На правах рукописи

Никоноров Василий Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОГЕЛЕЙ ХИТОЗАНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО

ДИАЛЬДЕГИДАМИ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ

КРИОТРОПНОГО ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ

Специальности: 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов

02.00.06 – Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва – 2010 www.sp-department.ru

Работа выполнена на кафедре аналитической, физической и коллоидной химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Научные руководители:

доктор химических наук профессор Кильдеева Наталия Рустемовна доктор химических наук профессор Лозинский Владимир Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук профессор Штильман Михаил Исаакович доктор химических наук профессор Вихорева Галина Александровна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Центр «Биоинженерия» РАН

Защита диссертации состоится « 28 » декабря 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.01 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, Малая Калужская, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина».

Автореферат разослан « 26 » ноября 2010 года

Ученый секретарь профессор диссертационного совета Кильдеева Н.Р.

www.sp-department.ru

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Техногенные нагрузки на окружающую среду, возникающие в результате работы различных отраслей промышленности, приводят к существенному росту факторов риска для здоровья человека. Создание новых типов полимерных материалов, предназначенных для решения задач реабилитации человека и окружающей среды, является актуальным направлением химии и технологии высокомолекулярных соединений.

В последние десятилетия интенсивно развиваются исследования в области получения гидрогелей, на основе которых разрабатываются материалы различной физической формы. Ковалентное сшивание полимеров в их водных растворах бифункциональными реагентами приводит к формированию непрерывной сетки геля, обладающей прочностью и в то же время обеспечивающей свободную диффузию воды. Уникальные свойства гидрогелей позволяют разрабатывать на их основе новые сорбционные материалы, материалы биотехнологического (культивирование клеток) и биомедицинского (тканевая инженерия) назначения.

Гидрогели, полученные при положительных температурах, при удалении растворителя вследствие релаксации пористой структуры и контракции пор теряют способность удерживать воду. Добиться стабилизации пористой структуры можно путем проведения процесса гелеобразования в криоусловиях, когда замороженный растворитель, выполняющий роль порогена, после оттаивания системы придает гидрогелю макропористую структуру с системой сообщающихся пор.

Перспективным полимером для получения гидрогелей является биосовместимый, биоразлагамый природный полисахарид хитозан. Хитозан содержит доступные для модификации реакционноспособные аминогруппы, позволяющие легко осуществлять сшивание и функционализацию полимера. Наиболее распространенным сшивающим реагентом хитозана, используемым для получения гидрогелей, является глутаровый альдегид. Возможное присутствие в составе продуктов его взаимодействия с хитозаном сопряженных с двойными связями карбонильных групп приводит к росту токсичности гидрогеля. В этой связи весьма актуальным является разработка методов получения высокопористых гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих снижение токсичности и стабилизацию пористой структуры.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями исследований кафедры аналитической, физической и коллоидной химии МГТУ им. А.Н.

Косыгина, в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»

(2009–2010 гг.) (проект № 2.1.1/2859), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы» (Госконтракт № 16.740.11.0059), гранта РФФИ 08-04-12065-офи и Гранта молодых ученых МГТУ им. А.Н.Косыгина (2009 г.).

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось получение гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих стабилизацию пористой структуры и снижение содержания сшивающего реагента, изучение особенностей структуры гелевых матриц, их гидродинамических и сорбционных свойств.

Для достижения поставленной цели были определены основные задачи:

изучить влияние состава реакционной смеси и условий криотропного гелеобразования на свойства криогелей хитозана, сшитого глутаровым альдегидом;

установить закономерности гелеобразования в растворах хитозана в присутствии диальдегидного производного нуклеозида;

разработать метод функционализации криогелей хитозана;

изучить эффективность использования криогелей хитозана для удаления из растворов радионуклидов и тяжелых металлов Научная новизна.

Установлена взаимосвязь условий перехода раствор хитозана – гель в присутствии сшивающего реагента в области отрицательных температур, характера пористой структуры и свойств криогелей хитозана. Впервые показано, что, на широкопористую морфологию ковалентно-сшитых криогелей хитозана оказывают влияние эффекты переохлаждения реакционной массы во время ее замораживания.

Установлено, что особенности изменения гидродинамических свойств криогелей хитозана (уменьшение скорости протекания воды и снижение степени набухания гелевого каркаса) при повышении молекулярной массы хитозана связаны с влиянием разнонаправленных конкурирующих факторов: криоконцентрирования реагентов и нарастания вязкости системы, приводящей к снижению подвижности макромолекулярных цепей.

Установлено, что взаимодействие хитозана с диальдегидным производным уридина приводит к химическому сшиванию хитозана с образованием альдиминных связей и гелеобразованию в его растворах.

Впервые получено функционализованное производное хитозана путем его взаимодействия с пиридоксаль 5’-фосфатом.

Обнаружена высокая сорбционная способность функционализованных криогелей хитозана по отношению к ионам 90Sr2+, обусловленная как процессами комплексообразования с остатками пиридоксаль 5’-фосфатом, так и соосаждением гидролизованных форм нитрата стронция, инициированным образованием труднорастворимой соли стронция и пиридоксаль 5’-фосфата, привитого к хитозану.

Практическая значимость. Разработан метод получения высокопористых гидрогелей хитозана в условиях, обеспечивающих снижение содержания сшивающего реагента и стабилизацию пористой структуры, которые могут быть использованы в качестве новых сорбционных материалов и материалов биотехнологического и биомедицинского назначения. Разработан новый метод функционализации криогелей хитозана пиридоксаль 5’-фосфатом. Показана эффективность применения функционализованных криогелей хитозана для удаления ионов металлов и дезактивации растворов с низким уровнем радиоактивности.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 17 печатных работах: 10 статей, в том числе, 3 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК, и 6 тезисов докладов. Получено положительное решение о выдаче патента РФ.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации обсуждались и докладывались на: Шестой Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (Москва, 10-11 апреля, 2007); Всероссийской студенческой олимпиаде «Технология химических волокон и композиционных материалов на их основе» (Санкт-Петербург, 29-29 марта, 2007); 6ой Международной научно-практической конференции «Техника и технология химических волокон» (Чернигов, Украина, 21-25 мая, 2007); 4th Saint-Petersburg Young Scientists Conference (Saint-Petersburg, April 15-17, 2008); XV Всероссийской Конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2008); XIVth Symposium on Chemistry of Nucleic Acid Components (Cesky Krumlov, Czech Republic, June 8-13, 2008); Conference «Nanofibres for the 3rd millennium – nano for life» (Prague, Czech Republic, March 11-12, 2009); 9th International Conference of The European Chitin Society (Venice, Italy, May, 2009); Пятой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры – 2010» (Москва, 21-25 июня 2010); Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Нижний Новгород, 29 июня-2 июля, 2010).

Личный вклад соискателя. Экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно и обсуждены с научными руководителями работы.

Радиологические исследования проводили совместно с лабораторией радиохимии ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (рук. к.х.н. Велешко И.Е.). ИКспектры получены автором и обсуждены со специалистом фирмы Hitachi (Япония) к.х.н. Владимировым Л.В. Содержание остаточной воды по методу К.Фишера определяли совместно с Л.Н. Булатниковой (ИНЭОС РАН).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 171 странице машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, методической части, выводов, списка цитируемой литературы из 153 ссылок. Работа содержит 19 таблиц и 51 рисунок.

Содержание работы. Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы и указаны ее цели и задачи. В литературном обзоре проанализированы методы получения гидрогелей хитозана с использованием различных сшивающих агентами и в условиях криотропного гелеобразования. В методическом разделе дана характеристика используемых реагентов, описаны методы исследования, включая фотометрические методы: УФ-, ИКспектроскопию, оптическую микроскопию, радиометрию, титриметрический и реологический методы и методы математической обработки результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1 Синтез и свойства криогелей хитозана, сшитого глутаровым альдегидом Кинетику гелеобразования в системе «раствор хитозана – глутаровый альдегид (ГА)» можно изменять в широких пределах путем варьирования концентрации сшивающего агента. Однако при комнатной температуре относительно прочные сшитые гели получаются только при достаточно высоком содержании сшивающего агента в исходном растворе. Способность ГА к альдольной и кротоновой конденсации, усиливающаяся при взаимодействии с аминогруппами, приводит к образованию его токсичных ненасыщенных производных, что ограничивает применение гелей на основе хитозана, сшитого ГА.

Гелеобразование 2%-ого раствора хитозана в 2%-ной уксусной кислоте (рН 4.1), в присутствии ГА имеет место при соотношении ГА/NH2 не менее 1 моль/моль (или 2 карбонильные группы на 1 аминогруппу), при этом процесс сшивки происходит в течение продолжительного времени (2 часа). Изменение рН до 5.6, хотя и сокращает время гелеобразования, но способствует олигомеризации ГА. Одним из путей снижения концентрации сшивающего агента является проведение процесса гелеобразования в умеренно замороженных (-10…-30оС) средах. Несмотря на то, что в ряде работ была показана принципиальная возможность получения криогелей хитозана, открытым остается вопрос о влиянии условий получения (температуры, времени замораживания раствора), состава гелеобразующей системы, длины макромолекулярных цепей хитозана на свойства криогелей хитозана.

В работе использовались образцы хитозана с молекулярной массой (ММ) 190, 470 и 600 кДа и близкими значениями степени дезацетилирования (~90%).

На рис.1 приведены концентрационные зависимости динамической вязкости исследуемых образцов хитозана.

водных растворах полимеров в присутствии сшивающего реагента характеризуется скоростью потери системой способности к течению и выходом гельПа*с выход гель-фракции становится основным показателем эффективности сшивКонцентрация, г/дл Рис.1 – Зависимость динамической Как видно из рис.2, значения выховязкости от концентрации для растворов хитозана с ММ 190 (1), 470 (2) и да гель-фракции при оптимальной температуре синтеза монотонно убывали с 600 кДа (3).

увеличением молекулярной массы полимера. Температурные зависимости выхода гель-фракции имели экстремальный вид для всех исследуемых образцов хитозана. Подобный вид кривых обусловлен конкуренцией разнонаправленных факторов. С одной стороны, концентрирование реагентов в незамерзшей жидкой микрофазе (НЖМФ) приводит к увеличению скорости химической реакции, а с другой стороны, в процессе криоконцентрирования быстро нарастает вязкость реакционной системы, что снижает вероятность встраивания цепей хитозана в пространственную сетку криогеля.

Учитывая, что с ростом концентрации в наименьшей степени нарастает вязкость раствора хитозана с ММ 190 кДа (рис.1), и тот факт, что при гелеобраwww.sp-department.ru Выход гель-фракции, % Выход гель-фракции, % зовании в таком растворе достигался наибольший выход гель-фракции, можно сделать вывод, что в случае криотропного гелеобразования определяющую роль играла вязкость системы, рост которой препятствует эффективному сшиванию макромолекул хитозана с ММ 470 и 600 кДа.

Исследование степени набухания криогелей (рис.3), полученных из хитозана различной молекулярной массы, позволяет оценить влияние условий формирования на свойства получаемых гелей. В случае криогелей, полученных из растворов с наименьшим содержанием ГА, зависимость степени набухания от ММ хитозана проходила через минимум, а при самом высоком содержании сшивающего агента зависимость, наоборот, проходила через максимум. Эти факты также являются результатом роста концентрации и снижения подвижности реагентов реагентов при вымораживании растворителя.

Также среди факторов, которые могут оказывать заметное влияние на осмотические свойства криогелей, следует отметить некоторые специфические особенности динамики сшивания макромолекулярных цепей в неглубоко замоСтепень набухания, грамм/грамм Выход гель-фракции, % 190 (1,2) и 470 кДа (3,4) при –10 (1,3) и – сшитого полимера в ходе образования роженных системах «раствор хитозана – ГА» (рис.4). На рис.5 представлены соответствующие значения степени набухания образцов криогелей, полученных в течение различного времени. Было найдено, что при использовании хитозана с меньшей ММ встраивание его цепей в сетку геля протекало и быстрее, особенно при -10оС, и с более высоким выходом, чем при криотропном гелеобразовании в растворе более высокомолекулярного хитозана. Однако в отношении степени набухания тенденция была иной – криогели, синтезированные при -10оС из хитозана большей молекулярной массы (рис.5), набухали слабее, чем образцы на основе хитозана с меньшей ММ. Значимо более высокой набухаеwww.sp-department.ru мостью обладали криогели, в полимерный каркас которых было встроено большее количество цепей (выше выход гель-фракции), по сравнению с набухаемостью образцов, чье формирование протекало с несколько меньшей эффективностью. Это можно объяснить проявлением большей неоднородности распределения сшивок при более высокой скорости гелеобразования в системе с большей подвижностью (поступательной и сегментальной) реагентов. Подвижность реагентов увеличивается в системе с более низкой вязкостью НЖМФ, содержащей более короткие макромолекулы или при более высокой (-10оС по сравнению с -20оС) температуре.

Криогели, полученные при высоком соотношении ГА:NH2-группа, имели более сшитые, а значит и менее набухающие стенки макропор, и поэтому более через пористый материал, свидетельствуя тем самым о большем сечении капилляров последнего.

Изучение пористой морфологии тонких срезов хитозановых криогелей проводилось с помощью световой микроскопии (рис.7).

На поперечном срезе (рис.7а) хорошо видна морфология широкопористой гелевой системы с крупными ячейками сечением от десятков до примерно 200 мкм, а на продольном срезе (рис.7б) обнаруживается определенная ориентация тонwww.sp-department.ru ких (сечением5-10 мкм) стенок макропор вдоль главной оси цилиндрического образца.

Рис.7 – Микрофотографии окрашенных родамином тонких срезов (а – поперечный срез цилиндрического образца; б – продольный срез цилиндрического образца) хитозанового криогеля, синтезированного при -30оС. ММ хитозана 470 кДа. CHO/NH2 1:5.

Важным фактором, способным влиять на «архитектуру» пор соответствующего криогеля, является не только температура замораживания системы, но и такое явление, как возможное ее переохлаждение. Если система переохлаждается достаточно глубоко, что часто свойственно водным растворам полимеров в субнулевой области температур, то затем льдообразование происходит очень быстро, и сформировавшиеся кристаллики растворителя могут оказаться даже мельче, чем при замораживании той же исходной системы при более низкой температуре. Причем, чем выше отрицательная температура, тем дольше раствор может находиться в переохлажденном состоянии, но тем быстрее затем протекает собственно кристаллизация. Изучение морфологии пор криогелей, полученных при –10, –15 и –30оС в виде плоских дисков толщиной 2 мм (рис.8), показало, что именно эффект переохлаждения являлся причиной большей “протекаемости” колонок с хитозановыми криогелями, приготовленными при –15оС, чем колонок, сформированными при –10оС (рис.6).

Рисунок 8 – Микрофотографии (оптический микроскоп) поверхности 2 мм дисков криогелей, сформированных на основе хитозана с ММ 470 кДа при температуре а), -15 (б), -30 (в). Мольное соотношение СНО/NH2: 1:5; температура синтеза оС.

Полученные в результате обработки микрофотографий значения размеров пор (таблица 1) свидетельствовали, что капилляры наименьшего сечения были характерны для криогеля, сформированного при самой низкой температуре указанного диапазона, т.е. при –30оС, самые же крупные поры оказались у хитозанового криогеля, синтез которого осуществлялся не при –10, а при –15оС.

Этот результат, во-первых, хорошо коррелирует с данными о “протекаемости” широкопористых препаратов (рис.6) и, во-вторых, служит аргументом в пользу правильности предположения о возможном влиянии эффектов переохлаждения на морфологию порогена.

Установленные закономерности получения криогелей хитозана различной ММ на основе системы «раствор хитозана – ГА» позволили выбрать условия получения криогелей с оптимальными гидродинамическими характеристиками:

низкой степенью набухания, широкими порами и высокой скоростью протекания воды через криогель.

Таблица 1 – Результаты количественного Все криогели были получены анализа изображений микрофотографий при низкой концентрации ГА (соотхитозановых криогелей, сформированных ветствующей 1 моль ГА/5-50 моль теза криогеля, C мкм мкм зации в процессе сшивания хитозана.

2 Изучение взаимодействия хитозана с новым сшивающим реагентом – Другой возможностью снижения токсичности, гидрогелей хитозана является использование диальдегида, имеющего заместитель у С-атома в положении к карбонильной группе, что исключит возможность кротоновой конденсации при взаимодействии с аминогруппами и появление, как в случае ГА, продуктов реакции, содержащих сопряженные С=С-С=О и С=С-С=N- связи. В качестве такого сшивающего реагента было предложено диальдегидное производное нуклеозида уридина, которое можно рассматривать как 2,4замещенный 3-оксаглутаровый альдегид (1).

С целью получения гидрогелей, перспективных для создания материалов медицинского назначения, способных контактировать с живыми тканями, была изучена возможность сшивания хитозана окисленным производным уридина (оUrd), полученным в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН.

Сравнительное исследование скорости гелеобразования в растворе хитозана при использовании разных по строению диальдегидов: оUrd и ГА – показало, что oUrd взаимодействует с хитозаном значительно медленнее (рис.9).

При сшивке хитозана ГА одновременно с образованием оснований Шиффа протекает кротоновая конденсация, в результате которой образуются двойные углерод – углеродные связи, стабилизируюшие С = N – связи за счёт явления резонанса, и равновесие сдвигается в сторону образования продукта реакции.

Строение молекулы oUrd исключает кротоновую конденсацию, поэтому процесс сшивания хитозана сводится к образованию альдиминных связей между молекулами диальдегида и депротонированными аминогруппами хитозана. В результате даже при высоком соотношении оUrd/NH2 2.5 моль/моль время гелеобразования составляло 40 минут.

Увеличение молекулярной массы хитозана приводило к снижению времени гелеобразования. Так, например время, в течение которого система утрачивала способность к течению при рН 5.6 и соотношении oUrd/NH2 0. моль/моль, при увеличении ММ с 200 до 600 кДа снижалось с 100 до 20 минут (рис.10). Этот факт обусловлен большим числом межмолекулярных водородных связей, возникающих в растворе между длинными макромолекулами аминополисахарида. Вследствие этого для потери такой системой способности к течению достаточно меньшего числа сшивок.

Время гелеобразования, мин Изучение жесткости гелей, полученных сшивкой окисленным уридином, показало, что после завершения гелеобразования реакция не заканчивается, в результате чего происходит упрочнение геля. Этот процесс сопровождается выделением свободной воды, чего не наблюдается при использовании глутарового альдегида. Этот факт связан с тем, что ГА, в основном, расходуется на увеличение длины межмолекулярных сшивок в результате кротоновой конденwww.sp-department.ru сации, процесс сшивки oUrd приводит к увеличению числа коротких межмолекулярных сшивок.

Для изучения влияния условий реакции на строение продуктов взаимодействия хитозана с диальдегидом были изучены ИК-спектры хитозана и его производного, полученного в результате сшивки oUrd (рис. 11). Характеристическая полоса поглощения пуринового основания уридинового цикла в области спектра 1679 см 1 (характеристическая суммарная полоса валентных и деформационных колебаний функциональных групп уридинового цикла) позволила идентифицировать и оценить содержание уридина в образцах хитозана.

окисленный уридин была также изучена в условиях криотропного гелеобразования. Показано, что использование oUrd позволяет получить криогель при более низком содержании Рис. 11 – ИК-спектры хитозана (1), хитозана, сшитого oURD при рН 4,1 (2) и 5,6(3) 3 Получение нового сорбента на основе криогеля хитозана Неподеленная электронная пара азота аминогруппы хитозана придает этому полимеру свойства полилиганда при сорбции меди, кобальта и других элементов, имеющих вакантную орбиталь. Эффективность сорбции ионов других металлов невелика вследствие отсутствия в макромолекуле хитозана специфических ионогенных групп. Модификация может приводить как к повышению емкости сорбента, так и к селективной сорбции различных элементов, в том числе и радионуклидов. Известно, что введение фосфатной группы приводит к усилению сорбционных свойств сорбентов по отношению к целому ряду элементов, включая редкоземельные и трансурановые элементы.

С целью повышения эффективности сорбции хитозана по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в качестве модифицирующего реагента был выбран пиридоксаль 5‘-фосфат (ПФ) (2), кофактор ПФ-зависимых ферментов – соединение, содержащее, кроме фосфатной группировки, реакционноспособную в реакциях с первичными аминами карбонильную группу.

Модификацию криогелей хитозана ПФ осуществляли непосредственно после завершения криотропного гелеобразования и депротонирования свободных аминогрупп. Образование продукта взаимодействия хитозана с ПФ (3) было доказано с использованием ИК-спектроскопии (рис.12).

OH OH OH OH

HO HO HO HO

HO HO HO

Рис.12 – Фурье ИК-спектры ПФ продукта рассчитанное по изменению повзаимодействия криогеля хитозана с ПФ (1), глощения раствора ПФ (=310 нм) хитозана (2), ПФ (3) и разностный спектр, по- после контакта с криогелем, возлученный вычитанием спектров 1-2 (4). растало с увеличением числа депротонированных аминогрупп и в криогеле, модифицированном при рН 5.6, и составило 470 мг/г хитозана или 0.32 моль/моль NH2.

4 Изучение сорбционных свойств криогелей хитозана Криогели хитозана, сшитого ГА (КХТЗ), а также криогели хитозана, содержащие ПФ (КХТЗ-ПФ), были протестированы в процессах сорбции из растворов ионов меди и радионуклидов разного уровня радиоактивности 233U(VI), Am, 249Pu, 152,154Eu и 90Sr2+.

Как видно из таблицы 2, величина равновесной сорбционной обменной емкости (РСОЕ) КХТЗ при сорбции из растворов CuSO4 ниже известной из литературных данных о полной сорбционной обменной емкости (ПСОЕ) хитозана.

Это связано с тем, что сшивка ГА происходит преимущественно по аминогруппам, которые являются центрами специфической сорбции Cu2+, в результате такой модификации их количество уменьшается. Соответственно снижается сорбционная способность криогеля, т.к. в процессе комплексообразования вовлечены именно свободные аминогруппы.

Таблица 2 Параметры процесса сорбции ионов меди (II) криогелями хитозана как к увеличению РСОЕ функциоКриогель C0 CuSO4, Vo10, РСОЕ, нализованного криогеля, так и ммоль/л моль/(лмин) ммоль/г скорости процесса сорбции в реКХТЗ 5 45 0.4 зультате снижения влияния диффузионных факторов на кинетику бифункционального реагента смешанного типа, образующего внутри- и межмолекулярные сшивки за счет ковалентных и ионных связей. Образование дополнительных сшивок ПФ должно влиять на гидродинамические характеристики криогеля и скорость процесса сорбции.

Сорбционные свойства криогелей хитозана по отношению к радионуклидам изучали в статических и динамических условиях в модельных растворах неактивных солей разного состава, содержащих радиоактивные метки соответствующих радионуклидов.

Самым распространенным и промышленно-важным радиоактивным элементом является уран. Известно, что диссоциация солей урана в водных растворах приводит к образованию оксокатионов, преимущественно катионов UO22+. С увеличением концентрации раствора UO2SO4 закономерно увеличиваются значения равновесной сорбционной емкости и снижается коэффициент распределения. Полученные значения РСОЕ (4.2 для КХТЗ и 4.7 для КХТЗ-ПФ) превышали известные литературные данные по сорбции уранил-ионов на хитозане и его производных. Для оценки взаимодействия сорбата с сорбентом были получены изотермы сорбции (рис.13) и с использованием линейной формы уравнения Ленгмюра рассчитывались значения полной сорбционной обменной емкости (ПСОЕ) криогелей по ионам 233U(VI). Полученные значения ПСОЕ для криогеля хитозана и криогеля хитозана, модифицированного ПФ, составили 4. и 5.3 ммоль/г соответственно.

Для растворов, моделирующих жидкие радиоактивные отходы с невысоким содержанием солей (5 г/л NaNO3), испытан метод сорбционной очистки от актинидов в динамических условиях.

геля хитозана и по отношеРис. 13 – Изотермы сорбции U(VI) на криогеле нию к Eu3+. Значения Kd осхитозана (1) и криогеле хитозана, модифициро- тавались высокими в интерванном ПФ (2) в растворе UO2SO4; рН 5, T = 298 вале рН от 3 до 7, при этом К, V/m = 1000. максимальное значение коэффициента распределения для КХТЗ-ПФ составило 4.4·103 мл/г, что на 2 порядка выше, чем при сорбции на немодифицированном криогеле. Зависимость Kd 152,154Eu3+ от рН, полученная при изучении сорбции на криогелях из раствора Eu(NO3)3 (рис. 14), имеет экстремальный характер, что может быть обусловлено изменением степени диссоциации протонированных аминогрупп хитозана и кислотных групп фосфатной группировки при изменении рН, а также частичным гидролизом соли европия при щелочных рН и снижением прочности связывания гидратированного иона.

Kd, мл/г Рис. 14 – Влияние рН на сорбцию 152,154Eu3+ увеличиваются, в то время как знаКХТЗ (1) КХТЗ-ПФ (2). V/m=1000, кон- чения Kd 90Sr2+ уменьшаются. Наицентрация раствора Eu(NO3)3 10-4 моль/л. большее значение Kd для 90Sr2+ на КХТЗ-ПФ, равное 2700 мл/г получено при концентрации 90Sr(NO3)2, равной 5.6·10-4 моль/л.

На основании полученных результатов для растворов с невысоким содержанием солей (концентрация NaNO3 5 г/л) предложен метод сорбционной очиwww.sp-department.ru стки растворов от 90Sr2+ в динамическом режиме. Выходная кривая на КХТЗПФ, приведена на рис.15. Там же для сравнения представлена выходная кривая 90 2+ Sr, полученная на криогеле хитозана. Как видно из рис.15, криогель хитозана практически не извлекает 90Sr2+, в то время как КХТЗ-ПФ, удерживает его на колонке при пропускании более 200 колоночных объемов.

стронция на криогеле хитозана, модифицированном ПФ Как видно из таблицы 4, 90Sr2+ и 152,154Eu3+ практически не сорбируются на криогеле из немодифицированного хитозана. В случае 233U(VI) сорбция, напротив, высокая и достигает 4.2 ммоль/г КХТЗ. Этот факт может объясняться существованием в растворе сульфата урана анионов типа [U2O5(SO4)3]4- и [UO (SO4)3]4-, которые в условиях сорбции (рН 5) могут взаимодействовать с протонированными аминогруппами хитозана Таблица 4 – Результаты сорбции радионуклидов (РН) криогелем хитозана и криогелем хитозана, модифицированным ПФ, и осаждения РН из растворов ПФ 152, Модификация с помощью ПФ приводит к резкому увеличению сорбционной емкости криогелей хитозана по отношению к 152,154Eu3+ и 90Sr2+ (таблица 4) и почти не влияет на сорбцию 233U(VI). Сравнение величины сорбционной емкости КХТЗ-ПФ по отношению к 152,154Eu3 в пересчете на 1 моль ПФ с состаwww.sp-department.ru вом продукта осаждения Eu(NO3)3 ПФ показывает, что сорбция происходит исключительно за счет введенных фосфатных групп.

Результаты осаждения ПФ Sr(NO3)2 из раствора с рН 9.5 показывают, что столь высокая степень осаждения 90Sr2+ из раствора (в составе осадка на моль ПФ приходится 11.5 моль 90Sr2+) не может объясняться только комплексообразованием ПФ со 90Sr2+, хотя факт образования комплекса подтверждается результатами ИК-спектроскопии. По-видимому, образование труднорастворимой соли стронция и ПФ инициирует процессы образования и осаждения гидролизованных форм нитрата стронция.

Учитывая, что сорбционная емкость КХТЗ-ПФ в расчете на 1 моль ПФ превышает содержание стронция в продукте осаждения Sr(NO3)2 ПФ, нельзя исключить участие в комплексообразовании со 90Sr2+ функциональных групп хитозана.

Таким образом, исследование процесса сорбции радионуклидов криогелями хитозана показало, что КХТЗ может быть использован для удаления U(VI) из низкоконцентрированных жидких радиоактивных отходов, а КХТЗПФ для выделения ионов 90Sr2+ из растворов с низким уровнем радиоактивности.

ВЫВОДЫ

1.Установлены закономерности криотропного гелеобразования в неглубоко замороженных растворах хитозана, сшиваемого глутаровым альдегидом, и получены широкопористые криогели хитозана при низком содержании сшивающего реагента в реакционной смеси, т.е. при концентрациях, не приводящих к гелеобразованию в области температур выше 0оС.

2. Выявлены следующие особенности криотропного гелеобразования системы «раствор хитозана – глутаровый альдегид»: несовпадение максимумов на температурных зависимостях выхода гель-фракции и степени набухания полимерной фазы гетерофазного материала, а также неоднозначная зависимость скорости протекания воды через криогели от степени набухания стенок макропор, связанные с влиянием эффектов переохлаждения на морфологию кристаллов льда, формирующих широкопористую структуру геля.

3. Показано, что снижение эффективности реакции криотропного гелеобразования, степени набухания и скорости протекания воды через криогель с увеличением ММ хитозана связано с ростом вязкости раствора в незамерзшей жидкой микрофазе, и как следствие, с возникновением затруднений для эффективного взаимодействия свободных аминогрупп хитозана и карбонильных групп в продукте взаимодействия хитозана и ГА.

4. Установлены закономерности гелеобразования в растворах хитозана в присутствии нового сшивающего реагента хитозана – диальдегидного производного нуклеозида уридина, использование которого исключает кротоновую конденсацию, приводящую к образованию продукта с двойными связями.

5. Предложен новый метод функционализации хитозана путем взаимодействия с пиридоксаль 5’-фосфатом. Получены функционализованные криогели хитозана и изучена их эффективность в процессах сорбции радионуклидов и тяжелых металлов.

6. Показано, что криогель, полученный из растворов хитозана и ГА, может быть эффективно использован для удаления ионов Cu2+, а также 233U(VI) и других актинидов из малосолевых жидких радиоактивных отходов, а криогель хитозана, модифицированный пиридоксаль 5’-фосфатом - для выделения ионов 90 2+ Sr из растворов с низким уровнем радиоактивности.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. В.В. Никоноров, П.А. Перминов, Н.Р. Кильдеева. Закономерности структурообразования в растворах хитозана в присутствии сшивающего реагента для получения волокнистых биокатализаторов. // Химические волокна. – 2006. – № 2.

2. Н.Р. Кильдеева, Л.М. Тимофеева, И.А. Абронин, В.Г. Бабак, П.А. Перминов, В.В. Никоноров. Структурообразование в растворах хитозана в присутствии сшивающего реагента при получении биологически активных полимерных материалов. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2007. – Т. 50. – Вып. 3. – С. 53-56.

3. В.В. Никоноров, Р.В. Иванов, Н.Р. Кильдеева, Л.Н. Булатникова, В.И. Лозинский. Синтез криогелей хитозана, сшитого глутаровым альдегидом, и изучение их свойств. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. – 2009. – Т. 52. – № 4. А.В. Миронов, П.А. Перминов, А.Н. Ромашова, В.В. Никоноров. Исследование полимерных систем – носителей биологически активных компонентов и разработка на их основе текстильных композиционных материалов. // В сб. научн.

трудов, выполн. по итогам конкурса грантов молодых исследователей «ГРАНТ-2005». – Москва, 2006 г. – С. 3-8.

5. Н.Р. Кильдеева, Т.В. Смотрина, В.В. Никоноров, П.А. Перминов, В.И. Лозинский, Р.В. Иванов. Гидрогели на основе ковалентно-сшитого хитозана. // Материалы Девятой Межд. конф. «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». 2008. С. 23–27.

6. N.R. Kildeeva, P.A. Perminov, A.N. Zakharova, V.V. Nikonorov, S.N. Mikhailov.

Periodate oxidized derivatives of nucleosides and nucleotides as novel crosslinking reagents. // Proceedings of XIVth Symposium on Chemistry of Nucleic Acid Components. – Cesky Krumlov, Czech Republic, 2008. – Vol. 10. – P. 407–409.

7. N.R. Kildeeva, V.I. Lozinsky, R.V. Ivanov, V.V. Nikonorov, P.A. Perminov, S.N.

Mikhailov. Preparation and physicochemical properties of chitosan gels and cryogels.

// Proceedings of 9th International Conference of The European Chitin Society. – Venice Italy, 2009. – PO3-31 (P. 1-6).

8. Н.Р. Кильдеева, В.В. Никоноров, И.Е. Велешко, А.Н. Велешко, П.А. Перминов.

Получение и свойства гидрогелей хитозана. // Вестник Московского государственного текстильного университета. – 2009 г. С.59-63.

9. И.Е. Велешко, А.Н. Велешко, Е.В. Румянцева, В.В. Никоноров, Р.В. Иванов, В.И. Лозинский, С.Н. Михайлов, Н.Р. Кильдеева. Получение ковалентносшитых криогелей хитозана и их использование для сорбции урана из растворов. // Материалы Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». – Нижний Новгород, 2010 г. – С.

10. В.В. Никоноров, А.Н. Сонина, Л.М. Симаненкова, Н.Р. Кильдеева. Исследование закономерностей получения гидрогелей на основе хитозана в присутствии сшивающих агентов при умеренном замораживании системы. // Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых исследователей (ГРАНТ – 2009). – Москва, 2010 г. – С. 8- 11. В.В. Никоноров, П.А. Перминов, Н.Р. Кильдеева. Исследование закономерностей структурообразования в растворах хитозана в присутствии сшивающего реагента для получения волокнистых биокатализаторов. // В сб. тез. докл. «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности». – Москва, 2005. – С. 165-166.

12. В.В. Никоноров. Изучение взаимодействия хитозана с глутаровым альдегидом для создания различных форм иммобилизованных ферментов. // Сб. тезисов «Технология химических волокон и композиционных материалов на их основе». – С.-Петербург, 2007 г. – С. 13. V.V. Nikonorov, R.V. Ivanov. Preparation and properties of chitosan cryogels. //

Abstract

book of 4th Saint-Petersburg Young Scientists Conference. – St.-Petersburg, 14. В.В. Никоноров, П.А. Перминов, А.Н. Захарова, А.И. Донецкая, С.Н. Михайлов, Н.Р. Кильдеева. Гелеобразование в растворах хитозана в присутствии сшивающих реагентов. // Сб. тезисов докл. и сообщ. XV Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем» 2008. С. 153.

15. В.В. Никоноров, Р.В. Иванов, Н.Р. Кильдеева, И.Е. Велешко, В.И. Лозинский.

Криогели хитозана, сшитого глутаровым альдегидом. // Тез. докл. пятой международной Каргинской конференции «Полимеры -2010». – Москва, 2010.С. 16. В.В. Никоноров, Н.Р. Кильдеева, В.И. Лозинский, Р.В. Иванов. Получение гидрогелей хитозана методом криотропного гелеобразования. // Тез. докл. IV всероссийской научной конференции (с международным участием) «Физикохимия процессов переработки полимеров». – Иваново, 2009. – С. 51-52.

17. С.Н. Михайлов, Н.Р. Кильдеева, П.А. Перминов, А.Н. Захарова, В.В. Никоноров, А.И. Донецкая. Новые сшивающие агенты для получения биосовместимых материалов на основе хитозана. // Решение о выдаче патента от 07.09.2010. Дата публикации заявки 27.05.2010. Заявка на патент РФ №2008146008/20(060132). Приоритет от 21.11.2008.