CC BY
33
Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №13 УДК541.64: 539.2: 537.5
С. Г. Карпова, А. Л. Иорданский А. А. Ольхов,
С. М. Ломакин, М. В. Мотякин, А. А. Попов, Г. Е. Заиков
УЛЬТРАТОНКИЕ ВОЛОКНА ПОЛИ(З-ГИДРОКСИБУТИРАТА) С ХИТОЗАНОМ, ПОЛУЧЕННЫЕ ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЕМ
Ключевые слова: ультратонкие волокна, метод ЭПР, времена корреляции.
Для изучения ультратонких волокнистых матриц поли(З-гидроксибутирата) (ПГБ) и смесевых композиций ПГБ с хитозаном были получены структурно-динамические параметры с использованием сканирующей электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и ЭПР спектроскопии. В данной работе были изучены волокна ПГБ с добавками хитозана от 0,05 до 0,5%. Установлено наличие в исследуемых волокнах морфологически различных аморфных областей. Показано, что при добавлении хитозана морфология волокнистых волокон ПГБ меняется, при этом наблюдается значительный рост энтальпии их плавления. Определены динамика спинового зонда ТЕМПО в этих областях и ее изменение при воздействии на исследуемые волокна температуры, водной среды и озона. Сделано предположение о механизме влиянии хитозана, температуры и окислительной агрессивной среды на структуру ультратонких волокон ПГБ.
Keywords: ultra-thing fibers, EPR method, correlation time.
The structural - dynamic parameters were obtained with the use of scanning electronic spectroscopy, differential scanning calorimetry and ESR - spectroscopy for the investigation of ultrathin fiber matrixes of poly(3-hydroxibutirate) (PHB) and blend compositions PHB with hitozan. The PHB fibers with hitozan additives 0,05 - 0,5% were investigated in this work. The existence of different morphological regions was established in the investigated fibers. It is shown that the morphology of PHB fibers is changing with the hitozan addition and the considerable growth of their melting enthalpy is observed. The dynamic of the spin probe in these regions and its change under the influence of temperature, water and ozone is determined. The supposition is made about the mechanism of hitozan, temperature and oxidation environment on the structure of ultrathin PHB fibers.
Введение
Материалам биомедицинского и
общетехнического назначения на основе ультратонких и наноразмерных волокон из биополимеров и биокомпозитов в настоящее время посвящено большое количество исследований [1-6].
По сравнению с традиционными методами получения полимерных волокон, метод электроформования (ЭФ) позволяет формировать волокна менее микрометра благодаря вытягиванию капли раствора или расплава, формируемой на конце капилляра, в поле действия механических и электростатических сил, приложенных к раствору или расплаву полимера [7-9]. Причем, изменяя характеристики формовочного раствора (электропроводность, вязкость), свойства полимера (молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение) и технологические параметры ЭФ (напряжение на электроде, расстояние между электродами, производительность), можно влиять на морфологию, поверхностные свойства, пористость и геометрию волокна [10].
В работах [11-14] были изучены физико-химические, динамические и транспортные характеристики пленочных и волокнистых биополимерных материалов на основе бактериального полиэфира поли(3-
гидроксибутирата) (ПГБ), которые предназначены для пролонгированной и адресной доставки лекарственных веществ в организм. Высокая биосовместимость, ускоренная биодеградация и удовлетворительные физико-механические
характеристики пленок и волокон ПГБ позволяют рассматривать этот полимер как один из наиболее
перспективных медицинских полимеров. ПГБ также широко применяется для разработки костных имплантатов, соединений нервных волокон, матриц при выращивании клеток и тканей, фильтров и ультрафильтрационных мембран, а также при конструировании элементов искусственного сердца и протезировании сосудов [11,15].
С целью программирования кинетики диффузионного транспорта лекарственных веществ, в настоящее время применяют комбини-рованные (композиционные или смесевые) материалы на основе ПГБ и других биополимеров. Такие системы вследствие своей гетерогенности создают многопрофильную динамику транспорта лекарственных веществ благодаря изменению структуры полимера в результате кристаллизации, пластификации и набухания, а также вследствии деградации одного из компонентов [16, 17].
Наиболее перспективными являются смеси на основе ПГБ и хитозана, представляющие собой амфифильные и полностью биорезорбируемые композиционные материалы с повышенной сорбционной емкостью и способностью реалиизовывать различные кинетические профили пролонгированного высвобождения лекарственного вещества в широком диапазоне времени (от недель до месяцев). Данные исследования проводили на пленочных матрицах ПГБ с содержанием хитозана от 10 до 90% [18, 19].
В настоящей работе мы рассмотрим влияние малых количеств хитозана на структурную организацию волокон на основе ПГБ, чтобы в дальнейшем выявить особенности диффузионных и деструктивных процессов, протекающих в гетерогенных системах. Используя метод
микрозондовой ЭПР спектроскопии, будет показано влияние воды и окислителя (озона) на структуру волокнистого материала ПГБ - хитозан, что позволит прогнозировать кинетику высвобождения лекарственного вещества, осложненную процессами деструкции одного из компонентов.
Объекты и методы исследования
Для получения пленок в работе использовали природный биоразлагаемый полимер
полигидроксибутират серии 16Б, полученный методом микробиологического синтеза компанией БЮМБЯ® (Германия). Исходный полимер представляет собой белый мелкодисперсный порошок с размером частиц 5-20 мкм. Средневязкостная молекулярная масса ПГБ: ММ = 2.06 105 г/моль, плотность: d = 1.248 г/см3, температура плавления:Тпл = 177°С, степень кристалличности: ~65%. Ультратонкие волокна ПГБ получали методом электроформования (ЭФ) [20]. Для получения волокон готовили формовочные растворы: ПГБ и ПГБ с хитозаном в хлороформе. Концентрация ПГБ в растворе составляла 7% масс. Содержание хитозана составляло 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5% масс. Растворы с хитозаном готовили с помощью ультразвуковой ванны. При этом размер частиц хитозана составлял 5-25 нм. Более подробное описание формования ультратонких волокон на основе ПГБ содержится в работе [21].
ЭПР спектры (Х-диапазона) регистрировались на автоматизированном ЭПР спектрометре ЭПР-В (ИХФ РАН, Москва). Значение микроволновой мощности в резонаторе, чтобы избежать эффектов насыщения, не превышало 7 мВт. При записи спектров амплитуда модуляции всегда была существенно меньше ширины резонансной линии и не превышала 0,5 Гс.
В качестве зонда использовали стабильный нитроксильный радикал 2,2,6,6-тетраметил-пиперидин-1-оксил (ТЕМПО). Радикал вводили в пленки из паров при температуре 500С. Концентрации радикала в полимере не превышала
10-3 моль/л.
Экспериментальные спектры спинового зонда в области медленных движений (т<10-10с) анализировали в рамках модели изотропного броуновского вращения с помощью программы, описанной в работе [22]. При моделировании спектров были использованы следующие главные значения g-тензора и тензора сверхтонкого взаимодействия (СТВ) радикала: gxx = 2.0096, gyy=2.0066, gzz=2.0025, Ахх=7.0 Гс, Л„,=5.0 Гс, Л22=35.0 Гс. Отметим, что величина А22 была определена экспериментально из ЭПР спектров нитроксильного радикала в полимере при 770 К и она не сильно отличается от значения, приведенного в работе [23].
Значения времени корреляции вращения зонда (т) в области быстрых движений (т<10-10с) определяли из спектров ЭПР по формуле [24]:
т = АН+[(1+/1-)0'5 - 1] 6,65 10-10, (1)
где ЛН+ - ширина компоненты спектра, расположенной в слабом поле, I+/L- отношение интенсивностей компонент в слабом и сильном поле, соответственно. Ошибка измерения т составляла ±5.
Воздействие водной среды на волокна ПГБ-хитозан вышеуказанных составов проводили при температуре 700.
Озонное окисление образцов проводили в атмосфере озоно-кислородной смеси с парциальной концентрацией озона 5 10-5 моль/л. Степень окисления определяли методом ИК- спектроскопии на спектрометре «Bruker IFS 48» (США) по изменению полосы поглощения карбонильной группы в области 1650 - 1700 см-1.
Исследование образцов методом ДСК было проведено на приборе DSC 204 F1 фирмы Netzsch в инертной среде аргона (Ar) со скоростью нагрева 10°С/мин. Средне-статистическая ошибка измерения тепловых эффектов составляла приблизительно ±3%. Энтальпия плавления была рассчитана по программе NETZSCH Proteus -Термический анализ 4.8.4 по стандартной методике [ASTM E793 : "Test method for enthalpies of fusion and crystallization by differential scanning calorimetry", Philadelphia, USA, Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry, Volume 3 - Applications to Polymers and Plastics, Stephen Z.D. Cheng ed. Elsevier, AmsterdamBoston-London, 2002, 859 p.]. Разделение пиков осуществлялось с помощью программного обеспечения NETZSCH Peak Separation 2006.01. Вычисления проводились комбинированным методом Гаусса-Ньютона, где метод Marquardt скомбинирован с оптимизацией длины шага итерации.
Геометрию волокнистых материалов исследовали методом электронной микроскопии с помощью сканирующего электронного микроскопа "Hitachi TM-1000" (Япония) при ускоряющем напряжении 20 На поверхность образца
нетканого волокнистого материала напыляли слой золота толщиной 100-200 À.
Экспериментальная часть
1. Влияние малых добавок на геометрические характеристики волокон
При электроформовании параметры полимерного раствора влияют как на морфологию получаемого ультратонкого волокна, так и на величину его диаметра [25]. Вариация среднего диаметра волокон позволяет создавать нетканые материалы с разной плотностью упаковки волокон, оптимальными механическими характеристиками и регулируемым состоянием поверхности. В случае медицинского применения фибриллярных материалов, в частности, при создании матриксов для клеточной инженерии, снижение диаметра волокна при одновременном росте плотности упаковки приводит к положительной динамике роста клеток [26-28].
в
Рис. 1 - Микрофотографии волокнистых материалов: ПГБ(А), ПГБ+0,1% хитозана (Б), ПГБ+0,2% хитозана (в)
Возможность влиять на диаметр ультратонкого волокна ПГБ путем изменения физико-химических характеристик раствора было описано в нашей предыдущей работе [27]. В данном случае электроформования был выбран 7% фор-мовочный раствор ПГБ в хлороформе как оптимальный вариант, что, прежде всего, связано с хорошей воспроизводимостью получения волокон и их оптимальным диаметром.
На рис.1 представлены микрофотографии волокнистых материалов, полученных методом СЭМ. Как видно из рис. 1 (А), средний диаметр волокон ПГБ находится в интервале значений 2-5 мкм. При смешении ПГБ и хитозана в формовочном растворе геометрия волокнистых материалов изменяется. По всей протяженности одиночных волокон появляются специфические утолщения, многочисленные узлы и расщепления (см. рис. 1 Б,В). В этом случае средний диаметр отдельного волокна, полученного из смеси ПГБ - хитозан по сравнению с волокном исходного ПГБ не меняется и также находится в интервале 2-5 мкм, тогда как малая ось элипсоподобных утолщений принимает значения в области 20 - 50 мкм. При этом, как хорошо показано на рисунке 1, с увеличением концентрации хитозана число подобных эллипсоподобных структур возрастает.
Геометрические изменения волокон однозначно определены влиянием ультрамалых
диспергированных частиц хитозана размером 5 - 15 нм, которые из-за несовместимости с молекулами ПГБ выполняют роль наполнителя, влияющего на вязкость и электропроводность формовочного раствора, и, следовательно, на процесс электроформования. Два принципиально важных явления определяют переход от вязкотекучей струи полимерного раствора к отвержденному волокну. Во-первых, это десорбция растворителя (хлороформа) из объема волокна и последующее его поверхностное испарение. Во-вторых,
кристаллизация полимера в отверждаемом волокне.
Проблема диффузии как основного механизма десорбции растворителя будет рассмотрена нами в дальнейших работах. Здесь же мы попытаемся ответить на вопрос: каким образом и в какой степени введение в систему хитозана изменяет ход кристаллизации основного компонента волокна -ПГБ.
2. Термофизические характеристики
Вклад кристаллической фазы в процесс структурообразования волокна был исследован методом ДСК. С этой целью были получены
термограммы волокон ПГБ в области его плавления при достаточно низких концентрациях минорного компонента - хитозана: 0,05 до 0,5 мас. %. Серия экспериментов с образцами различного состава показала, что при первом температурном сканировании все они имеют схожие по форме термограммы с одним максимумом, который соответствует температуре плавления ПГБ. Однако положения этих максимумов на температурной шкале смещены относительно температуры плавления исходного ПГБ (1770С). Так при добавлении даже самой низкой концентрации хитозана (0,05%) температура плавления ПГБ снижается до —171 0С, и при дальнейшем росте содержания этого минорного компонента остается практически постоянной: 1720С (при 0,1%), 1730С (при 0,3%), 1720С (при 0,5% хитозана). Исключение составляла смесевая композиция ПГБ/хитозан процентного состава 99,8/0,2 %, для которой наблюдалась неожиданно высокая температура плавления, 1790С, близкая к температуре плавления исходного ПГБ. Постоянство температур плавления смесевых композиций в области низких концентраций хитозана свидетельствует об отсутсвии совместимости полимерных
компонентов, т.е. о крайне слабых межмолекулярных взаимодействиях в волокне. Вместе с тем, если принять во внимание результат общего падения температур плавления ПГБ приблизительно на 50С можно допустить, что даже достаточно низкие концентрации минорного компонента (хитозана) приводят к изменению кристаллической организации основного волокнообразующего полимера - ПГБ.
:0 100 120 140 160 180 200
Температур а (°С )
Рис. 2 - Термограмма ПГБ с 0,3% хитозана
Общий вид термограмм этих же образцов, подвергнутых повторному температурному сканированию (нагреву) в ячейке ДСК спектрометра, принципиально отличается от термогамм волокон аналогичного состава, полученных при первом нагреве. В результате
повторного нагрева каждого из смесевых образцов одиночные максимумы плавления переходят в максимумы бимодальной формы как это показано на рис.2, где в качестве примера приведены типичные термограммы плавления волокна ПГБ, включающего 0,1% хитозана. Исключение составляют исходный образец ПГБ и все тот же "аномальный" образец волокна с содержанием 0,2% хитозана. В волокнах, содержащих 0,2% хитозана, обе термограммы после первого и второго нагрева практически идентичны по форме. Обе они имеют хорошо разрешенный одиночный пик, который соответствует температуре плавения ПГБ, и занимают одинаковое положение на температурной шкале (1790С), но несколько различаются по величине удельной энтальпии плавления 84,3 и 80,7 Дж/г, соответственно, для первого и второго температурного сканирования.
Кроме того, высокотемпературные пики плавления кристаллического полимера при втором сканировании смещаются на величину от 2,4 до
120С в область более низких температур, что свидетельствует о значительном нарушении исходной упорядоченной структуры кристаллов ПГБ в волокне в результате их плавления и последущего охлаждения образца до комнатной температуры в соответствии с процедурой получения термограмм ДСК. Изменения термофизических характеристик при повторном температурном сканировании, вероятнее всего, связано с тем, что в результате 1-го нагрева до ~ 185 0С образцы подвергались плавлению, а при последующем охлаждении структура волокна не восстанавливается и не достигает своей исходной ориентации и анизотропии, что сопровождается нкоторым падением кристалличности
(уменьшением удельной энтальпии плавления), а также ухудшением организации его
кристаллической фазы (общим снижением температур плавления на 9-12 0С), см. табл. 1.
Таблица 1 - Энтальпия (АН) и температура плавления (Т„л) ультратонких волокон смесей ПГБ с хитозаном, исследованных методом ДСК
Первое сканирование
ПГБ ПГБ+0,05% хит. ПГБ+0,1% хит. ПГБ+0,2% хит. ПГБ+0,3% хит. ПГБ+0,5% хит.
Т 0С Апл ^ АН Дж/г Тпл. 0С АН Дж/г Тпл. 0С А пл. ^ АН Дж/г Т 0С А пл. ^ АН Дж/г Тпл. 0С АН Дж/г Тпл. 0С пл. АН Дж/г
1770 67,3 1710 72,0 1720 79,2 1790 84,3 1730 74,2 1720 75,2
Второе сканирование
174,60 66,5 158,70 144,90 72,7 1630 1490 78 1790 80,7 1610 и147,40 73,4 1630 и1500 74,0
Температуры кристаллизации
Т Т кр Ткр кр Т А кр Т кр Т кр
720 75,80 690 830 67,90 740
Энтальпия плавления образцов после отжига при 1400 Первое сканирование
ПГБ ПГБ+0,05% хит. ПГБ+0,1% хит. ПГБ+0,2% хит. ПГБ+0,3% хит. ПГБ+0,5% хит.
Т пл АН Т пл АН Т пл АН Т АН Т пл АН Т пл АН
170,6° 95,74 178,50 104,4 169,40 84,37
Удельная энтальпия плавления кристаллической фазы (АН), расчитанная путем интегрирования термограмм 1-го сканирования в области фазового перехода ПГБ, также меняется при добавлении хитозана в ПГБ. Так, если АН волокна, полученного на основе исходного ПГБ, составляет 67,3 Дж/г, то при добавлении 0,05% хитозана эта величина возрастает на 7% (72,0 Дж/г), введение в ПГБ 0,1 % хитозана приводит к возрастанию данного теплового эффекта на 17,7% (79,2 Дж/г), в ПГБ с 0,2% хитозана - на 25% (84,3 Дж/г), в ПГБ с 0,3% хитозана - на 10% (74,2 Дж/г) и в ПГБ с 0,5% хитозана - на 11,8% (75,2 Дж/г). Таким образом, введение хитозана в волокно в интервале низких концентраций приводит к заметному росту удельной
энтальпии плавления ПГБ, причем ее максимальные значения наблюдаются для фибриллярных образцов с содержанием хитозана 0,2%. При последующем увеличении концентрации хитозана в системе значения удельной энтальпии плавления замедляют свой рост и даже несколько снижаются, что достаточно наглядно отражено на рис.3.
Повторное температурное сканирование, для всех образцов, приводит к заметному общему снижению величины АН в области высокотемпературного пика, однако с учетом величины этой характеристики, принадлежащей 2-му (низкотемпературному) пику суммарная энтальпия, рассчитанная из площадей обоих пиков не сильно отличается от соответствующих величин
исходного волокна (см. Табл. 1). Бимодальное распределение кристаллической фазы ПГБ в волокне наблюдалось ранее и для смесевых пленок ПГБ-хитозан, что объяснялось возникновением двух типов кристаллитов ПГБ: с более совершенной, хорошо организованной укладкой полимерных цепей и менее организованных, более дефектных кристаллов.
При интерпретации результатов ДСК можно допустить, что рост удельной энтальпии плавления волокна в результате введения минорного компонента, хитозана, обусловлен тем, что данный компонент способствует усилению процесса зародышеобразования и возрастанию числа центров гетерогенной кристаллизации ПГБ. Рост концентрации таких центров приводит к образованию множества кристаллитов малого размера, которые в результате меньших стерических ограничений в процессе их роста образуют более совершенную кристаллическую фазу по сравнению с кристаллической фазой волокна ПГБ, не содержащего хитозан. Как показывают результаты ДСК, различия в степени кристалличности в наиболее благопрятной ситуации, а именно при концентрации наночастиц хитозана в волокне равном 0,2% могут достигать 25%.
Таким образом, анализ термофизических данных, включающий изменение температур плавления и величины АН, позволяет сделать заключение об увеличении степени
кристалличности ПГБ в смесевых композициях по сравнению с кристалличностью исходного ПГБ во всем исследованном интервале концентраций хитозана от 0,05 до 0,5 %. Вместе с тем, зависимость АН волокна от состава имеет максимум при концентрации хитозана равной 0,2%. Дальнейшее снижение энтальпии плавления, отражающее уменьшение степени кристалличности ПГБ становится более заметным при дальнейшем росте содержания хитозана в смеси и как было нами показано ранее в работе [18] кристалличность ПГБ может достигать 30% при концентрации хитозана 80%. Обнаруженный на начальном участке концентраций хитозана рост кристалличности сопровождается некоторй потерей качества образуемых кристаллитов, что находит свое отражение в снижении температур плавления (171-1730С) по сравнению с волокном из чистого ПГБ (177 0С).
3. Изучение динамики и стркутуры
Хорошо известно, что ПГБ относится к классу высококристаллических полимеров. Поэтому справедливо допустить, что структурная организация межкристаллитного пространства этого полимера, которое часто называют аморфным, что не всегда корректно, непосредственно связана с организацией и типом кристаллической структуры как посредством пространственной организации проходных цепей, так и при размещении молекулярных клубков, испытывающих
конформационные пространственные затруднения в достаточно узком межкристаллическом
пространстве. В следствии этого, при добавлении малых концентраций хитозана к ПГБ рост степени кристалличности и изменение размеров кристаллов, т. е. уменьшение межкристаллитного пространства в единичной фибрилле, должен привести к изменению структурного и динамического состояния некристаллизующихся областей.
ДН, Дж/г
0.1 0.2 0.3
С хитозан,%
Рис. 3 - Сравнительные характеристики волокон на основе смеси ПГБ-хитозан. 1 - общая концентрация радикала в волокне, 2 - удельная теплота плавления ПГБ, 3 - процентное содержание плотных областей в межкристаллитном пространстве ПГБ при различной концентрации хитозана, выраженной в % массы
Состояние структуры и сегментальной динамики этих областей наиболее удобно исследовать микрозондовым методом ЭПР с использованием стабильных радикалов. ЭПР спектры радикала (ТЕМПО) в ПГБ имеют сложный вид и представляют суперпозицию двух спектров, соответствующих двум популяциям радикалов с различающимися временами корреляции Х1 и т2, где XI характеризует молекулярную подвижность в менее плотных, а т2 в более плотных межкристаллитных областях (рис. 4).
Оценка соотношения концентраций различных по плотности областей была проведена путем математической обработки спектров, используя специальную прграмму №Ь8Ь, аналогично процедуре, описанной ранее в работе [23]. Соответствующие расчеты показали, что доля плотных областей в межкристаллитном пространстве ПГБ существенно превосходит долю менее плотных. В исходном ПГБ она составляет 95%, в ПГБ с 0,05% хитозана - 97%, с 0,1% хитозана - 99 %, с 0,2% хитозана - 99,5%, с 0,3% хитозана -99% и с 0,5% хитозана - 82%. Более наглядно эти результаты отражены в предыдущем разделе на рис.3, где они сопоставлены с удельными теплоемкостями плавления ПГБ. Как видно из рисунка 3 доля плотных областей в смесевых композициях с ростом концентрации хитозана возрастает и достигает своего максимума в волокнах ПГБ с 0,2%-ным содержанием хитозана. Аналогичным образом меняется и удельная энтальпия плавления ПГБ, отражающая степень его кристалличности, что обсуждалось в предыдущем разделе 2.
100
100
а
90
90
80
80
70
70
60
60
10
18
Со 10
К
0.0
0А
0.5
3280 3300 3320 3340 3360 3380 3400
Рис. 4 - Экспериментальные и теоретические спектры ЭПР нитроксильного радикала ТЕМПО в ПГБ с 0,2% хитозана
В ходе изменения концентрации плотных межкристаллитных областей ПГБ в них происходит соответствующее снижение подвижности радикала, что непосредственно свидетельствует о замедлении сегментальной подвижности ПГБ. Так, используя указанную выше программу, мы рассчитали времена корреляции быстрой и медленной составляющих вращения радикала. Для медленной составляющей наблюдаются значительные изменения значений т2, т.е. величина данного параметра увеличивается с ростом содержания хитозана в волокне (рис. 5), что свидетельствует о замедлении молекулярной подвижности радикала и, соответственно, снижении сегментальной подвижности цепей ПГБ.
(зависимость а2 на рис.3) и величиной времени корреляции (динамическая характеристика) наблюдается прямое соответствие, которое указывает на значительное замедление молекулярной подвижности в межкристаллитном пространстве ПГБ. Объяснением наблюдаемого эффекта могут служить два аргумента. С одной стороны, рост степени кристалличности сопровождается повышением доли плотных областей на границе кристалл-межкристаллитная область. Для данной серии образцов самая низкая кристалличность наблюдалась в образцах ПГБ. Именно в этом полимере была зарегистрирована наиболее высокая молекулярная подвижность и, дополнительно, по расчетам с помощью програмного обеспечения NLSL в данном фибрилярном образце существует наиболее низкая доля плотной аморфной фазы (а2).
Дополнительно к динамическим измерениям, для обработки и количественной интерпретации данных, полученных методом ЭПР-спектроскопии использовали програмное обеспечение фирмы "Bruker"-"winer" and "simfonia". С помощью этой программы были получены значения равновесной концентрации радикала, сорбированного в одинаковых по массе образцах волокна на основе композиции ПГБ-хитозан (результаты расчета представлены на рис.3). Наиболее заметно прирост концентрации радикала наблюдается при максимальном содержании хитозана (при 0,3% и 0,5%), а именно, в образцах которые содержат 8,1-10 и 11,5-1018 спин/г, соответственно. Последняя концентрация приблизительно в два раза превосходит эту же концентрацию в исходном ПГБ (6,1-1018 спин/г). Возрастание содержания радикала в фибриллярной системе находится в прямом соответствии с началом снижения удельной энтальпии плавления ПГБ, т.е с падением его степени кристалличности (рис.3) и, в соответствии с ростом объемной доли межкристалитных областей.
Энтальпия плавления, Дж/г
:Время
корреляции х109, с
0.1 0.2 0.3 0.4
Концентрация хитозана в волокне, %
Рис. 5 - Зависимости удельной энтальпии плавления (•) и времени корреляции от содержания хитозана в волокнах смесевой композиции на основе ПГБ (■)
Таким образом, как показывают рисунки 3 и 5, в интервале концентраций от 0 до ~ 0,2-0.3% хитозана между содержанием кристаллической фазы ПГБ (структурная характеристика), изменением состояния межкристаллических областей
=Т 30-
/7
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Концентрация хитозана, мас.%
Рис. 6 - Зависимость энергии активации вращения зонда в волокнах ПГБ, содержащих различные концентрации хитозана
Дополнительная информация о динамическом поведении фибрилярной системы ПГБ-хитозан различного состава была получена при исследовании температурной зависимости скорости
3 3
3 34 0
3 3 6 0
о 60
2 50
ср 40-
:г 20-
10
0.0
U.5
0
вращения радикала и определении соответствующих энергий активации (Ет). Характерной особенностью функции Ет от процентного содержания хитозана в ПГБ является резкое отличие значений этих характеристик для смесевых композиций от характеристики исходного ПГБ, см. соответствующий рис. 6. Столь резкий переход значений энергии активации вращения зонда при введении хитозана вероятно связан не только с ростом кристалличности системы (рост удельной энтальпии плавления см. таблицу 1), но и с изменением состояния межкристаллитной полимерной фазы, где, как уже сообщалось ранее, наблюдалось увеличение содержания более плотных областей.
Практическое отсутствие зависимости Ет от состава системы свидетельствует о том, что небольшое изменение концентрации
кристаллической фазы в волокне не меняет принципиально механизм вращательной
подвижности радикала. Однако при сравнении подвижности зонда в чистом ПГБ и в его смеси с хитозаном целесообразно отметить еще раз, что введение хитозана в фибрилярную матрицу ПГБ оказывает влияние на механизм его кристаллизации. В этом случае режим зародышеобразования переходит от гомогенного к гетерогенному и появление большего числа мелких кристаллов в композиции ПГБ-хитозан существенным образом влияет на межкристаллитные области полимера, создавая здесь дополнительные стерические ограничения вращению радикала, распределенного в этих областях.
4. Влияние температурного фактора
Хорошо известно, что термичесая обработка полимерных образцов при умеренных или повышенных температурах, в интервале существенно ниже температуры плавления (для ПГБ —1770С), снимает ряд внутренних напряжений и способствует их дополнительной кристаллизации.
■ 201510-
га
! 2 /' .......• ......
......А 'X
...----а-......;;.....—4...... ..:;;;.................
♦.....♦ ♦ .................
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Концентрация хитозана, мас.%
Рис. 7 - Концентрационная зависимость эффективных времен корреляции при различных временах прогрева 0 ч (1), 0,5 ч (2), 1 ч (3) и 2 ч (4). Пунктирные кривые отражают обработку результатов по программе Origin 8 как полиномиальная аппроксимация
В этой связи был проведен изотермический прогрев волокон ПГБ-хитозан различного состава (отжиг) при температуре 140 0С в при различных временах от 0 до 120 минут. Для каждого образца, подвергнутого термическому воздействию, были получены динамические характеристики в виде концентрационных зависимостей времен релаксации, что представлено на рис.7.
Данный рисунок показывает, что с увеличением концентрации минорного компонета значения времен корреляции (тс) во всех композициях, исключая исходный ПГБ, достигают максимума в области 0,25 -0,3 % хитозана, а затем проявляют тенденцию к снижению данной динамической характеристики. Наиболее четко этот максимум проявляется в образцах, подвергнутых прогреву в течении малых времен (кривая 2), а при относительно больших временах воздействия температуры высота максимума снижается и разница между значениями тс для образцов, прогретых более часа (кривые 3 и 4) становится менее заметной. Последний результат связан с приближением полимерной структуры ПГБ к равновесному состоянию. Слабая концентрационная зависимость тс свидетельствует также о снижении влияния минорного компонента (хитозана) на межкристаллические области ПГБ. Роль межмолекулярных водородных связей здесь практически ничтожна из-за низкой концентрации аминных и гидроксильных групп, принадлежащих хитозану. Кроме того, возрастание подвижности радикала в системе по мере увеличения длительности прогрева (кривые 1, 2 и 3) показывает, что в этом случае следует ожидать разупорядочивания межкристаллических областей либо за счет снижения общей кристалличности ПГБ, либо в результате перераспределения областей с более и менее плотной организацией макромолекул в межкристаллитном пространстве. ДСК термограммы отоженных образцов (140 0С, 1 час) показывают заметный рост удельной теплоты плавления ПГБ от 72 до 96 Дж/г при 0,05%; от 84 до 105 Дж/г при 0,2% и от 75 до 85 Дж/г при 0,5 % хитозана. Эти результаты дают возможность полагать, что дополнительная кристаллизация при прогреве осуществляется за счет макромолекул, расположенных в более плотных областях некристаллической фазы ПГБ. В таком случае в межкристаллитном пространтсве можно ожидать относительное увеличение концентрации менее упорядоченной аморфной фазы и переход (вытеснение) радикала из более плотных в мене плотные области, что приводит к возрастанию подвижности вращения зонда и соответствующее этому эффекту снижение значений тс, как это показано на рис 7.
5. Оценка воздействия водной среды
С целью оценки влияния водной среды на ультратонкие волокна смесевой композиции ПГБ-хитозан были получены спектры ЭПР образцов, экспонированных в дистилированной воде при повышенной температуре, равной 70 0С. Результаты
90
75
60
расчета времен корреляции (тс), представленные на рис. 8, где показано изменение их значений от времени экспозиции при различном сотношении компонентов в смеси.
1 ,6
1 ,4 -
1 ,0 -0,80,60,4- ■
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Время экспозиции , ч
Рис. 8 - А. Зависимость времени корреляции молекулярного зонда ТЕМПО от длительности экспозиции фибрилярных образцов в водной среде. Цифрами обозначены кинетические кривые, принадлежащие образцам с различным содержанием хитозана: 1 (0%), 2 (0,1%), 3(0,2), 4(0,3%) и 5(0,5%). Б. Кинетическая зависимость относительных спектральных характеристик (1+Л_), отражающих соотношение более и менее плотных областей межкристаллитного пространства в фибриллах ПГБ при 0,5% содержании хитозана
Интересно сопоставить времена корреляции образцов, полученных в результате комбинированного воздействия воды и температуры с аналогичными характеристиками образцов, подвергнутых только температурной обработке (см. предыдущий раздел 4 и соответствующий рисунок 7). Как видно из рисунка 8 воздействие воды на динамическое поведение радикала в различных смесевых композициях приводит к противоположной тенденции, а именно, здесь наблюдается весьма существенное замедление его вращения по мере того как в системе увеличивается концентрация хитозана.
Ранее в работе [18] было показано, что для пленочных образцов смешение хитозана с ПГБ приводит к гидрофилизации системы, ее сорбционная емкость, благодаря высокому сродству воды к молекулам данного полисахарида, резко возрастает, что одновременно приводит к усилению пластифицирующего действия воды на ПГБ. В этом случае экспоненциально возрастают коэффициенты диффузии воды и низкомолекулярных лекарственных соединений. По-видимому, аналогичные процессы возникают в волокнах на основе смеси ПГБ-хитозан. Пластифицирующее действие воды, наиболее интенсивно
реализующееся в межкристаллитном пространстве ПГБ, в комбинации с повышенной температурой создают благоприятные условия для завершения его дополнительной кристаллизации и, следовательно, к более упорядоченному состоянию
межкристаллитных областей. После удаления воды высокористаллическое состояние ПГБ
"замораживается" и вращение радикала в уплотненных областях замедляется, следствие чего наблюдается резкое увеличение времен корреляции. Снижение скорости вращения радикала тем значительней, чем выше содержание хитозана в системе, что хорошо согласуется с нашими динамическими и диффузионными результатами, полученными для пленочных композиций ПГБ-полиуретан [12] и ПГБ-хитозан [18].
Еще одна особенность динамического поведения радикала в ультратонких волокнах проявляется в виде максимумов на кинетических кривых времен корреляции, которые в бльшей или меньшей степени наблюдаются для всех исследуемых образцов. Все максимумы принадлежат одному и тому же временному интервалу, приблизительно в диапазоне 40-45 минут, и не зависят от содержания хитозана в системе. Возможное объяснение данного эффекта заключается в том, что на начальном этапе водно-температурного воздействия доля плотно упакованных молекул ПГБ в межкристаллитных областях увеличивается, часть из них в дальнейшем перейдет в кристаллы. Большая часть радикалов, как и в случае отжига (см. предыдущий раздел), вытесняется из более плотных областей и перемещается в менее плотные области, что приводит к переходу от более медленного к более быстрому режиму вращения радикала. При фиксированной температуре и влажности образца скорость поступательной диффузии радикала из областей одного типа в области другого типа приблизительно постоянна, что объясняет постоянство максимума на шкале времени в процессе водно-температурной экспозиции волокон.
Таким образом, воздействие температуры и времени выдержки в водной среде на ультратонкие волокна, согласно динамическому поведению радикала, наиболее сильно влияет на структуру межкристаллитных областей ПГБ. Изменения значений тС при таком воздействии указывает на рост жесткости макромолекул, которая возрастает с ростом концентрации хитозана, что обусловлено ростом доли упорядоченных цепей в межкристаллическом пространстве. В качестве критерия жесткости цепей полимера как и в предыдущей работе [3] мы предлагаем использовать конформационный критерий к/Ь, где к -среднее расстояние между концами цепей, а Ь - контурная длина цепи [29], а также динамический критерий в виде уже представленных на рис.8Б отношений интенсивностей спектров ЭПР (1+/1-), которые находятся в прямом сответствии с отношением
более и менее плотных областей
межкристаллитного пространства ПГБ.
Представленная кинетическая кривая
демонстрирует постоянную скорость
перераспределения между плотными и менее плотными областями кристаллизующегося ПГБ, что дает дополнительную аргументацию для объяснения стабильного положения максимумов на кинетических кривых рисунка 8А.
6. Воздействие озона на динамику вращения радикала в волокнах композиции ПГБ-хитозан
В общем случае при использовании биомедицинских материалов одновременно с механическим и температурным воздействием на их структуру и сегментальную подвижность оказывает влияние озон. Здесь следует указать два источника его появления в атмосфере . Во-первых, озон образуется при работе мощных электрических приборов, обеспечивающих жизнедеятельность пациентов как в процессе хирургических операций, так и притерапии или мониторинге в стационаре. Во-вторых, озон в некоторых частных случаях продолжает использоваться при стерилизации медицинских изделий. Не смотря на повседневный контакт данного агрессивного соединения с полимерами, его влияние на их морфологические и динамические характеристики остается мало исследованной областью полимерного
материаловедения.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
содержание хитозана, %
Рис. 9 - Влияние времени озонолиза на динамику вращения радикала в фибриллярных образцах ПГБ с различным содержанием хитозана
На рис. 9 представлены зависимости времени корреляции вращения зонда от концентрации хитозана в волокне при разной выдержки в озоно-кислородной смеси. Из рисунка видно, что в пределах изучаемого времени наиболее сильное воздействие озон оказывает на смесевые композиции волокон ПГБ с 0,05% и 0,5% хитозана, наиболее слабое - на исходный ПГБ. С ростом времени воздействия озона на полимер значительно увеличивается время корреляции во всех изучаемых полимерах. Вкратце, изложим возможную гипотезу, объясняющую полученные результаты.
Согласно литературным данным [30], под действием данного агрессивного в первую очередь деструктируют складки на торцевых поверхностях кристаллитов, т.к. они представляют наиболее напряженные участки полимерных цепей. При озонировании параллельно с химическим процессом разрыва полимерных связей происходит
физико-химическое структурирование
макромолекул и образование системы водородных связей. В процессе озонолиза представленные на рис. 9 изменения значений тС, по нашему мнению, связаны с преобладающим влиянием процессов физической сшивки макромолекул, когда накопление кислородсодержащих групп в боковых цепях увеличивают межмолекулярное
взаимодействие между сегментами и, как следствие, замедляют их молекулярную подвижность , что и проявляется как рост времени корреляции зонда.
Наличие максимумов на концентрационных кривых параметра тС и возрастание их высоты с увеличением времени озонолиза вновь можно объяснить ростом концентрации
высокоупорядоченных проходных цепей в межкристаллитных областях ПГБ и переаспределнием радикала из областей с большей плотностью в области с меньшей плотностью. Дальнейшее увеличение времен корреляции связано с ростом концентрации продуктов озонолиза (концентрации кислород-содержащих групп) и, как следствие, с нарастанием жесткости полимерных молекул в результате формирования сетки водородных связей, которая препятствует свободному движению сегментов ПГБ.
Заключение
Взаимное влияние кристаллических и межкристаллических, (условно аморфных) областей в биоразлагаемых высококристаллических полимерах и их композициях остается достаточно сложной, мало изученной проблемой современного полимерного материаловедения. В данной работе на основе структурно-динамических исследований, сочетая методы ЭПР и ДСК, мы представили результаты влияния кристаллизации на сегментальную подвижность молекул ПГБ в межкристаллических областях ультратонких волокон. Введение малых концентраций хитозана, существенно меньше 1%, приводит к заметным изменениям кристаллической организации ПГБ, и как отклик на изменение кристаллической фазы нами было зарегестрировано изменние динамики вращения зонда в межкристаллических областях. Исследования состояния полимерной матрицы и роль минорного компонента, хитозана, впервые позволили интерпетировать на молекулярном и кристаллическом уровнях воздействие ряда агрессивных факторов (таких как температура, водная среда и озон) на структурно-динамические характеристики волокон смесевой композиции ПГБ-хитозан.
Литература
1. Mota C., Puppi D., Dinucci D., Gazzarri M., Chiellini F. Additive manufacturing of star poly(s-caprolactone) wet-spun scaffolds for bone tissue engineering applications // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2013. V. 28. P. 320-340.
2. Vashisth P., Nikhil K., Pemmaraju S. C., Pruthi P. A., Mallick V., Singh H., Patel A., Mishra N. C., Singh R. P., Pruthi V. Antibiofilm activity of quercetin-encapsulated
cytocompatible nanofibers against Candida albicans // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2013. V. 28. P. 652-665.
3. Karpova S.G., Iordanskii A.L., Motyakin M.V., Ol'khov A.A., Staroverova O.V., Lomakin S.M., Shilkina N.G., Rogovina S.Z., Berlin A.A. Structural-Dynamic Characteristics of matrixes based on ultrathin poly(3-hydroxybutyrate) fibers prepared via electro spinning // Polymer Science, Ser. A. 2015. V. 57. No. 2. P. 131-138.
4. Wang Z., Sun B., Zhang M, Ou L., Che Y., Zhang J., Kong D. Functionalization of electrospun poly(s-caprolactone) scaffold with heparin and vascular endothelial growth factors for potential application as vascular grafts // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2013. V.28. P. 154166.
5. Hung C.-H., Leung W. W.-F. Filtration of nano-aerosol using nanofiber filter under low Peclet number and transitional flow regime // Separation and Purification Technology. 2011.V. 79. No. 1, P. 34-42.
6. Banica F.-G. Chemical Sensors. Biosensors, Fundamentals an Applications. New York: Wiley, 2012.
7. Kulkarni A., Bambole V.A. Mahanwar P.A. // Polym.-Plast. Techn. Eng. 2010. V. 49. № 5. Р. 427.
8. Dvir T., Timko B.P., Kohane D.S., Langer R. // Nature Nanotechn. 2011. V. 6 № 1. P. 13.
9. Raghavan P., Lim D.-H., Ahn J.-H., Nah Ch., Sherrington D.C., Ryu H.-S., Ahn H.-J. // React. Funct. Polym. 2012. V. 72. P. 915.
10. Baji A., Mai Y.-W., Wong S.-C., Abtahi M., Chen P. // Comp. Sci. and Techn. 2010. V. 70. Р. 703.
11. Ol'khov A.A., Markin V.S., Kosenko R.Yu., Gol'dshtrakh M.A., Iordanskii A.L. Influence of the film forming procedure on the interaction in polyhydroxybutyrate-polyurethane blends // Russian Journal of Applied Chemistry. 2015. V. 88. No. 2. P. 308-313.
12. Карпова С.Г., Иорданский А.Л., Чвалун С.Н., Щербина М.А., Ломакин С.М., Шилкина Н.Г., Роговина С.З., Маркин В.С., Попов A.A., Берлин А.А. // Докл. РАН. 2012. Т. 446. № 5. С. 1.
13. Bonartsev A.P., Livshits V.A., Makhina T.A., Myshkina V.L., Bonartseva G.A., Iordanskii A.L. // Expr. Polym. Lett. 2007. V. 1. № 12. P. 797.
14. Ivantsova E.L., Kosenko R.Yu., Iordanskii A.L., Rogovina S.Z., Prut E.V., Filatova A.G., Gumargalieva K.Z., Berlin A.A., Novikova S.P. // Polymer Science. Series A. 2012. Т. 54. № 2. С. 87.
15. Ueda H., Tabata Y. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2003. V. 55. P. 501.
16. Иорданский А.Л., Панкова Ю.Н., Косенко Р.Ю., Ольхов А.А. Транспорт воды как структурно-чувствительный процесс, характеризующий морфологию биодеградабельных полимерных систем. //
в книге «Химическая и биологическая кинетика. Новые горизонты». М.: Химия, 2005, т. 1, с. 640 - 657
17. Pankova Yu.N., Shchegolikhin A.N., Iordanskii A.L., Zhulkina A.L., Ol'khov A.A., Zaikov G.E. The characterization of novel biodegradable blends based on polyhydroxybutyrate: The role of water transport // Journal of Molecular Liquids. 2010, v. 156, Issue 1, рр. 65-69
18. Иванцова Е.Л., Иорданский А.Л., Косенко Р.Ю., Роговина С.З., Грачев А.В., Прут Э.В.. // Доклады Академии наук, разд. «Физическая химия». 2010. Т. 431. С. 500-502.
19. Иванцова Е.Л., Косенко Р.Ю., Иорданский А.Л., Роговина С.З., Прут Э.В., Филатова А.Г., Гумаргалиева К.З., Новикова С.П., Берлин А.А. // Высокомолек. соед.. 2012. Сер. А. Т. 54. С. 215-223.
20. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). / Под ред. В.Н. Кириченко. М.: Нефть и газ, 1997.
21. Olkhov A.A., Staroverova O.V., Bonartsev A.P., Zharkova 1.1., Sklyanchuk E.D., Iordanskii A.L., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Ishchenko A.A. Structure and properties of ultrathin poly-(3-hydroxybutirate) fibers modified by silicon and titanium dioxide particles // Polymer Science, Series D. 2015. V. 8. No. 2. P. 100-109.
22. 22 Budil D.E., Lee S., Saxena S., Freed J.H. Journal of magnetic resonance, Ser. A. 1996. V. 120. P.155.
23. В.П. Тимофеев, А.Ю. Мишарин, Я.В. Ткачев, Биофизика, 2011, т. 56, вып. 3, С. 420-432.
24. Бучаченко А.Л., Вассерман А.М. Стабильные радикалы. М.: Химия, 1973.
25. 25 Olkhov A.A., Staroverova O.V., Iordanskii A.L., Zaikov G.E. Morphology of electrospun nanofibres of polyhydroxybutyrate // AIP Conf. Proc. 2014. V. 1599. P. 558-561; doi: 10.1063/1.4876902.
26. Староверова О.В., Шушкевич А.М., Кузьмичева Г.М., Ольхов А.А., Воинова В.В., Ольхов А.А., Жаркова И.И., Шайтан К.В., Склянчук Е.Д., Гурьев В.В. // Технологии живых систем. 2013. Т. 10. № 8. С. 74.
27. Rutledge G.C., Fridrikh S.V. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2007. V. 59. № 14. P. 1384.
28. Жаркова И.И., Староверова О.В., Воинова В.В., Андреева Н.В., Шушкевич А.М., Склянчук Е.Д., Кузьмичева Г.М., Беспалова А.Е., Акулина Е.А., Шайтан К.В., Ольхов А.А. Биосовместимость матриксов для тканевой инженерии из поли-3-оксибутирата и его композитов, полученных методом электроформования // Биомедицинская химия. 2014. Т. 60. Вып. 5. С. 553-560.
29. Озерин А. Н. Дис. ... канд. хим. наук. М.: НИФХИ им. Карпова, 1977.
30. Keller A., Willmouth M. // Macromolek. Chem. 1994. B. 141. S.91.
© С. Г. Карпова, к. ф.-мат. наук, с. н. сот., сотрудник лаборатории, ИБХФ, karpova@sky.chph.ras.ru; А. Л. Иорданский, д. х. н., проф., зав. лабораторией, ИХФ, aljordan08@gmail.com; А. А. Ольхов, ст. н. с., Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, aolkhov72@yandex.ru; С. М. Ломакин, к. х. н., зав. лабораторией, ИБХФ lomakin@sky.chph.ras.ru; М. В. Мотякин, д. ф.-мат. н., вед. с., сотрудник лаборатории, ИХФ, motyakin@hotmail.com; А. А. Попов, д. х. н., проф., зав. лабораторией, ИБХФ, popov@sky.chph.ras.ru; Г. Е. Заиков, д. х.н., проф. каф. ТПМ КНИТУ, chembio@sky.chph.ras.ru.
© S. G. Karpova, Ph. D., senior researcher, N.Emanuel Institute of Biochemical Physics. RAS. Moscow. RF. karpova@sky.chph.ras.ru; A. L. Iordanskii, prof., head of laboratory, N.Semenov Institute of Chemical Physics. RAS. Moscow. RF. aljordan08@gmail.com; A. A. Ol'khov, Ph. D., senior researcher, G. Plekhanov Russian University of Economics, Moscow. RF. aolkhov72@yandex.ru; S. M. Lomakin, Ph. D., senior researcher, N.Emanuel Institute of Biochemical Physics. RAS. Moscow. RF. lomakin@sky.chph.ras.ru; M. V. Motyakin, prof., N.Semenov Institute of Chemical Physics. RAS. Moscow. RF. motyakin@hotmail.com; A. A. Popov, prof., head of laboratory, N.Emanuel Institute of Biochemical Physics. RAS. Moscow. RF. popov@sky.chph.ras.ru; G. E. Zaikov, prof, chief researcher, cathedra TPM KNRTU, chembio@sky.chph.ras.ru.
