На правах рукописи

Кожунова Елена Юрьевна

Термочувствительные полиэлектролитные гели:

особенности перехода

набухший-сколлапсированный гель

Специальность 02.00.06 - высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва - 2012 www.sp-department.ru

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Махаева Елена Евгеньевна

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук Дубровский Сергей Александрович доктор химических наук Ярославов Александр Анатольевич

Ведущая организация Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А.

Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН)

Защита состоится «14» ноября 2012 года в _ часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 при Московском Государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35, Центр коллективного пользования МГУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).

Автореферат разослан «12» октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Лаптинская Т.В.

www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полимеры, восприимчивые к внешним воздействиям («умные»), в последнее время привлекают внимание многих исследователей благодаря своим свойствам – под действием незначительных изменений во внешней среде происходят относительно большие и резкие изменения физических и химических свойств «умных» полимеров.

Особое внимание в исследованиях уделяется восприимчивым гидрогелям, способным реагировать на изменение таких внешних условий, как температура, свет, состав среды, электрическое поле, антигены. Для улучшения оптических и механических свойств создают гели на основе сополимеров. Гидрогели на основе взаимопроникающих сеток – это новый класс полимерных материалов, они обладают хорошими механическими и мультифункциональными свойствами.

Развитие современных методов исследования позволило начать изучение таких объектов как микрогели. Микрогели относятся к классу микро- и нано-структурированных материалов. Состав, размеры, морфологию, восприимчивость микрочастиц возможно варьировать в широких пределах в зависимости от области применения. Микрогели обладают свойствами, характерными для гелей макроразмеров:

чувствительность к изменениям параметров внешней среды, способность набухать в растворителях и абсорбировать различные вещества.

Исследование полимерных систем с конкуренцией взаимодействий и определение зависимости свойств гидрогелей не только от природы компонентов сетки, но и от её структуры, является актуальной проблемой.

Последовательный анализ поведения подобных систем позволит внести дополнения в теорию конформационных переходов в сложных системах с конкуренцией взаимодействий и разработать основные подходы к созданию материалов на основе термочувствительных полимеров с контролируемым откликом на внешнее воздействие.

ионогенных групп и структуры полимерной сетки на конформационный температурой.

• разработка методик синтеза термочувствительных полиэлектролитных гидрогелей с различной структурой полимерной сетки: макро- и микрогелей на основе сополимеров, макрогелей на основе полувзаимопроникающих сеток (полу-ВПС);

• исследование влияния структуры полимерной сетки на основные характеристики гидрогелей в набухшем и сколлапсированном состояниях;

перехода набухший - сколлапсированный гель термочувствительных полиэлектролитных гелей.

Научная новизна. Автором впервые получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

1. Впервые исследована обратимость набухания полиэлектролитных термочувствительных гелей после коллапса и высушивания. Показано, что исследованные гидрогели не полностью восстанавливают массу при набухании после коллапса или высушивания.

2. Изучена кинетика коллапса термочувствительных полиэлектролитных коллапса данных полу-ВПС определяется конкуренцией гидрофобных и электростатических взаимодействий.

полиэлектролитных сополимеров, в том числе впервые синтезированы микрогели на основе сополимера N-изопропилакриламида и натриевой соли винилсульфокислоты.

4. Впервые конформационный переход в микрогелях исследован при помощи 1H-ЯМР спектроскопии.

Практическая значимость. Полученные результаты имеют как практическое, так и теоретическое значение. Исследования вносят вклад в теорию конформационных переходов в сложных системах с конкуренцией взаимодействий, где различные компоненты полимерной сетки влияют на поведение гидрогелей. Системы на основе термочувствительных полиэлектролитов, подобные исследованной, можно использовать для моделирования поведения природного белка при воздействии температуры.

Термо- и pH- чувствительные микрогели с контролируемыми свойствами возможно использовать для направленной доставки лекарственных препаратов, а также в оптических системах.

Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2009» (Москва, Россия), на пятой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2010» (Москва, Россия), на 43-ем Полимерном Конгрессе «Макро-2010» (Великобритания), на 20-й Конференции «Полимерные сетки-2010» (Германия), на Международном симпозиуме «MANA-2011» (Япония), на 9-м Международном симпозиуме «Полиэлектролиты-2012» (Швейцария), на 21-ой Международной (Великобритания).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 статьи в рецензируемых научных журналах и 8 тезисов докладов.

обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с научным непосредственном участии.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы (172 наименования); содержит 107 страниц текста, включая 36 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отражены ее научная новизна и практическая значимость, определены цель и основные задачи исследования.

В первой главе приведён анализ литературных данных по теме диссертации. Представлен обзор современных экспериментальных и теоретических исследований, посвященных термочувствительным полиэлектролитным гидрогелям и методам их изучения. Описаны способы получения и классификация гелей на основе взаимопроникающих сеток, а также различные способы модификации свойств восприимчивых гидрогелей.

Рассмотрены особенности синтеза и свойства микрогелей, возможности их практического применения.

Во второй главе описаны объекты исследования, методики синтеза гидрогелей на основе сополимеров и полу-ВПС, микрогелей. Исследуемые в работе гели синтезировали радикальной полимеризацией соответствующих мономеров в присутствии сшивателя. Микрогели получали при помощи радикальной полимеризации осаждения. Гели с различной структурой полимерной матрицы синтезировали путем варьирования концентрации мономеров и полимеров в реакционной смеси. Также во второй главе изложены основы методов, используемых в работе для изучения гидрогелей:

фотометрических, калориметрических измерений, электронной микроскопии, динамического светорассеяния, ядерно-магнитного резонанса.

В третьей главе представлены оригинальные результаты исследований по теме диссертационной работы. Третья глава состоит из трех частей: в первой части рассматриваются свойства гелей на основе сополимеров НИПА, во второй части изучаются гели на основе полувзаимопроникающих сеток, в термочувствительных сополимерных микрогелей.

термочувствительного N-изопропилакриламида (НИПА) и натриевой соли винилсульфокислоты (ВСК), натриевой соли метакриловой кислоты (МАК), диаллилдиметиламмония хлорида (ДАДМАХ). Показано, что увеличение доли ионогенных групп в составе полимерных цепей приводит к увеличению коэффициента набухания гелей (Таблица 1).

Для изучения температурной зависимости набухания гелей образцы выдерживали при температуре от 23 до 55 °C (с шагом в 5 °C) и определяли равновесную массу гелей. Зависимости относительной массы гелей от температуры приведены на рис. 1. Для всех исследованных гелей наблюдался температуры растворения (НКТР) ПНИПА, т.е. выше 320С. Присутствие в (винилсульфокислотных или диаллилдиметиламмонийных) приводит к термочувствительного геля гомополимера НИПА (рис.1): увеличивается амплитуда и температура коллапса. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что механизм коллапса полиэлектролитных отталкиванием цепей за счет кулоновских взаимодействий заряженных групп препятствующих ассоциации термочувствительных цепей.

m(T)/m(23 C) С целью выяснения обратимости коллапса проведен анализ равновесной массы термочувствительных полиэлектролитных гелей при циклическом последовательно инкубировали в воде при температурах выше (500С) и ниже (230С) НКТР ПНИПА. Количественной характеристикой данного процесса является коэффициент повторного набухания coll, определяемый как отношение массы геля, набухшего в воде (230С) после коллапса, к массе геля, набухшего в воде после синтеза. Это отношение меньше единицы для всех коэффициент повторного набухания coll уменьшается. На рис. 2 (кривые 1 и 3) приведена зависимость коэффициента повторного набухания coll гелей на основе П(НИПА–ВСК) от доли ВСК в составе сополимера. Здесь также следует отметить уменьшение coll при переходе от первого цикла коллапс– набухание ко второму (рис.2, кривая 3). Аналогичные результаты получены и для гелей на основе П(НИПА–ДАДМАХ) (Таблица 1).

Продолжением исследования влияния концентрирования полимерных цепей полиэлектролитных термочувствительных гелей на их свойства было Количественной характеристикой обратимости в данном случае является коэффициент повторного набухания dry, определяемый как отношение массы геля, набухшего в воде (230С) после высушивания, к массе геля, набухшего в воде после синтеза. Величина dry меньше единицы для всех сополимеров, причем, как и coll, с ростом мольной доли ионогенных звеньев коэффициент повторного набухания уменьшается (рис. 2, кривые 2 и 4). Второй цикл высушивание–набухание приводит к уменьшению коэффициента dry (рис. 2, макроскопическому разрушению гелей П(НИПА–ВСК): образцы при набухании разваливаются на несколько частей. Следует отметить, что dry < coll для всех исследуемых гелей. Полученные данные свидетельствуют о том, что изменения в сетке гелей, происходящие при высушивании или коллапсе гелей, качественно аналогичны, однако при высушивании они выражены более сильно.

m(resw)/m(sw) Величина dry геля П(НИПА–ДАДМАХ) также меньше единицы (Таблица 1). Полученные экспериментальные данные указывают, что коллапс изопропилакриламида и солей сильных электролитов (ВСК и ДАДМАХ) не слабосшитых гелей характеризует трехмерную структуру сетки геля, уменьшение степени набухания гелей после коллапса или высушивания связано и с изменением структуры сетки.

Можно предположить, что концентрирование полимерных цепей в формированию ионных пар и их мультиплетов вследствие понижения диэлектрической проницаемости среды. При повторном набухании не все дополнительные сшивки, что и обусловливает уменьшение повторного набухания гелей. Однако, исследование повторного набухания гелей гомополимеров как ПНИПА, так и ПДАДМАХ, а также сополимера П(ДАДМАХ-акриламид) после высушивания показало, что для этих полимеров dry равен единице с учетом погрешностей измерения. Таким образом, учитывая полученные результаты, можно сделать вывод, что гидрогелей П(НИПА–ВСК) и П(НИПА–ДАДМАХ) играют звенья НИПА – их агрегация при коллапсе.

При температуре ниже НКТР полимерные цепочки НИПА обладают неоднородной структурой: цепочка принимает конформацию “ожерелья”, где последовательности гидратированных звеньев чередуются с гидрофобными гидрофобные клубки, далее происходит кооперативная дегидратация звеньев, сформировавших водородные связи с молекулами воды, и образуются гидрофобные кластеры 1,2. Распределение плотности полимерных звеньев в областях с повышенной плотностью полимерных звеньев мультиплеты Kojima H., Tanaka F. // Macromolecules. 2010. V. 43. P. 5103.

Ishida N., Biggs S. // Langmuir. 2007. V. 23. P. Wu Ch., Zhou Sh. // Macromolecules.1995. V. 28. P. 8381.

ионных пар могут частично сохраняться при повторном набухании геля при температуре ниже НКТР.

Методом ВЧ-ДСК получены функции избыточной теплоемкости (рис. 3) и определены основные термодинамические параметры коллапса гелей на основе сополимеров НИПА и натриевой соли ВСК: температура перехода Tt (температура середины перехода), энтальпия перехода th, инкремент теплоемкости перехода tcp и ширина перехода tT (рис. 4).

Рисунок 3. Термограммы коллапса гелей:

(а) П(НИПА–ВСК(3%)), (б) П(НИПА– ВСК(5%)), (в) П(НИПА-ВСК(10%)).

сколлапсированный гель сополимеров НИПА сопровождается пикообразным изменением теплоемкости, что свидетельствует об объемном фазовом переходе. Увеличение доли ионогенных звеньев приводит к росту температуры перехода и его ширины (рис. 4,а и 4,г). Так, Tt ПНИПА = 33°С, тогда как Tt П(НИПА-ВСК(10%)) = 49°С. Энтальпия перехода уменьшается с ростом мол.% ВСК (Рис. 4). Уменьшение энтальпии объясняется двумя факторами. Во-первых, сополимеризация с нетермочувствительным сомономером сопровождается увеличением числа неактивных субцепей НИПА, т.е. достаточно коротких последовательностей мономерных звеньев, неспособных совершить кооперативный конформационный переход. Вовторых, электростатическое поле ионогенных звеньев ВСК может нарушать гидратную структуру субцепей НИПА, что также уменьшает количество активных субцепей НИПА и энтальпию перехода. Повышение температуры перехода вместе с уменьшением энтальпии указывают, что введение зарядов в цепи сетки ПНИПА приводит к уменьшению энтропии перехода.

проанализированы термодинамические параметры перехода до и после «отжига» гелей. «Отжиг» проводили по схеме четырех циклов: нагревание (80°С) – охлаждение (0°С). Основные параметры рассчитаны для образцов до температура конформационного перехода Tt, энтальпия перехода th, инкремент теплоемкости перехода tcp и ширина перехода tT, - на рис. тенденций от различий. Видно, что в пределах гарантированной точности эксперимента данные до и после отжига составляют один массив.

Следовательно, коллапс не влияет на локальную структуру субцепей НИПА в исследуемых гидрогелях.

2. Гели на основе полувзаимопроникающих сеток полимеризацией НИПА в водном растворе ПСС в присутствии N,N’метилен-бис-акриламида. Термочувствительный полимер формирует полиэлектролитом. Основные характеристики синтезированных гелей приведены в Таблице 2.

С целью изучения влияния длины полиэлектролита на свойства гелей синтезировали и исследовали гели с ПСС различной молекулярной массой:

Мw ~ 70 000 (ПСС7) и Mw ~ 1 000 000 (ПСС100). Состав полимерной сетки спектрофотометрического анализа воды, в которой выдерживались образцы ПНИПА-ПСС в течение пяти дней. Для гидрогелей ПНИПА-ПСС характеристические пики стиролсульфоната (=262 нм) отсутствуют, т.е.

выделение ПСС100 составило менее 5% от начального количества (предел чувствительности спектрофотометрческого определения СС - 0.02 мг/мл.).

При инкубации образцов гелей ПНИПА-ПСС7 наблюдается выделение ПСС из объема геля, что указывает на формирование более лабильной трехмерной структуры полу-ВПС.

Все изученные образцы обладают термочувствительными свойствами, выраженными в резком уменьшении объема при повышении температуры.

Для определения температуры перехода набухший-сколлапсированный гель анализировали помутнение и массу образцов при различных температурах.

Температура помутнения образцов зависит от доли ПСС (Таблица 2):

увеличение доли заряженных звеньев приводит к повышению температуры перехода.

Кинетика набухания гелей ПНИПА-ПСС100 при температуре выше НКТР ПНИПА представлена на Рисунке 5. Следует обратить внимание на то, что гели, в состав которых входит полиэлектролит, набухают в первые минуты после помещения в воду, и только через некоторое время начинают терять массу. Для геля ПНИПА подобное поведение не характерно: масса образца уменьшается сразу после помещения в воду с температурой выше НКТР. Отмеченная особенность кинетики набухания полу-ВПС наглядно демонстрирует конкуренцию гидрофобных и кулоновских взаимодействий:

набухание ПСС за счет кулоновских взаимодействий заряженных групп противодействует термоинициированному коллапсу ПНИПА.

m/m Рисунок 5. Кинетика набухания гелей ПНИПА-ПСС100 при Т=50°С, где m0 – масса образцов после синтеза.

Проведено исследование равновесной массы гелей полу-ВПС при циклическом изменении конформационного состояния гелей. Для этого образцы последовательно инкубировали в воде при температурах выше (500С) и ниже (230С) НКТР ПНИПА. Анализ коэффициента повторного набухания гелей после коллапса (coll T0. При расчетах было учтено, что в согласии с уравнением Больцмана интегральная интенсивность уменьшается с ростом абсолютной температуры как 1/Т. Расчет интегральной интенсивности проводился по пикам, характерным для термочувствительных полимеров.

На рисунках 11а и 11б представлены зависимости s-фактора от температуры для образцов ПВК и П(ВК-ВИМ), на рисунках 11в и 11г – для образцов ПНИПА и П(НИПА-ВСК(5%)). Во всех исследованных образцах sфактор резко возрастает от 0 к 1 при нагревании, что свидетельствует о коллапсе субцепей гидрогеля. S-фактор равен 1 с большой степенью гомополимеров ПНИПА и ПВК. В образцах, в состав которых входят нетермочувствительные сополимеры – ВСК и ВИМ – s-фактор не достигает значения 1, 0.9 для П(ВК-ВИМ) и 0.95 для П(НИПА-ВСК(5%)), даже при нагревании до температур, значительно превышающих критическую, что свидетельствует о том, что часть субцепей ПНИПА и ПВК не теряет свою подвижность, т.е. не коллапсирует, при нагревании выше НКТР. Это можно объяснить следующим образом: сополимеризация с нетермочувствительным сомономером сопровождается увеличением числа неактивных субцепей НИПА и ВК, т.е. достаточно коротких последовательностей мономерных звеньев, неспособных совершить кооперативный конформационный переход.

Сравнение графиков s-фактора (рис. 11) ПВК-содержащих и ПНИПАсодержащих микрогелей показывает, что кривая изменения s-фактора от 0 до 1 и обратно гораздо менее пологая в микрогелях на основе ПНИПА.

Следовательно, подвижность связей в ПНИПА-микрогелях очень сильно изменяется при варьировании температуры на 1-2°C, тогда как подвижность связей в ПВК-микрогелях изменяется в пределах достаточно большого сополимера увеличивает этот интервал.

Рисунок 11. Зависимость доли сколлапсированных субцепей в микрогеле (s) от температуры, (а) ПВК, (б) П(ВК-ВИМ), (в) ПНИПА, (г) П(НИПА-ВСК(5%)).

Критическую температуру перехода в данном методе исследования можно определить как перпендикуляр, опущенный на ось абсцисс от наиболее вертикально расположенного отрезка кривой s- фактора. Эта температура различна для всех образцов и несколько увеличивается с введением сополимеров ВСК и ВИМ. Значения критической температуры микрогелей ПВК (33.5°C) и ПНИПА (32.3°C), рассчитанные при помощи описанного выше метода, согласуются с данными о значениях НКТР этих термочувствительных полимеров, полученными другими методами.

Кривые s-фактора с большой степенью точности совпадают при нагревании и охлаждении без формирования петли гистерезиса. Проведено два цикла нагревания-охлаждения микрогелей, кривые первого и второго цикла также совпадают, что свидетельствует об обратимости термотропного конформационного перехода субцепей. Учитывая особенности метода синтеза термочувствительных полиэлектролитных микрогелей, можно предположить, что заряженные звенья в основном сконцентрированы во внешнем слое, тогда как ядро геля по большей части состоит из термочувствительных звеньев. В таком случае коллапс микрогелей определяется поведением обогащенного НИПА ядра и, соответственно, близок по механизму к коллапсу ПНИПА, переход которого обратим.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Синтезированы термочувствительные полиэлектролитные гидрогели на основе сополимеров НИПА с ВСК, ДАДМАХ и МАК. Изучено влияние природы и концентрации ионогенных групп на набухание и коллапс гелей. Введение ВСК, ДАДМАХ и МАК в полимерную сетку гидрогеля приводит к увеличению температуры перехода набухшийсколлапсированный гель. Амплитуда коллапса гелей увеличивается в случае ПНИПА/ВСК и ПНИПА/ДАДМАХ, и уменьшается в случае ПНИПА/МАК.

Методом ВЧ-ДСК исследованы термодинамические особенности коллапса гелей сополимеров П(НИПА-ВСК). Показано, что при нагревании происходит объемный фазовый переход, температура перехода повышается при увеличении доли винилсульфоната в структуре полимера. При этом коллапс не оказывает влияния на локальную структуру субцепей НИПА в исследуемых гелях.

гидрогели полувзаимопроникающих сеток на основе ковалентно сшитого ПНИПА и линейного ПСС разной молекулярной массы (Мw ~ 70000, 1000000). Показано, что увеличение молекулярной массы ПСС приводит к формированию стабильных гидрогелей. Введение ПСС (до 10 масс%) в гидрогель ПНИПА не подавляет термочувствительные свойства гидрогеля, но увеличивает степень набухания и вызывает повышение температуры коллапса. Кинетика набухания геля полу-ВПС при температуре выше НКТР ПНИПА определяется конкуренцией гидрофобных и электростатических взаимодействий.

Изучен процесс обратимости перехода набухшийсколлапсированный гель в образцах на основе сополимеров П(НИПА-ВСК) и П(НИПА-ДАДМАХ), полу-ВПС ПНИПА-ПСС. Впервые показано, что введение ионогенных групп ВСК, ДАДМАХ и ПСС в структуру полимерной сетки гидрогеля ПНИПА приводит к неполному восстановлению массы набухшего геля после высушивания или коллапса.

П(НИПА-ВСК), ПВК и П(ВК-ВИМ), получены РЭМ-изображения гелей, проведены измерения размеров микрогелей в растворе при различной температуре. Впервые проведен анализ ЯМР-спектров синтезированных гелей при варьировании температуры.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. E.Yu. Kozhunova, E.E. Makhaeva, A.R. Khokhlov. Collapse of thermosensitive polyelectrolyte semi-interpenetrating networks. // Polymer, 2012, vol. 53(12), p.2379-2384.

2. Е.Ю. Кожунова, Е.Е. Махаева, Н.В. Гринберг, Т.В. Бурова, В.Я.

Гринберг, А.Р. Хохлов. Коллапс полимерных гидрогелей на основе Nwww.sp-department.ru изопропилакриламида и винилсульфоната натрия. // ВМУ. Серия 3.Физика. Астрономия. 2012. 4. с. 54-58.

3. Кожунова Е.Ю., Махаева Е.Е., Хохлов А.Р. Влияние ионогенных групп на коллапс термочувствительных гелей. // Высокомолекулярные соединения, Серия А, 2011, 53(12), с. 2050- 4. Elena Yu. Kozhunova, Qingmin Ji, Jan Labuta, Elena E. Makhaeva, Katsuhiko Ariga. Synthesis and characterization of thermosensitive polyelectrolyte nanogels. //

Abstract

book “ICPOC-21”, P. 108, Great Britain, 2012.

5. Elena Yu. Kozhunova, E.E. Makhaeva and A.R. Khokhlov. Influence of ionogenic groups on the collapse of thermosensitive polyelecrolyte hydrogels. // Abstract book “ISP-2012”, P. 6-11, Switzerland, 2012.

6. E. Kozhunova, Q. Ji, E. Makhaeva, K. Ariga; Combination of organic and inorganic materials for novel nanocapsule design. // Abstract Book “MANA International Symposium 2011”, P. 60, Japan, 2011.

7. E. Kozhunova, E. Makhaeva; Thermosensitive hydrogels based on semiIPNs. Abstract book “Polymer Networks Group 20th Conference”, P. 31, Germany, 8. E. Kozhunova, E. Makhaeva; Ternary complexes of 3D polymeric chains.

Abstract book “Macro-2010” 43rd IUPAC Polymer Congress, Polymer Science in the Service of Society, G24-P14, Great Britain, 9. Kozhunova E., Makhaeva E. Ionogenic groups’ influence on conformational state of thermosensitive hydrogels. //Theses of 5th All-Russia Kargin Conference “Polymers-2010”, MSU, Moscow, 10. Kozhunova E. Influence of polymer network structure and composition on properties of thermosensitive polymers. //Theses of the XVI International student, postgraduate and young scientist conference «Lomonosov», MAKS Press, 11. Kozhunova E. Theses of the 3rd International conference Modern Achievements in Bionanoscopy – 2009, MSU, Moscow, 2009.