CC BY
79
УДК 544.77:535
О ВЛИЯНИИ ПРИРОДЫ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ НА РАЗМЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ
© М. С. Бабаев*, А. И. Воробьева, С. В. Колесов
Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.
Тел./факс: +7 (347) 235 55 60, +7 (347) 235 60 66.
E-mail: [email protected]
Получены наночастицыполиэлектролитных комплексов на основе сополимеров N,N-диаллил-М,М-диметиламмоний хлорида и мицеллообразующего ионогенного поверхностно-активного вещества - додецилсульфата натрия.Методом лазерного рассеяния света показано, что при определенном выборе компонентов и их мольного соотношения размеры частиц полученных комплексов находятся в размерном диапазоне, характерном для наноси-стем. Определены оптимальные с точки зрения размеров и агрегативной устойчивости условия получения таких систем. Показано влияние введенныхнеионогенных групп виниловых мономеров в макромолекулы поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида на лиофилизирую-щую способность полиэлектролитов и, соответственно, на размеры частиц полиэлектролитных комплексов.
Ключевые слова: полиэлектролит, полиэлектролитные оболочки, самоорганизация, полимер-коллоидные комплексы, наночастицы
Введение
В последние годы пристальное внимание привлекают самоорганизующиеся системы, обладающие комплексом принципиально важных свойств. Ассоциативные взаимодействия в растворах природных и синтетических полиэлектролитов (ПЭ) имицеллооб-разующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) являются классическим примером самоорганизации, приводящей к формированию наноразмерных частиц полиэлектролитных комплексов (ПЭК) [1-4]. Обширные возможности для направленного изменения характеристик синтезируемых ПЭК путем вариации химической природы полиэлектролита и ПАВ служат надежной базой для создания новых функциональных материалов - высокоэффективных флокулянтов, селективных сорбентов, стабилизаторов коллоидных дисперсий [5-7].
В настоящее время ведутся интенсивные исследования в направлении биомедицинского применения наночастиц ПЭК, как потенциальных контейнеров для адресной доставки лекарственных средств [8-10], изучения физико-химических [1113] и биологических свойств полимеров [14, 15], которые могут быть использованы как составляющие наноконтейнеров. Следует отметить, что на данный момент крайне малочисленны работы по влиянию структуры полиэлектролитов на размеры образуемых ими частиц ПЭК. В связи с чем, задачей настоящего исследования стало изучение влияния природы и содержания сомонономерных звеньев в ряду синтетических полиэлектролитов - сополимеров К,К-диаллил-К,К-диметиламмоний хлорида на способность к образованию частиц ПЭК иих размерныехарактеристики.
Экспериментальная часть
Синтез сополимеров Ы,Ы-диаллил-Ы,Ы-ди-метиламмоний хлорида
В работе использовали катионные ПЭ поли-Ы,Ы-диаллил-Ы,Ы-диметиламмоний хлорид (ПАМАХ) и сополимеры Ы,Ы-диаллил-Ы,Ы-диметиламмоний хлорида с Ы-винилпирролидоном (АМАХ-ВП), акрила-мидом (АМАХ-АА), винилацетатом (АМАХ-ВА) и диоксидом серы (АМАХ-ДС), которые были синтезированы из соответствующих мономеров радикальной полимеризацией в растворе при температуре 50-70 °С с использованием в качестве инициатора персульфата калия (ПК) или динитрила азо-диизомасляной кислоты (ДАК). Структуры синтезированных полиэлектролитов (табл.1), установлены методом ЯМР 13С спектроскопии.
Гомо- и сополимеризацию Ы,Ы-диаллил-Ы,Ы-диметиламмоний хлорида (АМАХ) с виниловыми мономерами (ВМ) проводили в ампулах в вакууме в растворе (метанол, вода) в условиях радикального инициирования. Сополимеризацию АМАХ с диоксидом серы (ДС) осуществляли в стеклянном реакторе по известной методике [16]. Условия полимеризации приведены в табл.2.
Полимеры АМАХ с ВМ очищали трехкратным переосаждением из метанольных растворов в ацетон, а сополимеров АМАХ с ДС из водных растворов в ацетон, сушили в вакууме при 50 °С до постоянной массы. Чистоту сополимеров контролировали методом ЯМР-спектроскопии, их состав рассчитывали по результатам элементного анализа.
Все сополимеры имеют статистическое строение цепей, кроме АМАХ-ДС, который является строго чередующимся сополимером. Молекулярные
* автор, ответственный за переписку
массы полиэлектролитов ПАМАХ, АМАХ-ДС, АМАХ-ВА и АМАХ-ВП, определенные методом седиментационного равновесия, составили 45400, 17600, 19000 и 28000, соответственно. Поскольку значения характеристических вязкостей различных сополимеров близки между собой, то можно предполагать, что молекулярные массы остальных ПЭ лежат в области 18000-50000.В качестве ПАВ использовали додецилсульфат натрия (ДДС) производства фирмы «А1ёлсЬ» без дополнительной очистки.
Методика получения частиц полиэлектролитных комплексов и методы их исследования
Водные дисперсии ПЭК получали путем добавления к водному раствору ПЭ с концентрацией звеньев АМАХ, равной 0.02 М, по каплям 0.003 М раствор ДДС при перемешивании с интенсивностью 500 об/мин и температуре 25 °С. Состав реакционной смеси выражали через мольное соотношение 7: 2 = [паб]упав , [амах]упэ
где [АМАХ] - молярная концентрация звеньев АМАХ, [ПАВ] - молярная концентрация ДДС, УПав и УПЭ - объемы растворов соответствующих компонентов. Количество ДДС в полученных рас-
творах было меньше значения критической концентрации мицеллообразования в воде (0.008 моль/л).
Дисперсное состояние системы оценивали по степени ее мутности на основании данных турби-диметрического титрования (УФ-спектрофотометр "БЫшаёгииУУТБКШ. 3100" (Япония), кварцевая кювета толщиной 1 см, длина волны 500 нм, при которой все компоненты оптически прозрачны). Титрование проводили раствором ДДС с концентрацией 0.003М с интервалом прикапывания 5 мин (время, превышение которого не приводит к дальнейшему изменению оптической плотности в системе ПЭ-ПАВ). При добавлении первой порции ДДС (7 = 0.04), его концентрация в растворе составляет 6-10-4 моль/л. Результат титрования представлен в виде зависимости оптической плотности Б от мольного соотношения компонентов 7. Состав реакционной смеси, начиная с которого происходит формирование частиц ПЭК, и, соответственно, начинается рост оптической плотности принимали за Состав реакционной смеси, начиная с которого система начинает претерпевать фазовое разделение и происходит резкий рост оптической плотности, принимали за 7пред.
Таблица 1
Спектры ЯМР 13С гомо- и сополимеров АМАХ с виниловыми мономерами и диоксидом серы
Полиэлектролит Химические сдвиги и мультиплетность сигналов атомов углерода 8, м.д.
С1 1 С2 1 С3 1 С4 1 С5 1 С6 I С7 1 С8 I С9 | С10
АМАХ- 3 5 6 m 71.58 40.13 28.05 55.49 32.26 74.64 172.63 21.33
ВА
АМАХ-ВП
АМАХ-АА
АМАХ-ДС
Н3С ci- СНз
4
72.8 40.5 26.9 55.8 32.6 47.8 180.3 30.9 20.1 45.0
т
д
т
к
т
д
д
т
70.48 34.25 53.8
т д т
к
54.79 к
т
д
с
с
т
т т
70.90 37.78 54.78 55.22 42.3 38.63 178.22
ПАМАХ
нзС ci- снз
4
71.2 39.6 27.1 55.1 т д т к
т
д
т
к
т
д
с
к
O т
3
Таблица 2
Гомо- и сополимеризация АМАХ (М^) с виниловыми мономерами и ДС (М2)
Полиэлектролит М2 Состав исходной смеси, мол.% Среда [М1+М2], масс. % Инициатор, масс % Т,°С Состав сополимера, мол.% м*,, дат
М1 | М2 ш1 | ш2
ПАМАХ - 100 - вода 40.0
АМАХ-ВА ВА 61.7 38.2 метанол 73.9
АМАХ-ВП №ВП 50.1 49.9 метанол 48.2
АМАХ-АА (1) АА 79.8 20.2 вода 29.8
АМАХ-АА (2) АА 79.8 20.2 метанол 30.2
АМАХ-АА (3) АА 79.8 20.2 вода 40.0
АМАХ-ДС ДС 49.6 50.4 вода 45.5
ПК 0.2 ДАК 0.5 ДАК 0.2 ПК 0.1 ДАК 0.1 ПК 0.05 ПК 0.25
80 100 - 0.16
70 68.2 31.8 0.36
60 53.4 46.6 0.18
50 34.9 65.1 0.50
50 41.4 58.6 0.39
70 59.0 41.0 0.24
50 50.4 49.6 0.25
* Значения характеристической вязкости определены методом капиллярной вискозиметрии (вискозиметр Уббелоде, 0.15 н. водный раствор №С1, 25 ± 0.01 °С).
Определение размеров частиц ПЭК проводили на лазерном анализаторе размеров частиц БЫшаё-7иБАЬВ-7101 (Япония) при длине волны 375 нм и температуре 25 °С. Для характеристики среднего размера частиц использовали медианный размер -значение размера частиц, которое разделяет популяцию распределения, точно на две равные части.
Результаты и их обсуждение
Движущими силами самоорганизации, приводящей к формированию частиц ПЭК, являются электростатические взаимодействия противоположно заряженных ионов мономерных звеньев АМАХ, содержащихся в цепях исследуемых ПЭ, и ДДС, а также гидрофобные взаимодействия ал-кильных фрагментов ПАВ. Экспериментально образование частиц ПЭК обнаруживается по появлению опалесценции и росту мутности раствора.
При отсутствии вклада гидрофобных взаимодействий, то есть при малом количестве ионов ПАВ в системе ПАВ-ПЭ, система представляет собой гомогенный раствор водорастворимых комплексов в виде отдельных макромолекул ПЭ электростатически связанных с комплементарно заряженными ионами ПАВ (рис. 1, область I; рис. 2). Увеличение количества ПАВ в системе приводит к их сегрегации во внутримолекулярные мицеллы и формированию более сложных пространственно протяженных структур, что приводит, в конечном счете, к образованию нерастворимых ПЭК (рис. 1, область III; рис. 2). И только при определенном балансе гидрофильно-гидрофобных взаимодействий образуются устойчивые системы наноразмер-ных частиц(рис. 1, область II; рис. 2).
На рис. 3 представлены результаты определения размеров частиц ПЭК, полученных на основе АМАХ-ДС при значении мольного соотношения компонентов, соответствующего области II рис. 1, и различном времени выдержки. Из данных рисунка видно, что образуются наночастицы со средними
размерами 56 нм, которые являются агрегативно устойчивыми - во времени происходит лишь незначительное увеличение числа частиц большего размера, т. е. смещение кривых распределения в сторону больших значений диаметров частиц.
Рис.
Мольное соотношение компонентов
. 1. Концентрационные области на кривой турбиди-
метрического титрования раствора ПЭ раствором противоположно заряженного ПАВ.
Область существования агрегативно устойчивых частиц ПЭК определяется гидрофильно-гидрофобным балансом частиц ПЭК, который в свою очередь зависит как от гидрофобности ПАВ, например длины алифатического фрагмента ПАВ, и его количества в частицах комплексов, так и от лиофилизирующей способности макромолекул. Лиофилизирующая способность ПЭ определяется эффективным зарядом полимерной цепи, а также наличием полярных и неполярных групп в составе макромолекулы, которые могут давать как положительный, так и отрицательный вклад в лиофилизи-рующую способность.
Рис. 2. Схематическое строение комплексов, соответствующее определенной области:1 - водорастворимые комплексы, II - наноразмерные частицы ПЭК, III - агрегированные частицы нерастворимой фазы ПЭК.
16
14
12
а
к §
г о
н
г к ч о
10
8
6
4
2
100
200
I—*—
300
400
Диаметр частиц, нм
Рис.3.Распределение частиц ПЭК по диаметрам при различном времени выдержки: 1 - в момент получения, 2 - 20 суток, 3 - 60 суток. Система ПЭК на основе
АМАХ-ДС-ДДС, полученная при ъ равном 0.3.
Варьирование мольного соотношения компонентов 2 при получении ПЭК влияет на размеры образуемых частиц и их устойчивость. Так, на примере комплексов ПАМАХ видно, что по мере увеличения мольного соотношения компонентов и, что, тоже самое, содержания ПАВ на макромолекулах ПЭ, наблюдается укрупнение размеров частиц комплекса и уширение кривых распределения (рис.4). Кроме того, размеры частиц при ъ>ъпред значительно превышают размеры частиц комплексов, полученных при ъ<ъпред.
Для оценки размеров частиц ПЭК различных ПЭ комплексы получали при 2пред, поскольку при таком значении состава реакционной смеси система обладает максимальнымразмером агрегативно устойчивых частиц. Предельные составы комплексов на основе АМАХ-ДС, ПАМАХ, АМАХ-ВП, АМАХ-АА (3), АМАХ-ВА соответственно равны -
0.5, 0.43, 0.8, 0.85, 0.92. Из рис. 5 видно, что частицы комплексов на основе АМАХ-ДС и ПАМАХ имеют узкое распределение, средние размеры частиц ПЭК на основе ПАМАХ находятся нанообла-сти. Регулярное строение данных ПЭ и стерически небольшие звенья диоксида серы в макромолекулах АМАХ-ДС, по сравнению со звеньями виниловых мономеров, вероятно, обеспечивают выгодные условия для компенсации заряда макроцепи комплементарно заряженными ионами ПАВ, вследствие чего образуются частицы меньшего размера. Размеры частиц ПЭК на основе других сополимеров выходят из области наноразмеров.
а
к §
г о
н
г к ч о
10 100 1000
Диаметр частиц, нм
10000
Рис. 4. Распределение диаметров частиц ПЭК, сформированных на основе растворов ПАМАХ при различном мольном соотношении компонентов (ъ): 1 - 0.3; 2 - 0.43;
3 - 0.45; 4 - 0.5; 5 - 0.55. Значения ъпред равны 0.43. Средние размеры частиц ПЭК соответственно равны 44, 60, 298, 306 и 359 нм. Для наглядности ось абсцисс представлена в логарифмическом масштабе.
Из данных турбидиметрического титрования растворов ПЭ раствором ДДС (рис. 6) следует, что меньшей лиофилизирующей способностью облада-
0
0
ет АМАХ-ДС. Видно, что при титровании АМАХ-ДС уже введение первых порций ПАВ приводит к помутнению системы. В то же время при титровании остальных ПЭ ясно видна область составов реакционной смеси, при которой образуются водорастворимые поликомплексы (оптическая плотность раствора равна нулю) и лишь при значениях мольного соотношения компонентов в интервале гкр - ^пред начинают образовываться частицы ПЭК.
£ 15
л о
10
100
1000
10000
Диаметр частиц, нм Рис.5. Распределение диаметров частиц ПЭК, сформированных на основе растворов (со)полимеров К,№диаллил-К,№диметиламмоний хлорида: 1 - ПАМАХ; 2 - АМАХ-ВА; 3 - АМАХ-АА(З); 4 - АМАХ-ВП; 5 - АМАХ-ДС. Размеры частиц ПЭК определены при выдержке в течение 7 суток при комнатной температуре с момента получения.
2
к
я 1
тп О
0 0.5 1
Мольное соотношение компонентов
1.5
Рис. 6. Титрование растворов (со)полимеров диаллил-К,№диметиламмоний хлорида: 1 - ПАМАХ;
2 - АМАХ-ВА; 3 - АМАХ-АА(3); 4 - АМАХ-ВП;
5 - АМАХ-ДС.
Во всех случаях в системах ПЭК, кроме комплексов на основе АМАХ-ВП, полученных при значениях мольного соотношения ъ>ъпред, наблюдается фазовое разделение системыи образование осадка. СистемаАМАХ-ВП-ДДС остается агрега-
тивно устойчивой даже при превышении стехио-метрического мольного соотношения ПЭ : ПАВ, при котором происходит полностью компенсация зарядов макромолекул ионами ПАВ. При мольном соотношении компонентов ъ < 7пред исследуемые системы оказываются агрегативно устойчивыми, о чем свидетельствуют результаты наблюдения за ними в течение 2 месяцев.
В ряду (со)полимеров достаточно четко прослеживается влияние количества неионогенных виниловых групп в макромолекулах на лиофилизи-рующую способность ПЭ, что видно из рис.7, где представлена зависимость значения ъпред от количества звеньев АМАХ в макромолекуле ПЭ. Из рисунка следует, что при увеличении количества звеньев ВМ (уменьшении количества звеньев АМАХ) происходит увеличение ъпред, значение которого коррелирует с размерами частиц ПЭК (рис. 8).
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
2 ♦
20
40
60
80
100
Количество звеньев ДМАХ, мол% Рис.7. Зависимость Ъпред от количества звеньев ДМАХ в макромолекулахисследуемых ПЭ: 1 - ПАМАХ; 2 - АМАХ-ВА; 3 - АМАХ-ВП; 4 - АМАХ-АА(1); 5 - АМАХ-АА(2); 6 - АМАХ-АА(3).
400
| 300
а 200
ч
| 100 и
Д
♦
4
8
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Мольное соотношение компонентов
Рис.8. Зависимость размеров частиц ПЭК на основе растворов полимеров К,К-диаллил-К,К-диметиламмоний хлорида от мольного соотношении компонентов: 1, 8 - ПАМАХ; 2 - АМАХ-ВА; 3 - АМАХ-ВП; 4 - АМАХ-АА(1); 5 - АМАХ-АА(2); 6 - АМАХ-АА(3); 7 - АМАХ-ДС.
5
4
6
1
2
3
6
5
7
0
1
0
Анализ данных рис.7 и 8 свидетельствует, что размеры частиц ПЭК на основе сополимеров АМАХ зависят с одной стороны от строения цепи, которая определяет лиофилизирующую способность ПЭ, а чем она больше, тем требуется больше относительного количества ПАВ для формирования частиц ПЭК, и с другой стороны, от количества ПАВ входящего в частицы ПЭК. Обе стороны этого влияния являются взаимосвязанными.
Заключение
Природа полиэлектролитов оказывает решающее влияние наформирование наносистемпо-лиэлектролитных комплексов. В случае гомополи-мера поли-Ы,Ы-диаллил-Ы,Ы-диметиламмоний хлорида образуются частицы полиэлектролитных комплексов с размерами, входящими в диапазон нано-систем. Существует четкая зависимость между размерами образующихся частиц полиэлектролитных комплексов и содержанием сомономерных звеньев. Введение всего порядка 30 % неионоген-ных звеньев виниловых мономеров уже выводит систему из нанодиапазона.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятие 1.1), номер заявки 2012-1.1-12-000-1015-027(Соглаше-ние №8444).
Анализы (измерения, расчеты) выполнены на оборудовании ЦКП «Химия» ИОХ УНЦ РАН.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабаев М. С., Воробьева А. И., Колесов С. В., Стоянова Л. Ф., Заиков Г. Е. Получение нанодисперсий полимер-коллоидных комплексов на основе модифицированного полисульфонилпирролидиний хлорида // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16. №11. С. 150-154
2. Ринодо М., Кильдеева Н. Р., Бабак В. Г. ПАВ-полиэлектролитные комплексы на основе производных хитина // Российский Химический Журнал. 2008. Т. ЬП. №1. С. 84-90.
3. Касаикин В. А., Литманович Е. А., Зезин А.Б., Кабанов В.А. Самоорганизация мицеллярной фазы при связывании додецилсульфата натрия полидиметилдиаллиламмоний
хлоридом в разбавленном водном растворе // Доклады Академии Наук. 1999. Т. 367. №3. С. 359-362.
4. Новаков И. А., Шулевич Ю.В., Ковалева О.Ю., Навроцкий
A.В., Навроцкий В.А. // Комплексы полиэлектролитов с электростатически комплементарными поверхностно-активными веществами. Изв. ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. 2005. Вып. 1. №10. С. 5-16.
5. Buchhammer H.-M., Petzold G., Luswitz K. Nanoparticles based on polyelectrolyte: effect of structure and netcharge on solved organic molecules // Colloid Polym. Sci. 2000. V. 278. P. 841-847.
6. Шулевич Ю. В., Ковалева О. Ю., Навроцкий А.В., Скребнева
B. Г., Новаков И. А. Влияние лиофилизирующей способности полимерной цепи на закономерности образования комплексов полиэлектролит-поверхностно-активное вещество // Журнал прикладной химии. 2008.Т. 81. Вып. 1. С. 112-117.
7. Кабанов В.А., Зезин А.Б., Касаикин В.А. Полиэлектролиты в решении экологических проблем //Успехи химии. 1991. Вып. 3. С. 595-601.
8. Nishiyama N., Kataoka K. Current state, achievements, and future prospects of polymeric micelles as nanocarriers for drug and gene delivery // Pharmacology&Therapeutics 2006. №112 (3). P. 630-648.
9. Nakanishi T., Fukushima S., Okamoto. K., Suzuki M., Matsu-mura Y., Yokoyama M., Okano T., Sakurai Y., Kataoka K. Development of the polymer micelle carrier system for doxorubicin // Journalof Controlled Release. 2001. №74. P. 295-302.
10. Rijcken C. J. F., Soga O., Hennink W. E., van Nostrum C. F. Triggered destabilisation of polymeric micelles and vesicles by changing polymers polarity: An attractive tool for drug delivery // Journal of Controlled Release. 2007. №120. P. 131-148.
11. Picot D.R., Ross-Murphy S.B. Polymer Gels and Networks. Ed. by Osada Y., Khokhlov A.R. New York: Marcel Dekker. 2002.
12. Askadskii A.A., Khokhlov A.R. Introduction to Physico-Chemistry of Polymers. Moscow. ScientificWorld. 2009. 384 p.
13. Валуев Л. И., Валуев И. Л., Платэ Н.А. Терморегулируемый направленный транспорт физиологически активных соединений // Высокомолекулярные соединения. 2009. Т. 51. №11. С. 1940-1946
14. Воробьева А. И., Бабаев М. С., Сатаева Ф. А., Спирихин Л. В., Муслухов Р. Р., Колесов С. В. Сополимер N,N-диаллил-^^диметиламмоний хлорида с диоксидом серы в качестве носителя лекарственных средств // Журнал прикладной химии. 2012. Т. 85. №11. С. 1853-1858.
15. Воробьева А. И., Султанова Г. Р., Булгаков А. К., Зайн-чковский В. И., Колесов С. В. Синтез и биологические свойства сополимеров на основе ^^диаллил-^^ диметиламмоний хлорида // Химико-фармацевтический журн. 2012. Т. 46. №11. С. 21-23.
16. Воробьева А. И., Васильева Е. В., Гайсина Х. А., Пузин Ю. И., Леплянин Г. В. Сополимеризация ^^диалкил-^^диаллиламмоний хлорида с двуокисью серы // Высокомолекулярные соединения. А. 1996. Т. 38. №10. С. 1663-1667.
Поступила в редакцию 08.09.2013 г.
