CC BY
18ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1996, том 38, № 3, с. 510-513
УДК 541.64:536.4
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МЕМБРАН1
© 1996 г. Н. А. Платэ*, В. В. Чупов*, О. В. Ноа**, В. А. Синани **, JI. Д. Ужинова**
* Институт нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской академии наук
117912 Москва,Ленинский пр., 29 ** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119899 Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 10.07.95 г.
Проведено математическое моделирование сетчатых структур на объемно центрированной решетке и показано, что величина их свободного объема существенно зависит от расстояния между узлами сетки, и в меньшей - от гибкости цепей. Экспериментальное изучение влияния концентрации сшивающего агента и температуры на параметры структуры сшитых КЫ'-метилен-бмс-акрилами-дом сополимеров диэтилакриламида показало, что повышение температуры от 20 (ниже НКТС) до 40°С (выше НКТС) сопровождается значительным (в 5-20 раз) изменением равновесной степени
набухания и объема системы и меньшим (в 1.2-2 раза) уменьшением величины Мс, что совпадает с расчетными данными. Измерена проницаемость гидрогелевых пленок по различным соединениям.
Для создания мембран с контролируемой проницаемостью может быть использована способность некоторых водорастворимых полимеров к резкому переходу из развернутой глобулы в компактный клубок. Иммобилизованные на поверхности мембраны макромолекулы в развернутой или в компактной конформации могут изменять доступ растворенных веществ (транспортные свойства) [1-3].
Если вся мембрана представляет собой полимерный гидрогель, то ее проницаемость должна изменяться при изменении степени набухания ма-трицеобразующего сшитого сополимера. В зависимости от природы сшитого сополимера степень его набухания может быть повышена или понижена за счет измененйя внешних условий (рН [4], электрического поля [5], состава растворителя [6], температуры [7]), что приведет к изменению проницаемости. Полимерные гидрогели, изменяющие свою проницаемость в ответ на изменение внешних условий, могут служить основой для создания различных систем с обратной связью.
Поскольку проницаемость полимерных гидрогелевых мембран связана главным образом с их молекулярной и надмолекулярной структурой, можно полагать, что изучение особенностей структурообразования в таких системах и поиск взаимосвязи между параметрами сетки и проницаемостью гидрогеля откроют возможность получения гидрогелевых мембранных систем с регулируемыми транспортными свойствами. В этой
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 95-03-09837а).
связи цель настоящей работы - теоретическое рассмотрение особенностей структурообразования и параметров структуры сшитых сополимеров в зависимости от их состава, а также изучение структурных и мембранных свойств полимерных гидрогелей на основе одного из термочувствительных полимеров - поли-Г^Ы-диэтилакриламида (ДЭАА), способного к обратимым структурным переходам при изменении температуры [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали ДЭАА, полученный из диэтиламина и хлорангидрида акриловой кислоты в соответствии с работой [9], и 1^,1Ч'-метилен-бмс-акриламид (БИС) фирмы "¿еапаГ (Венгрия), дважды перекристаллизованный из ацетона. Синтез гидрогелей в виде таблеток или пленок толщиной 0.2-0.3 мм проводили радикальной со-полимеризацией мономера и сшивающего агента в водном растворе (практически до 100%-ной конверсии), помещаемых в цилиндр или между двумя плоскими стеклами. Инициирование полимеризации осуществляли с использованием окислительно-восстановительной системы персульфат аммония - МДД'.К-тетраметилэтилендиа-мин при 20-25°С. Степень равновесного набухания гидрогелей измеряли гравиметрически по увеличению массы сухого сополимера, помещенного в воду при данной температуре, до прекращения ее изменения. Величину 5Г рассчитывали по формуле
5Г = (М<-М0)/М0, (1)
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МЕМБРАН
(М, и М0 - массь[ равновесно набухшего и сухого образцов соответственно) и выражали в г Н20 на
1 г сухого вещества. Параметр Мс (теор) для конверсии 100% находили из соотношения
511
Мс = 127[ДЭАА]/2[БИС],
(2)
где [ДЭАА] и [БИС] - мольные концентрации мономера и сшивателя в исходном растворе. Механические характеристики гидрогелей изучали на приборе "1ш1:гоп" при деформации сжатием. Из линейных участков кривых зависимостей напряжения от деформации по формуле
о = С(\-\~2) (3)
(о - напряжение, А. - деформационное отношение) определяли модули упругости в равновесного набухших гелей, а затем в соответствии с методикой [10] рассчитывали Мс
Мс( мех) = RTp\\fin(Vu/Vf)2n/G
(4)
Здесь G - модуль упругости, р - плотность полимера, - объемная доля полимера в геле, Vu и Vf- объем исходного раствора и объем полимера соответственно. Для исследования выбрали образцы гелей в виде цилиндров диаметром 1 см и высотой 1 см.
Изучение транспортных свойств гидрогеле-вых мембран проводили при рН 7,4 для следующего набора веществ: тирозин (М =181), ингибитор трипсина из бычьих легких (М = 6.0 х 103), овомукоид (М = 3.2 х 104) и сывороточный альбумин (М = 6.9 х 104). Концентрацию веществ определяли спектрофотометрически по поглощению при 280 нм, используя спектрофотометр U-3400 ("Hitachi", Япония) в кюветах толщиной 1 см при 20 и 40°С в течение 1-3 ч при различных температурах. Схематическое изображение ячейки для изучения транспорта белков приведено на рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Одной из характеристик сетчатой структуры является величина Мс - средняя молекулярная масса отрезка полимерной цепи (или число звеньев) между двумя сшивками. Совершенно очевидно, что эта величина достаточно фиктивна и в сильной степени зависит от способа ее экспериментального определения. Другим параметром набухшей сетки (ее сорбционной способности)
является свободный объем V.
Для нахождения связи между Мс и V нами было проведено математическое моделирование сетчатых структур на объемно-центрированной решетке [11] в соответствии со следующей процедурой: на некотором среднем расстоянии (числе
Рис. 1. Схематическое изображение установки для сравнительного изучения транспорта белков через гидрогелевые мембраны: 1 - термостатируемая ячейка (вода, 20 мл), 2 - магнитная мешалка, 3 - стеклянный фильтр, 4 - тефлоновое кольцо-уплотнитель, 5 -гидрогелевая пленка, 6 - раствор флуоресцентно-меченого белка - пенетранта с концентрацией 0.3-0.7 мг/мл (4 мл).
звеньев) X друг от друга фиксируются узлы сетки, между которыми строятся отрезки цепи определенной длины, и для такого элемента сетки рас-
-2
считывают средний радиус инерции Rs и средний свободный объем V по формуле
-2
3/2
V = 0.36(Rg6)
(5)
-2
При этом Rg является функцией координат звеньев цепи и определяется следующим образом:
3 N+1
3 /N+1 ^
2Т-1 Т-1 2
1=1./= 1 /=1\у=1
,(6)
где N - длина цепи, a rtj - расстояние между /-м и
_2 _
j-м звеньями. Расчет зависимости Rg от Мс (длины цепи) и X (расстояния между сшивками) и явился задачей, решаемой методом математического моделирования.
Расчеты проводили для Мс = 30-100 и X = 0-40. Элемент сетки содержал от 2 до 12 узлов.
Сравнение зависимостей V от Мс при X = = const и V от X при Мс = const (рис. 2) показывает более сильную зависимость V от X, нежели от
512
ПЛАТЭ и др.
Ух 10
Рис. 2. Зависимость свободного объема V от X при фиксированном Мс = 100 звеньев (а) и от Мс при фиксированном X = 10 звеньев (б) для систем, содержащих 4 (/), 6 (2), 8 (3), 10 (4) и 12 узлов (5).
Мс, а это означает, что свободный объем V мало зависит от гибкости цепи при фиксированном количестве сшивок, т.е. при данной фиксированной концентрации сшивающего агента.
Этот вывод подтверждается результатами эксперимента по изучению влияния исходного состава мономерной смеси (концентраций мономера и сшивающего агента) на параметры структуры сшитых БИС сополимеров ДЭАА. Эти сополимеры относятся к системам, имеющим НКТС, и в равновесно набухшем в воде состоянии способны уменьшать свой объем при повышении температуры до .33-36° С и соответственно увеличивать его при охлаждении [12].
Экспериментально измеренные величины равновесных степеней набухания (объемов набухания) приведены в табл. 1. Как видно, повышение температуры от 20 (ниже НКТС) до 40°С (выше НКТС) сопровождается значительным изменением равновесной степени набухания и объема системы (в -5-20 раз в зависимости от концентрации
Таблица 1 Зависимость равновесной степени набухания полидиэтилакриламидных гидрогелей от их состава при температурах выше и ниже НКТС
Состав исходной мономерной смеси, мол. % 5Г, г Н20/г (±0.1) /5?
ДЭАА БИС 20°С 40°С
99.5 99.0 97.5 96.5 95.5 0.5 1.0 2.5 3.5 5.0 44.0 22.1 17.0 16.1 9.2 2.0 1.3 1.2 2.0 1.7 22.0 17.0 14.1 8.0 5.4
мономера и сшивателя). При этом значения величины Мс (мех), рассчитанные из экспериментально измеренных модулей упругости, уменьшаются всего лишь в 1.1-2 раза, но существенно отличаются от теоретических величин Мс (расчет) (табл. 2). Поскольку при фиксированной степени сшивания сетки величина Мс должна быть постоянной, такое изменение должно отражать изменение расстояния между сшивками (параметра X в модельных расчетах). Из сопоставления расчетных и экспериментальных данных следует, что изменение свободного объема при соответствующем изменении параметра X, измеренное экспериментально и полученное в модельных расчетах, совпадают по порядку величины. Таким образом, свободный объем гидрогелевых систем, определяющий массоперенос растворенного вещества через такие системы, зависит не столько от природы полимера (гибкоцепйой или жестко-цепной), а главным образом от числа сшивок (количества сшивающего агента) и от расстояния между сшивками (длина молекулы сшивающего агента).
Что касается характера изменения проницаемости гидрогелевых пленок по различным веществам, то она связана не только с изменением свободного объема, регулируемого степенью сшивания и изменяющегося с температурой, но и с' молекулярной массой (гидродинамическими радиусами) конкретного соединения. Так, проницаемость гидрогелей, содержащих от 0.5 до 5 мол. % сшивателя, по низкомолекулярному соединению (тирозину с М = 181) одинакова для всех гелей и при 20 и при 40°С. Увеличение степени сшив-
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МЕМБРАН 513
Таблица 2. Зависимость параметров Мс (расчет) и Мс (мех) полидиэтилакриламидных гидрогелей от их состава при температурах выше и ниже НКТС
Состав исходной мономерной смеси, мол. % Мс (расчет) Мс (мех) Мс (мех)20 Мс (мех)40
ДЭАА БИС 20°С 40°С
99.5 0.5 12635 1460 730 2.0
99.0 1.0 6286 846 604 1.4
97.5 2.5 2476 430 313 1.3
96.5 3.5 1750 406 312 1.3
95.5 .5.0 1212 217 197 1.1
ки гидрогелей от 0.5 до 5% вызывает затруднение транспорта ингибитора трипсина (М = 6.0 х х 103), овомукоида (М = 3.2 х 104) и сывороточного альбумина (М = 6.9 х 104) при pH 7.4 на 30-50, 35-60 и 70-90% при изменении температуры от 20 до 40°С.
Таким образом, мембраны на основе сшитых сополимеров, образующих гидрогели при набухании в воде, могут явиться новым типом сорбцион-но-сепарационных систем для разделения компонентов жидких смесей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. N опака Т., Ogata Т., Kurihara S. Hi. Appl. Polym. Sei. 1994. V. 52. №9. P. 951.
2. Grodzinsky A J., Crimshaw P.E. // Pulsed and Self-Reg-ulated Drug delivery / Ed. by Kost J. Boca Raton: CRC Press, 1990. P. 48.
3. Tsuji Т., Konno M., Sato S. // J. Chem. Eng. Jpn. 1990. V. 23. P. 447.
4. Osada Y„ Takeuchi Y. // J. Polym. Sci., Polym. Lett. Ed. 1981. V. 19. №3. P. 303.
5. Weiss A.M., Grodzinsky A.J., Yarmuth M.L. // AIChE Symp. Ser. 1986. V. 85. P. 82.
6. KaulR., Matiasson B. //Bioseparation. 1992. V. 1. P. 3.
7. Bae Y.H., Okano Т., Kim S.W. // J. Controlled Release, 1989. V. 9. P. 271.
8. Valuev L.I., Zefirova O.N., Obydennova I.V., Plate NA. // J. Bioactive and Compatible Polymers. 1994. V. 9. № 1. P. 55.
9. Nagaoka Т., SafraniA., Yoshida M„ OtnichiH., KubotaH„ KatakaiR. // Macromolecules. 1993. V. 27. № 4. P. 606.
10. Fasina A.B., Stepto R.F.T. // Makromol. Chem. 1981. B. 182. № 9. s. 2479.
11. Романцова И.И., Hoa O.B., Таран ЮЛ., Елъяше-вич A.M., Готлиб Ю.А., Платэ Н.А. // Высокомо-лек. соед. А. 1977. Т. 19. № 11. С. 2800.
12. Валуев Л.И., Зефирова О.Н., Обыденнова И.В., Платэ Н.А. // Высокомолек. соед. А. 1993. Т. 35. № 1.С. 83.
Synthesis and Properties of Temperature-Sensitive Hydrogel Membranes
N. A. Plate, V. V. Chupov, O. V. Noah, V. A. Sinani, and L. D. Uzhinova
Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences Leninskiipr. 29, Moscow, 117912 Russia
Moscow State University Vorob'evy Gory, Moscow, 119899 Russia
Abstract—Mathematical modeling of network structures on a body-centered lattice was performed; it was demonstrated that their free volume is significantly controlled by the distance between the network junctions, whereas the effect of chain flexibility is less pronounced. Experimental investigation of the effect of the concentration of cross-linking agent and temperature on the structural parameters of diethyl acrylamide copolymers cross-linked with N,N'-methylenebisacrylamide revealed that increasing the temperature from 20°C (this temperature is below the LCST of the copolymer) to 40°C (i.e., above the LCST) causes a significant (by 5-20 times)
variation of equilibrium swelling and the volume of system; the decrease in Mc is smaller (by 1.2-2 times) and coincides with the calculated data. Permeability of hydrogel films to various compounds was also measured.
