ 8 молей воды на одно мономерное звено ПВКЛ.
Для сравнения на рис. 3 приведены данные для слабо сшитого геля ПВКЛ, который образуется в тех же условиях, что и рассмотренные гели, но без сшивающего агента. Для этого геля наблюдается наиболее сильная зависимость равновесной степени набухания от температуры, а минимальная величина а достигается при более высокой температуре. Известно, что при термоосаждении линейного высокомолекулярного ПВКЛ при температуре выше 60°С в нем остается -15-16 молей воды на звено ПВКЛ [3]. Это в 2 раза больше, чем минимальное содержание воды в сшитых гранулах гидрогеля. Отсюда следует, что химическая сшивка, изменяя конформацию полимерной цепи, регулирует степень гидратации карбонильных групп ПВКЛ.
Таким образом, впервые радикальной полимеризацией гидрофобного мономера в воде в отсутствие ПАВ получены сферические гранулы сшитого гидрофильного полимера. Размер его частиц можно регулировать путем введения в состав геля различных по структуре сшивающих агентов. По-
иуи^
Рис. 4. Кинетические кривые сорбции воды гранулами геля ПВКЛ-ДВБ (а, в) и ПВКЛ-ТГМ (б, г), а, б: Т = = 10°С, с х 102 = 1.3 (1), 2.0 (2), 3.3 (5), 10 моль/моль (4); в, г: с х 10* = 2.0 моль/моль, Т= 10 (7), 35 (2) и 40°С (5).
казано, что факторами, влияющими на способность гранул сорбировать воду, являются строение и количество сшивающего агента, а также температура, при которой осуществляется набухание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Galaev I. Yu., Во Mattiasson // Enzyme Microb. Tech-nol. 1993. V. 15. P. 354.
2. Кирш Ю.Э., Галаев И.Ю., Карапутадзе T.M., Map-голин АЛ., Сведас В.К. // Биотехнология. 1987. №2. С. 184.
3. Кирш Ю.Э. Полh-N-вииилпирролидон и другие по-ли-М-виниламиды. М.: Наука, 1998.
4. Кузькина И.Ф., Пашкин И.И., Марквичева ЕЛ., Кирш Ю.Э., Бакеева И.В., Зубов В.П. // Хим.-фар-мацевт. журн. 1996. № 1. С. 39.
5. Markvicheva ЕЛ., Kuzkina I.F., Pashkin /./., Plech-ko T.N., Kirsh Yu.E., Zubov V.P. // Biotechnol. Technig. 1991. V. 5. № 3. C. 223.
6. Марквичева ЕЛ., Бронин A.C., Кудрявцева H.E., Кузькина И.Ф., Пашкин И.И., Кирш Ю.Э., РумшЛЛ- Зубов В.П. // Биоорган, химия. 1994. Т. 20. № 3. С. 257.
7. Кононов Н.Ф., Островский СЛ., Устынюк ЛЛ. Новые технологии некоторых синтезов на основе ацетилена. М.: Наука, 1977.
8. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980.
1022
BAKEEBA h «p.
Thermoresponsive Covalently-Cross-Linked N-Vinylcaprolactam Gels
I. V. Bakeeva*, 1.1. Pashkin*, |Yu. E. Kirsh]**, V. A. Tverskoi* and V. P. Zubov*
*State Academy of Fine Chemical Technology, pr. Vernadskogo 86, Moscow, 117571 Russia
**Karpov institute of Physical Chemistry, State Scientific Center of the Russian Federation, ul. Vorontsovo pole 10, Moscow, 103064 Russia
Abstract—Spherical granules of a cross-linked hydrophilic poly(N-vinylcaprolactam) gel were obtained for the first time by the radical polymerization of hydrophobic N-vinylcaprolactam in water in the absence of surfactants. The size of granules can be controlled by introducing various cross-linking agents into the gel composition. Factors affecting the sorption ability of granules include the structure and amount of a cross-linking agent and the temperature of swelling. It was established that the rate of sorbate diffusion varies in the course of sorption. The effective diffusion rate of water molecules in the gel markedly decreases at a temperature of 40°C, which is indicative of a phase transition with a partial loss of water from the gel. The chemical crosslinks modify the chain conformation, thus controlling the degree of hydration of the carbonyl groups in poly(N-vinylcaprolactam).
