На правах рукописи

МЕНЬШИКОВА АНАСТАСИЯ ЮРЬЕВНА

МОНОДИСПЕРСНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ C

УПРАВЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРОЙ

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук член-корреспондент РАН, профессор

Научный консультант:

Иванчев Сергей Степанович доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Грицкова Инесса Александровна доктор химических наук, профессор Шатаева Лариса Константиновна доктор химических наук Павлюченко Валерий Николаевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Защита диссертации планируется «03» апреля 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.229.01 при Институте высокомолекулярных соединений РАН по адресу: 199004, Санкт-Петербург, В.О. Большой пр. 31, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института высокомолекулярных соединений РАН.

Автореферат разослан « » _2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Н.А. Долотова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Метод гетерофазной полимеризации в эмульсионном, дисперсионном или суспензионном вариантах обеспечивает в настоящее время производство полимерных дисперсий (латексов) различного назначения (каучуки, дисперсионные краски, покрытия). Достижения современной технологии при этом позволяют регулировать строение цепей, их молекулярно-массовое распределение, улучшать прозрачность, пленкообразующие и физико-механические свойства образующихся полимерных систем, что делает полимерные дисперсии широко востребованными в крупнотоннажном масштабе.

В конце XX столетия возникли новые задачи по разработке полимерных дисперсий, отвечающих специфическим требованиям не только к диаметру частиц и их распределению по размерам, но также к строению и свойствам их поверхностного слоя, в том числе, к его толщине, функциональности, степени гидрофобности и стабильности поверхностной структуры. Эти требования были сформулированы в связи с появлением новых возможностей использования полимерных дисперсий в биотехнологии для создания диагностических иммунореагентов путем связывания биологически активных веществ (БАВ) с частицами и проведения биоспецифических процессов в их поверхностном слое, а также в нанотехнологии для формирования новых типов материалов, в том числе, пространственнопериодических твердотельных структур с нелинейными оптическими свойствами.

Потребности в таких полимерных дисперсиях не являются крупнотоннажными, но их разработка и получение крайне важны для развития биотехнологии и новой техники. Вышесказанное вызывает необходимость создания научных основ управления поверхностными свойствами частиц в процессе гетерофазной (со)полимеризации и при их последующей поверхностной модификации. В частности, для биотехнологии актуальны исследования изменений в поверхностной структуре частиц при связывании БАВ, а также изучение влияния гидрофобности поверхностного слоя, распределения в нем реакционно-способных и ионогенных групп, их кислотно-основных свойств на эффективность экспонирования биолигандов для участия в биоспецифических реакциях. Актуальность исследований, связанных с методами получения монодисперсных частиц электропроводящих полимеров, а также композитных частиц, содержащих магнитные или металлические наночастицы, определяется необходимостью придания им специальных (магнитных, электропроводящих, оптических) свойств, востребованных в нанотехнологии. При этом также выдвигается задача создания научных основ для формирования частиц определенной морфологии с включением наночастицмодификаторов в состав поверхностного слоя. Для нанотехнологии особенно актуально выявление условий, в которых монодисперсные частицы проявляют способность к самосборке, поскольку этот процесс перспективен для создания материалов с внутренней иерархической структурой, которые могут стать новой элементной базой оптоэлектроники и телекоммуникационной индустрии.

Исследование влияния природы полимера, дисперсности и поверхностной структуры частиц на качество образуемых ими решеток, а также поиск новых синтетических подходов для введения в них люминофоров и хромофорных группировок, испускающих или поглощающих свет в области фотонной запрещенной зоны трехмерно упорядоченных полимерных матриц, актуально для разработки методов управления их фотонно-кристаллическими свойствами.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИВС РАН, а также по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Индустрия наносистем и материалов) и Научным программам Президиума РАН («Наноструктуры в полимерных системах, перспективных для оптоэлектроники», «Органические и гибридные наноструктурированные материалы для фотоники»), Отделения химии и наук о материалах РАН («Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений») и СПбНЦ РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты «Направленное регулирование поверхностных свойств полимерных наночастиц в процессе синтеза» и «Исследование реакционной способности функциональных групп и биолигандов на поверхности полимерных частиц»).

Цель – разработка методологических подходов к формированию полимерных частиц требуемого размера, дисперсности, поверхностной структуры и функциональности для применения в био- и нанотехнологии.

В ходе исследования решались задачи:

• выявления факторов, позволяющих управлять размером, дисперсностью, поверхностной структурой и функциональностью частиц в процессе эмульсионной и дисперсионной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола;

• исследования влияния степени гидрофобности поверхностного слоя, распределения и реакционной способности функциональных групп частиц на связывание и эффективность экспонирования БАВ для участия в биоспецифических реакциях;

• разработки методов модификации монодисперсных полимерных частиц наночастицами магнетита, благородных металлов, хромофорными группировками;

• выявления влияния дисперсности и поверхностных характеристик субмикронных частиц на их способность к самосборке в трехмерно упорядоченные периодические структуры, проявляющие фотонно-кристаллические свойства.

Научная новизна. Впервые разработана методология управления дисперсными характеристиками и поверхностными свойствами частиц, формируемых в процессе гетерофазной (со)полимеризации, и выявлено определяющее влияние этих свойств на способность частиц к связыванию биолигандов и их эффективному экспонированию для участия в биоспецифических реакциях. Установлено, что формирование монодисперсных полимерных частиц требуемого размера и функциональности (карбоксильные, альдегидные и аминогруппы) с оптимальной степенью гидрофобности и стабильности поверхностной структуры достигается путем целенаправленного варьирования природы и концентрации основных и функциональных сомономеров, инициатора, регуляторов роста цепи, гидрофильных полимеровстабилизаторов, поверхностно-активных веществ, а также рН, ионной силы и полярности реакционной среды. Разработаны оригинальные методы формирования карбоксилированных магнетитсодержащих нано- и субмикронных частиц, в которых магнетит экранирован полимером от взаимодействия с дисперсионной средой; а также полимерных микросфер, покрытых наночастицами благородных металлов. Найдены новые синтетические подходы (контроль реакции обрыва цепи и степени ионизации реагентов) к получению субмикронных частиц сополимеров стирола с функциональными сомономерами со среднеквадратичной дисперсией размера менее 2%, которые способны к самосборке в трехмерные решетки фотонных кристаллов высокой степени совершенства.

Практическая значимость. Разработаны методы получения широкого круга монодисперсных полимерных частиц диаметром от 30 нм до 5.3 мкм с поверхностной концентрацией карбоксильных, альдегидных, аминогрупп в диапазоне 0.28–4.5 мкг-экв/м2, в том числе, магнетитсодержащих частиц. Полученные частицы перспективны для использования в био- и нанотехнологии. Оптимизированы условия связывания этими частицами ряда антител и антигенов белковой природы, что позволило обеспечить их экспонирование на границе раздела фаз и сохранение биоспецифической активности. Монодисперсные частицы сополимеров стирола с функциональными сомономерами успешно применены в качестве структурных элементов фотонных кристаллов высокой степени совершенства.

Положения, выносимые на защиту:

• Направленное регулирование в процессе гетерофазной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола размера, дисперсности, функциональности и структуры поверхностного слоя формируемых частиц может быть осуществлено путем варьирования природы и концентрации основного мономера, инициаторов с функциональными группами, функциональных сомономеров, сшивающих агентов, регуляторов роста цепи, анионных ПАВ, гидрофильных полимеров, буферной соли, а также рН, полярности реакционной среды и температурного режима процесса.

• Целенаправленное распределение биолигандов на поверхности носителя для эффективного участия в биоспецифических реакциях осуществляется на основе рационального выбора типа полимерных частиц и оптимальных условий их поверхностной модификации путем адсорбции или ковалентного связывания. При этом учитывается реакционная способность функциональных групп, степень гидрофильности и стабильности структуры поверхностного слоя, величина и распределение в нем поверхностного заряда.

• Использование двухстадийной гетерофазной сополимеризации с введением функциональных сомономеров на второй стадии процесса и фиксацией их звеньев с помощью сшивающих агентов в поверхностном слое образующихся монодисперсных частиц является эффективным методом их модификации люминофорами, а также функциональными группами для ковалентного связывания хромофорных группировок или фотовосстановления благородных металлов на полимерной поверхности.

• Формирование монодисперсных магнетитсодержащих наночастиц и микросфер, в которых магнетит экранирован полимером от дисперсионной среды, может быть осуществлено методами одно- и двухстадийной эмульсионной полимеризации в присутствии магнитных жидкостей в условиях, когда частицы магнетита и полимерной матрицы имеют разноименные заряды.

• Возможность реализации процесса самосборки полимерных частиц в трехмерно упорядоченные периодические структуры, проявляющие фотонно-кристаллические свойства, определяется специфическими свойствами поверхностных слоев частиц на основе сополимеров стирола с гидрофильными функциональными сомономерами и исключительно узким распределением частиц по размерам (среднеквадратичная дисперсия менее 2%).

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных симпозиумах II–V «Molecular Мobility and Order in Polymer Systems» (С.-Петербург, 1996, 1999, 2002, 2005), международных конференциях XI и XII «Surface Forces»

(Москва, 1996; Звенигород, 2002), «Polymer Colloids» (Irsee, Германия, 2002), XVI и XVII European Chemistry at Interface (Владимир, 2003; Loughborough, UK, 2005), «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (С.Петербург, 2001, 2004), «Spectroscopy of Partially Ordered Macromolecular Systems»

(Прага, Чехия, 2003), «Current and Future trends in polymeric materials» (Прага, Чехия, 2005), «Polymers in Dispersed Media» (Лион, Франция, 2004), «Modern Problems of Condensed Matter Optics» (Киев, Украина, 2006), IV «Фундаментальные проблемы оптики» (С.-Петербург, 2006), 1-st European Chemistry Congress (Будапешт, Венгрия, 2006), на ХVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), VIII–XIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2001–2006), III Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово, 2006) и II-IV Всероссийских Каргинских конференциях (Москва, 2000, 2005, 2007).

Полимерные частицы-носители и методики их модификации биолигандами переданы в организации биомедицинского профиля, где показана эффективность их применения в основанных на реакции агглютинации латекса (РАЛ) тест-системах для определения дифтерийного токсина, антител к возбудителям менингита, легионеллеза, рецепторам мозговой ткани, а также к вирусу иммунодефицита человека. Модифицированные карбоксиметилдекстраном частицы полиметилметакрилата (ПММА) успешно применены в ГНЦ прикладной микробиологии как адъювантные носители, усиливающие иммунный ответ организма на связанный с ними антиген. Монодисперсные частицы полистирола и (со)полимеров на основе дивинилбензола или диметакрилата этиленгликоля испытаны с положительным результатом в Российском государственном педагогическом университете им. А.И.

Герцена в качестве формообразующих реакционных темплатов для фотовосстановления благородных металлов в их поверхностном слое. Полимерные фотонные кристаллы высокой степени совершенства, полученные путем самосборки монодисперсных частиц, использованы в Физико-техническом институте РАН как модельные объекты для изучения тонких фотонно-кристаллических эффектов и экспериментальной апробации теоретических разработок.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 статей и 33 тезисов докладов, получено 2 патента РФ.

Вклад автора состоял в постановке целей и задач исследования, определении методологических подходов к решению поставленных задач, планировании эксперимента и непосредственном в нем участии, в проведении анализа полученных результатов, их интерпретации и обобщении.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов, библиографического списка (377 наименований), изложена на 297 страницах, содержит 132 рисунка и 66 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Проведен анализ современных представлений о механизмах гетерофазной полимеризации, изложены основные требования к монодисперсным полимерным частицам для био- и нанотехнологии, рассмотрены электроповерхностные свойства и структура поверхности частиц различной гидрофобности, взаимодействие с ней биолигандов, применение монодисперсных полимерных частиц в биотехнологии, а также их способность к самосборке в трехмерные фотонные кристаллы.

Глава II содержит краткое описание основных реагентов и методов гетерофазной полимеризации, изучения процесса полимеризации, характеристик образующихся частиц, а также специальных свойств полимерных частиц и их структур.

Глава III. Результаты и их обсуждение III.1. Монодисперсные частицы полистирола (ПС) с карбоксильными группами III.1.1. Особенности безэмульгаторной эмульсионной полимеризации (БЭП) стирола под действием карбоксилсодержащего азоинициатора 4,4'-азо-бис(4цианизовалериановой кислоты) (ЦВК) были изучены с целью получения анионных монодисперсных латексов модельных дисперсий для коллоидно-химических исследований. Применение вместо К2S2О8 этого инициатора обеспечило присутствие на поверхности частиц только карбоксильных групп и открывало возможность управления процессом БЭП путем варьирования рН и ионной силы реакционной смеси. Обнаружено, что скорость БЭП закономерно возрастает с повышением концентрации ЦВК (рис. 1). Порядок реакции по инициатору в стационарный период зависит от исходного рН реакционной смеси (рН0): 0.64 при рН0 9.5 и 0. при рН0 11.6. Экстремальный и симбатный характер изменения поверхностного натяжения и рН обусловлен образованием в водной фазе олигомерных радикалов и олигомеров, которые и образуют по мере роста цепи первичные ядра. Падение рН тем заметнее, чем ниже концентрация ЦВК, тогда как при инициировании персульфатом вследствие взаимодействия ион-радикала с водой имеет место обратная зависимость. Возрастание рН на последней стадии БЭП также указывает на отличие причин изменения рН при полимеризации стирола под действием ЦВК. Метод позволяет формировать монодисперсные частицы ПС. При фиксированном рН0 их размер возрастает с уменьшением концентрации ЦВК и при Рис. 1. Конверсия стирола (1,4), (2,5) и скорость полимеризации w (1), концентрН (3,6) в ходе БЭП при рН0 9.5, ЦВК 1.5 рацию частиц N (2), их диаметр D (3) и (1-3) и 2.0 мас.% (4-6) к стиролу. Стирол : поверхностный заряд Q (4) при 2. повышении концентрации стирола, что характерно и для безэмульгаторных латексов, получаемых под действием персульфатов. Вместе с тем, существенное влияние на размер частиц и его среднеквадратичную дисперсию оказывает рН (рис. 2). Симбатные зависимости концентрации частиц N и стационарной скорости полимеризации w от рН0 указывают, что полимер-мономерные частицы (ПМЧ) являются основной зоной реакции. Влияние рН0 на ход БЭП и свойства латексов определяется изменением степени ионизации карбоксильных групп ЦВК и продуктов полимеризации. Расчет степень ионизации -СООН групп на поверхности частиц как отношения их поверхностных зарядов, определенных потенциометрическим (фон 10-3 М NaCI) и кондуктометрическим титрованием (Q/Q0), дает 0.90 при рН 9.5 (рис. 2, точка б). В области рН 10.5, где кривые 1–3 имеют экстремум, все карбоксильные группы ионизованы. Дальнейший рост рН0 лишь повышает ионную силу и приводит к связыванию свободного заряда -СОО– в ионные пары -COO–Na+.

Это снижает устойчивость первичных ядер, приводит к укрупнению частиц и уменьшению их числа. В результате сокращается зона протекания стационарного процесса и падает его скорость. Повышение рН0 вызывает снижение поверхностной активности олигомеров и олигомерных радикалов, что затрудняет нуклеацию и адсорбцию олигомеров ПМЧ и приводит к длительному сосуществованию двух зон полимеризации (водная фаза и ПМЧ) и, следовательно, к уширению распределения частиц по размерам (РЧР). Введение электролитов увеличивает размер образующихся частиц, причем буферные соли способны также контролировать кислотно-основное равновесие в ходе БЭП. Так, при сильнощелочном рН0 диаметр частиц ПС возрастал с увеличением концентрации Nа2НРО4. Снижение концентрации ЦВК и повышение содержания стирола приводят к увеличению диаметра частиц (рис. 3а), что соответствует представлениям о механизме БЭП. Однако при больших концентрациях Nа2НРО4 полидисперсность латекса возрастает (рис. 3б), поскольку агрегативная устойчивость снижается при сжатии диффузной части двойного электрического слоя (ДЭС) частиц. Зависимости поверхностной концентрации карбоксильных групп [COOH]S и (рис. 3 б) имеют антибатный характер, причем наиболее узкое РЧР достигается при наибольшем заряде поверхности частиц (рис. 4а). Скорость БЭП максимальна при рН0 11.5 (рис. 5а), когда ионизация -COOH групп способствует образованию самых мелких частиц.

При низком рН0 = 8.3 реакция идет медленнее, т.к. поверхностный заряд частиц недостаточен для обеспечения их устойчивости, число частиц мало, а их агрегация в процессе БЭП уширяет РЧР. На стадии нуклеации при высоком рН0 значения рН снижаются вследствие связывания щелочи развитой поверхностью первичных ядер (рис. 6). Однако в присутствии буферной соли снижение вскоре сменяется плавным ростом, что обусловлено агрегацией этих ядер и уходом цепей с концевыми карбоксильными группами в Н-форме с уменьшающейся поверхности раздела фаз в объем ПМЧ. На этой стадии поверхностное натяжение падает (рис. 5б) в результате образования олигомеров и олигомерных радикалов. В ходе БЭП концентрация инициатора в водной фазе понижается, скорость сорбции олигомеров ПМЧ начинает превышать скорость их образования – вновь возрастает. Широкий максимум на кинетических зависимостях рН в этот период (рис. 6г) указывает, что помимо поглощения олигомерных радикалов и олигомеров в Н-форме в ПМЧ существует и противоположно направленный процесс: выдвижение концов Рис. 3. Диаметр частиц D (1-3), его (4,5) и Рис. 4. РЧР латексов ПС, полученных в поверхностная концентрация [СООН]S (6) при присутствии 10-2 М Na2HPO4 (а) и без pH0 11.5 в зависимости от концентрации Na2HPO4 при 7 (1,2,4,5,6) и 10 об.% (3) стирола к воде, 7.14·10-3 (2,3,5,6) и 10-2 М и 80оС.

(1,4) ЦВК и 80оС.

Рис. 5. Конверсия стирола (а) и (б) в ходе БЭП при 7.14·10-3 М ЦВК, 10-2 М Nа2НРО4, 10 об.% стирола к воде, 80оС.

полимерных цепей с -СООН группами из объема к поверхности ПМЧ. Этот процесс начинает преобладать, когда уменьшение концентрации олигомеров в водной фазе ограничивает их сорбцию. Более того, в отобранных по ходу БЭП пробах через сутки поверхностное натяжение практически неизменно, тогда как рН продолжает снижаться (рис. 6). В случае рН0 10.5, различия в значениях рН в ходе БЭП и через сутки достигают максимального рН = 2.2. При больших рН0 вклад образующейся карбоксилированной полимерной поверхности в изменение рН менее заметен, а при слабощелочном рН0 эти изменения нивелирует присутствие Nа2НРО4. Без нее низкое рН0 = 8.3 в процессе БЭП возрастает до 11.1, при этом конверсия мономера достигает 100%, а полученный латекс имеет довольно узкое РЧР (рис. 4). Напротив, в присутствии Nа2НРО4 при рН0 = 8.3 конверсия едва достигает 50% и образуется полидисперсный латекс. Однако при более высоких рН0 введение Nа2НРО4 в реакционную смесь не только приводит к увеличению размера частиц, но и позволяет сузить РЧР (рис. 4), поскольку препятствует снижению рН в начале БЭП и тем самым стабилизирует поверхностный заряд растущих ПМЧ.

III.1.2. Электроповерхностные свойства частиц ПС с карбоксилированной поверхностью исследовали для латекса с диаметром частиц 0.63 мкм и поверхностной концентрацией [COOH]S 1.70 мкг-экв/м2. Связывание частицами ПС ионов ОН– возрастало с повышением рН и концентрации NaCl (рис. 7) в согласии с теоретическими представлениями о строении ДЭС. При концентрации NaCl 10-1 М адсорбция ОН– достигала предельной величины, совпадающей с результатом кондуктометрического титрования. Из зависимостей отношения электропроводности дисперсии ПС и фонового электролита от объемной доли частиц по уравнениям теории Вагнера рассчитывали удельную поверхностную проводимость Кs (рис. 8), а также поправки к величинам -потенциалов частиц с учетом поверхностной проводимости. Повышение рН среды закономерно приводило к возрастанию отрицательного -потенциала карбоксилированной поверхности (рис. 9).

Однако для, рассчитанных по Смолуховскому, наблюдалась слабая зависимость от концентрации фонового электролита при фиксированном рН (рис. 10), что не соответствует теоретическим представлениям. Напротив, введение поправок на поверхностную проводимость согласно теории Генри, позволяет получить более Рис. 7. Влияние рН и фонового электролита на связывание ионов ОНповерхностную проводимость частиц ПС.

частицами ПС.

Рис. 9. Зависимости -потенциала Рис. 10. Зависимости -потенциала частиц частиц ПС (по Смолуховскому) от рН. ПС от концентрации NaCl.

выраженный характер зависимостей при концентрациях NaCl, меньших 10-3 М. На основании полученных данных можно заключить, что, несмотря на гидрофобность ПС, возможны перестройки конформации полимерных цепей на границе с водной фазой при изменении ее электролитного состава. В щелочной среде с концентрацией электролита 10-3 М и ниже такие цепи могут быть выдвинуты в водную фазу благодаря ионизации концевой -СООН группы. В результате поверхностный слой частиц разрыхляется, а оказавшиеся в нем противоионы обеспечивают избыточную проводимость дисперсии. С увеличением ионной силы уплотнение этого слоя и образование в нем ионных пар приводит к снижению Кs и слабой зависимости от концентрации электролита в области 10-3–10-2 М.

III.1.3.Частицы сополимеров стирола с бифункциональными мономерами (БФС):

диметакрилатом этиленгликоля (ДМЭГ), дивинилбензолом (ДВБ) и глицидилметакрилатом (ГМА), содержащим винильную и эпоксидную группы, получали, предполагая, что сшивание полимерных цепей с помощью БФС обеспечит постоянство поверхностной структуры частиц при изменении состава дисперсионной среды. Уже 2 мас.% любого из использованных БФС оказалось достаточно, чтобы снизить диаметр частиц с 0.83 мкм (для несшитого ПС) до 0.45–0.50 мкм (табл. 1) в результате ускорения нуклеации при формировании разветвленных и сшитых полимерных цепей. Увеличение поверхности ПМЧ при уменьшении их размера расширяет зону протекания БЭП, а формирование сшитых структур затрудняет обрыв растущих цепей в ПМЧ и приводит к выраженному гель-эффекту (рис. 11).

Концентрация [СООН]S заметно уменьшалась при введении в реакционную смесь Влияние БФС на характеристики частиц сшитого ПС *Компоненты реакционной смеси: 1.43.10-2 М ЦВК, 20 г/л ПВП.

Рис. 11. Конверсия мономеров в БЭП Рис. 12. Влияние рН на -потенциал стирола и его сополимеризации с БФС. частиц ПС (1) и сополимеров стирола с БФС. Самые низкие значения получены в случае 5 мас.% ДМЭГ. Звенья этого наименее гидрофобного БФС могут локализоваться, по преимуществу, в поверхностном слое частиц и формировать плотную сетчатую структуру, что затрудняет выдвижение концов полимерных цепей с -СООН группами из объема на границу с водной фазой. Уже при 2 мас.% ДМЭГ гель-эффект наступает гораздо раньше, чем при использовании гидрофобного ДВБ, что также обусловлено удерживанием растущих радикалов в сетчатой структуре поверхностного слоя.

ГМА, занимающий по своей гидрофобности промежуточное положение в ряду БФС, обеспечивает при 5 мас.% в два раза большую величину [COOH]S, несмотря на повышенное содержание гель фракции в частицах (табл. 1).

Сдвиг рН в щелочную область приводит к возрастанию отрицательных потенциалов частиц, что наиболее ярко проявляется для несшитых частиц ПС с большей поверхностной концентрацией [COOH]S (рис. 12). Напротив, при сдвиге рН в кислую область отрицательные значения несколько выше для частиц П(СтГМА) и П(Ст-ДМЭГ), несмотря на меньшие величины [COOH]S. Для этих частиц, выдержанных в кислой среде только 1 ч, такое различие еще более заметно, что указывает на ограничение подвижности полимерных цепей с концевыми -СООН группами на густо сшитой поверхности и, следовательно, на большую длительность перестройки поверхностной структуры частиц при установлении «равновесных»

значений -потенциала.

III.1.4. Cинтез монодисперсных частиц ПС с карбоксилсодержащим азоинициатором в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН) проводили с целью получения монодисперсных частиц диаметром порядка 100 нм, которые могут быть использованы в качестве моделей вирусов. Для сохранения гомогенного механизма нуклеации ДСН вводили в реакционную смесь в концентрации близкой его критической концентрации мицеллообразования (ККМ – 8.16.10-3 М при 25оС).

Размер частиц ПС закономерно снижался с увеличением концентрации ДСН (рис.

13). Наименьший диаметр достигался в сильнощелочной среде благодаря дополнительной стабилизации ПМЧ олигомерными ПАВ. Однако конкуренция сульфо групп ДСН и карбоксилат-ионов за место в поверхностном слое приводит к снижению поверхностной концентрации [СООН]S с увеличением рН0 и содержания Влияние условий полимеризации на характеристики наночастиц ПС * Полимеризацию проводили при 5 мас.% стирола к водной фазе и 90оС.

эмульгатором. При этой концентрации ДСН и рН0 9.5–9.6 размер частиц возрастал с увеличением концентрации инициатора (табл., % силу реакционной среды. Одновременное увеличение рН0 до 10.4–10.5 и концентрации ДСН до 8.16.10-3 М привело к обратной зависимости размера частиц от концентрации ЦВК при общем уменьшении их диаметра и [СООН]S, мкг-экв/м уширении РЧР. При концентрациях ДСН, меньших ККМ, зависимость диаметра частиц от рН0 имеет пологий минимум (рис. 13), что 1. характерно и для БЭП стирола под действием равной или большей ККМ, диаметр частиц Рис. 13. Влияние рН0 на диаметр заметно снижается, а РЧР уширяется именно частиц ПС (а), (б) и поверхностпри сильнощелочных рН0, что обусловлено ную концентрацию [СООН]S (в).

нуклеацией как по гомогенному, так и по ЦВК 3.57.10-4 М.

мицелярному механизму. Тем не менее, снижение рН0 позволяет и в этих условиях получать монодисперсные латексы, значения для которых не превышают 5–6%.

III.1.5. Дисперсионная полимеризация (ДП) стирола под действием ЦВК в присутствии поливинилпирролидона (ПВП) как стерического стабилизатора была проведена с целью получения монодисперсных микросфер ПС с карбоксилированной поверхностью и размером более 1 мкм. С уменьшением полярности среды в ряду (этанол-вода) – этанол – (этанол-толуол) диаметр микросфер возрастает, а их РЧР несколько уширяется (табл. 3, рис. 14). Такую зависимость наблюдали ранее и при инициировании 2,2-азо-бис-изобутиронитрилом, что указывает на независимость механизма полимеризации от содержания в инициаторе -СООН групп. В слабо полярной среде стабилизирующая способность привитых сополимеров Влияние полярности среды на характеристики микросфер ПС* *Компоненты реакционной смеси: 1.43.10-2 М ЦВК, 20 г/л ПВП.

D, мкм [COOH]S, мкг-экв/м2 D, мкм [COOH]S, мкг-экв/м 1. 1. Рис 14. Влияние исходных концентраций стирола (а) и Рис. 15. Конверсия стирола в ПВП (б) на диаметр (1) микросфер ПС, полученных в смеси этанол-вода (93:7 об.%) смеси этанол/вода (93:7 об.%), и на поверхностную при исходных 1.92 М стирола ПС/ПВП, образующихся in situ, снижается, т.к. они лучше сольватированы по ПСблокам. Более того, в этих условиях само образование привитых сополимеров происходит не столь эффективно, поскольку цепи ПВП свернуты и менее доступны для радикальной атаки. При ДП в этаноле с 7 об.% воды и достаточно высоким содержанием ПВП (20 г/л) наибольшие величины [СООН]S достигаются в области низких концентраций стирола (рис. 14 а), что обусловлено низкими молекулярными массами (ММ) образующихся цепей ПС (24.103–49.103). Постоянство поверхностной концентрации [CООН]S при повышении содержания стирола указывает на неизменность числа привитых цепей с концевыми -СООН группами на одну цепь ПВП (рис. 14). Зависимость диаметра частиц от концентрации стирола имеет минимум при 1.15 М (рис. 14а), поскольку дальнейшее ее повышение снижает полярность среды. Это позволяет получать монодисперсные частицы заданного диаметра, различающиеся структурой привитых сополимеров и поверхностной концентрацией [СООН]S. При высокой концентрации стирола и низком содержании ПВП из-за недостаточной стабилизации образуются полидисперсные микросферы (рис. 14б), а с повышением содержания ПВП – монодисперсные частицы меньшего диаметра. При этом снижается поверхностная концентрация концевых -СООН групп привитых цепей ПС, что подтверждает уменьшение числа точек прививки на цепь ПВП. Повышение концентрации ПВП с 15 до 30 г/л приводит к увеличению продолжительности полимеризации в растворе с 30 до 60 мин (рис. 15), к формированию более мелких частиц: 1.90 и 1.64 мкм соответственно, и к возрастанию скорости полимеризации в ПМЧ с 1.28·10-4 до 1.61·10-4 моль/л·с.

Анализ привитых сополимеров ПС/ПВП, выделенных экстракцией в спиртовой вытяжке IПВП/IСт* блоков Число точек Число * Отношение интенсивностей полос 1674 см-1 (валентные колебания С=О лактамной группы ПВП) и 700 см-1 (деформационные колебания С-Н бензольных колец ПС).

В качестве фактора, позволяющего контролировать структуру привитых сополимеров и дисперсность микросфер, рассмотрена также температура введения инициатора. Диаметр монодисперсных частиц ПС возрастал в ряду: 2.75 (25оС), 3. (65оС), 3.80 мкм (72оС). При введении ЦВК в реакционную смесь, нагретую до температуры полимеризации (78оС), образовывался полидисперсный латекс, что указывает на слабую стабилизирующую способность привитых сополимеров с большим количеством коротких цепей ПС и малой длиной сегментов ПВП между точками прививки. Такая структура сополимеров подтверждается понижением ММ ПС и разности ее значений, определенных в ДМФА и в толуоле (соответственно 47.103 и 66.103 при 78оС вместо 57.103 и 120.103 при 25оС). Более высокие значения ММ, при измерениях в толуоле, который является осадителем ПВП, могут быть обусловлены агрегацией привитых сополимеров. Анализ методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) полимерных фракций, экстрагированных с поверхности микросфер ПС, подтвердил присутствие в экстракте только привитых сополимеров и отсутствие ПВП. Методом ИК-спектроскопии оценено массовое содержание в них блоков ПС и ПВП. Исходя из содержания -СООН групп в выделенных сополимерах и полагая, что на каждую привитую цепь ПС приходится одна концевая -СООН группа, для трех образцов, полученных в различных условиях, были рассчитаны среднее число (n) цепей ПС, привитых на цепь -потенциала микросфер ПС до и после экстракции - привитых сополимеров ПС/ПВП при рН 2.0–2. (рис. 16), обусловленная протонированием лактамных групп ПВП, показывает, что привитые сополимеры не полностью удаляются из Рис. 16. Влияние рН на поверхностного слоя. Однако -потенциал резко потенциал частиц ПС до (1,2) и возрастал после их частичной экстракции, что после (3,4) спирто-щелочной Рис. 17. Изотермы хемосорбции (1) и Рис. 18. Структура поверхности образцов ПС адсорбции (2) БСА, а также ИЭТ частиц после связывания БСА: (А) с большим латексов 5сэ (а) и 9сэ (б) после количеством коротких цепей ПС привитых хемосорбции (3) и адсорбции (4). на цепь ПВП и (Б) с малым количеством свидетельствует об уменьшении экранирования поверхностного заряда частиц, поскольку к плоскости скольжения выносится больше карбоксилат-ионов на концах полимерных цепей в результате возрастания их конформационной подвижности.

С целью выявления роли привитых сополимеров поверхностного слоя в процессе связывания белка были сопоставлены изотермы хемосорбции и адсорбции бычьего сывороточного альбумина (БСА), а также положение изоэлектрических точек (ИЭТ) для образцов, различающихся структурой привитых сополимеров в поверхностном слое. Образец 5сэ был получен в условиях, когда структура этих сополимеров характеризуется большим количеством коротких привитых ПС цепей (аналог образца 7сэ), для образца 9сэ характерно меньшее количество более длинных привитых цепей ПС (табл. 4). Ковалентное связывание БСА проводили, активируя -СООН группы носителя водорастворимым карбодиимидом (КДИ) в присутствии N-гидроксибензотриазола, удаляя избыток реагентов и проводя взаимодействие с аминогруппами белка при рН 5.5. Адсорбцию БСА проводили в тех же условиях без активации -СООН групп. Изотермы адсорбции для образцов 5сэ и 9сэ выходят на плато при 1.6 и 2.7 мг/м2 соответственно (рис. 17). Напротив, значения хемосорбции для образца 5сэ возрастают во всем исследованном диапазоне концентраций БСА. Превышение значений хемосорбции над адсорбцией (рис. 17а) может быть обусловлено разрыхлением поверхности частиц в процессе активации -СООН групп и дальнейшего взаимодействия с БСА. Такому разрыхлению способствует экстракция привитых сополимеров с короткими цепями ПС. Для образца 9сэ привитые цепи ПС имеют большую длину и лучше закреплены в поверхностном слое, что обеспечивает ему более стабильную структуру и отсутствие различий в значениях адсорбции и хемосорбции. При наибольших значениях адсорбции – 2.7 мг/м2 на 1 мкм2 поверхности частиц образца 9сэ находятся 2.3·104 глобул БСА, что приближается по величине к предельной адсорбции на гидрофобных частицах ПС (2.5·104 глобул БСА на 1 мкм2). Таким образом, гидрофилизация поверхности за счет блоков ПВП привитых сополимеров не препятствует эффективному связыванию белка. Следует также учесть, что адсорбция, то есть концентрирование белка в поверхностном слое, является первым этапом взаимодействия и при его ковалентном связывании. Близкие значения хемосорбции и адсорбции свидетельствуют о сохранении конформации белка при химическом связывании, т.к. площадь на 1 глобулу в поверхностном слое соответствует гидродинамическому радиусу БСА (3.6 нм). Уже при минимальных значениях хемосорбции ИЭТ образца 5сэ равна 4.7–4.8 (рис. 17а), что попадает в интервал ИЭТ нативного БСА и указывает на полное экранирование поверхности белком. С увеличением поверхностной концентрации БСА до 3.2 мг/м2 значения ИЭТ неожиданно уменьшаются до 4.0. Этот факт указывает на формирование мозаичной структуры с выдвижением к плоскости скольжения фаз как глобул белка, так и сополимеров ПС/ПВП (рис. 18а). Для образца 5сэ снижение ИЭТ происходит не только в случае хемосорбции, но также при адсорбции, что подтверждает заметное влияние на значение ИЭТ конформационно подвижных цепей привитых сополимеров, которые не позволяют белку полностью экранировать поверхность. Только в случае образца 9сэ, постоянство высоких значений ИЭТ при всех степенях заполнения поверхности белком и любом типе связывания указывает на его эффективное экспонирование на границе раздела фаз (рис. 17б, 18б). Таким образом, строение сополимеров ПС/ПВП оказывает существенное влияние на стабильность поверхностной структуры частиц и на характер изотерм адсорбции и хемосорбции белка.

III.2. Монодисперсные частицы ПММА с карбоксильными группами III.2.1. Безэмульгаторная эмульсионная полимеризация ММА под действием карбоксилсодержащего инициатора была применена для получения носителей иммунореагентов на основе ПММА, менее гидрофобного, чем ПС, что должно уменьшать неспецифическое взаимодействие белков с полимерной поверхностью.

Кроме того, ПММА имеет более высокую плотность и меньший показатель преломления, что является его преимуществами в процессах, требующих быстрого оседания частиц или применения оптических методов учета РАЛ. Как и при проведении БЭП стирола под действием ЦВК, прослежено влияние рН0 на процесс полимеризации ММА. Поскольку при БЭП стирола уже наблюдали сильное изменение рН в первые минуты процесса полимеризации, количество NaOH, необходимое для достижения заданного рН0, определяли предварительным титрованием реакционной смеси раствором щелочи. В отличие от БЭП стирола, заметный индукционный период, падение скорости реакции и конверсия ММА ниже 80%, наблюдались при высоком рН0 (рис. 19а). При достижении конверсии 30–50% скорость полимеризации и ММ резко возрастали, свидетельствуя, что основной зоной роста цепей являются ПМЧ, достаточно крупные для проявления гель-эффекта. Одновременно резко повышалось (рис. 19б), указывая на практически полное поглощение мономера и олигомерных ПАВ в ПМЧ. Только при рН0 11.7 невысокие значения говорят о присутствии их в водной фазе на всем протяжении БЭП. В ходе БЭП рН смещалось в кислую область тем сильнее, чем выше было значение рН0: при рН0 11.7 концентрация ионов ОН– падала на порядков. Предположение о протекании в системе одновременно с полимеризацией гидролиза ММА до метакриловой кислоты (МАК) было подтверждено при изучении модельных смесей, содержащих корковую кислоту (рис. 20). При БЭП, начатой в сильнощелочной среде, ионизация звеньев МАК в олигорадикалах затрудняет нуклеацию и приводит к длительному индукционному периоду (рис.

19а). Анализ дисперсионной среды латексов обнаружил карбоксилсодержащие продукты, не диффундирующие через диализный целлофан с порами 100.

Однако, в основном, в водной фазе с участием МАК образуются олигомеры, стабилизирующие растущие частицы. С увеличением рН0 повышается степень ионизации -СООН групп, приводя к возрастанию устойчивости частиц и уменьшению их среднего диаметра (рис. 21). Вместе с тем, при рН0 11.7 увеличение продолжительности нуклеации приводит к уширению РЧР. При БЭП стирола уменьшение диаметра частиц приводило к увеличению скорости процесса, тогда как в случае ММА с повышением рН0 его скорость уменьшается симбатно с размером частиц. Это связано с падением рН (рис. 19в) и, следовательно, поверхностного заряда ПМЧ в процессе БЭП. При подкислении среды степень ионизации -СООН групп в составе олигорадикалов уменьшается, что увеличивает скорость их захвата и обрыва в ПМЧ. Сополимеризация ММА с МАК в растворе также приводит к падению общей скорости процесса. С повышением рН поверхностная концентрация [COOH]S в латексах, отмытых от водорастворимых примесей (рис. 21), снижалась, что свидетельствует об удалении карбоксилсодержащих олигомеров и полимеров. Поэтому значения [COOH]S на частицах 100 X, %, мН/м Рис. 19. Конверсия ММА (а), поверхи поверхностную концентрацию [СООН]S ностное натяжение (б) и pH (в) реакционной смеси в процессе БЭП.

ПММА не выше, чем для частиц ПС, полученных в БЭП с карбоксилсодержащим азоинициатором.

III.2.2. Синтез микросфер ПММА в присутствии буферных солей был исследован с целью подавления гидролиза ММА, а также выявления дополнительных факторов управления характеристиками частиц ПММА (табл. 5). Повышение ионной силы за счет NaCl приводило к торможению БЭП при достижении конверсии ММА 75%, когда рН реакционной смеси уменьшалось до 5.7. Это вызывало падение поверхностного заряда частиц и их агломерацию. Напротив, в присутствии Na2HPO4 и KH2PO4 конверсия ММА достигала 90% благодаря поддержанию рН в области 6.8– 7.2, что обеспечило агрегативную устойчивость частиц. Природа буферных солей также влияет на ход БЭП и характеристики частиц. Так, в присутствии Na2HPO4 при рН0 7.47 образуются более мелкие частицы вследствие большей степени ионизации карбоксильных групп, чем в присутствии KH2PO4. При увеличении рН0 в диапазоне 8.47–11.15 размер образующихся частиц практически не изменялся, а величина [COOH]S даже повышалась, поскольку формирование в ионных пар снижает латеральное отталкивание карбоксилат-ионов в поверхностном слое (рис. 21).

Таким образом, введение буферных солей различной природы и концентрации позволяет формировать при БЭП ММА под действием ЦВК монодисперсные частицы ПММА и варьировать концентрацию -СООН групп на их поверхности.

Влияние солевого состава реакционных смесей на скорость полимеризации ММА w в стационарный период и характеристики частиц ПММА *ММА 10 мас.%, ЦВК 0.2 мас.% к воде.

Агрегативная устойчивость латекса в ходе трации декстрана (рис. 22), т.к. увеличение его содержания вызывает флокуляцию частиц через полисахаридные цепи. С целью Декстран, мас.% регулирования размера частиц в реакционную смесь вводили Na2HPO4, что Рис. 22. Влияние декстрана на диаметр вызывало линейный рост диаметра частиц частиц ПММА (1), образование при сохранении агрегативной устойчивости коагулюма (2) и поверхностную латекса, тогда как без декстрана при концентрацию [СООН]S (3).

высоких концентрациях Na2HPO стабилизаторов на гидролиз ММА было изучено на моделях реакционных 0. смесей. В присутствии декстрана и кислая соль KH2PO4 замедляет гидролиз, и на стадии нуклеации Рис. 23. Влияние Na2HPO4 на диаметр частиц концентрация МАК незначительна. ПММА при 0.2 мас.% декстрана к воде (1) и В присутствии карбоксилированных без него (2).

производных декстрана гидролиз ММА еще более замедляется из-за наличия в системе большего количества карбоксильных групп. Даже при высоких рН концентрация МАК в моделях реакционных смесей через 1 ч не превышала 0. мол.%. Таким образом, удалось значительно ограничить гидролиз ММА.

III.2.5-7. Синтез частиц ПММА в присутствии карбоксилированных производных и полиальдегида декстрана был проведен для увеличения поверхностной концентрации -СООН групп, а также введения альдегидных групп в поверхностный слой.

Влияние производных декстрана на характеристики частиц ПММА Опыт Полимерный стабилизатор Коагулюм, D, [-СOOH]S/[-СНO]S pH При этом использовали карбоксиметилдекстран (КМД), карбоксиэтилдекстран (КЭД) и полиальдегид декстрана (ПАД) с разной степенью замещения (СЗ). Самые крупные частицы формировались при введении в реакционную смесь 0.25 мас.% каждого из этих производных (табл. 6), а наибольшая поверхностная концентрация [COOH]S достигалась при 0.15–0.20 мас.%. Для частиц, полученных в присутствии КМД, величина [COOH]S заметно выше, чем в случае КЭД с той же СЗ 0.61. Вместе с тем, КЭД обеспечил меньший размер частиц и низкое содержание коагулюма (табл. 6), что свидетельствует о лучшей стабилизирующей способности. При увеличении СЗ КЭД до 0.91 величина [COOH]S снижалась, а количество коагулюма возрастало. Можно допустить, что с повышением СЗ КЭД из-за отталкивания ионизованных карбоксильных групп образуются рыхлые поверхностные структуры большой толщины, причем низкая концентрация -СООН групп на границе раздела фаз приводит к худшей стабилизации частиц, и их агрегации в результате флокуляции.

онных кривых совпадает. Это указывает на сохранение механизма присутствии карбоксилированных самого начала синтеза в 2.5–3 раза выше (рис. 24а). Такую картину 24б). Вместе с тем, в присутствии Рис. 24. Конверсия ММА при полимеризации в производных декстрана образуют- растворах 0.02 М Na2HPO4 (а) или КН2PO4 (б) без ся столь же крупные частицы (1) и в присутствии 0.25 мас.% декстрана (2), КМД ПММА (табл. 6), как и при с СЗ 0.61 (3), КЭД с СЗ 0.61 (4) и 0.91 (5) или ПАД использовании декстрана (0.50 с СЗ 1.15 (6).

мкм) или без стабилизаторов (0.73 мкм). Кроме того, применение КМД с СЗ 0. или КЭД с СЗ 0.61 и 0.91 повышает средневязкостную ММ ПММА: 35.7·104, 28.3·104 и 43.5·104 соответственно, тогда как без стабилизаторов – лишь 22·104, а с декстраном – 23.2·104. Значительное увеличение скорости полимеризации ММА, наряду с ростом ММ, указывает на изменение скоростей элементарных актов процесса. Можно полагать, что его ускорение обусловлено торможением обрыва растущих радикалов при их фиксации в адсорбционном слое, сформированном производными декстрана. Возможность реакции передачи цепи на эти полимерыстабилизаторы подтверждена тонкослойной хроматографией водорастворимых полимерных фракций, в которых обнаружено присутствие привитых сополимеров производных декстрана и ПММА.

C целью получения наночастиц ПММА в реакционные смеси, наряду с карбоксилированными производными декстрана и 2·10-2 М Na2HPO4, вводили додецилсульфат натрия. В присутствии КМД удалось получить частицы диаметром 76 нм с наиболее узким РЧР = 8.3% и величиной [COOH]S 1.30 мкг-экв/м2.

Увеличение СЗ КМД до 0.94 приводило к росту [COOH]S до 2.94 мкг-экв/м2, но сопровождалось образованием коагулюма. Однако в присутствии КЭД с СЗ 0. удалось получить агрегативно устойчивые частицы диаметром 50 нм при 11.9%.

III.3. Монодисперсные частицы сополимеров акролеина со стиролом или ММА получали с целью введения в поверхностный слой частиц альдегидных групп методом БЭП, инициированной К2S2О8. Синтез сополимеров акролеина со стиролом (ПСАК) или с ММА (ПММААК) представляет интерес и для выяснения влияния водорастворимого мономера на ход БЭП и механизм формирования частиц. При сополимеризации акролеина со стиролом наиболее полно процесс протекал при их мольном отношении 1 : 1. Снижение температуры с 60 до 55оС закономерно уменьшения скорости распада инициатора, но получить более крупные частицы из-за снижения конверсии. Напротив, при повышении содержания мономеров конверсия достигала 90%, при 0.3 0.4 0. этом формировались частицы диаметром 0. мкм. Введение 2 10 М NaCl несколько повышало диаметр частиц, но полидисперсность лило поддержать слабокислую среду, что шения сомономеров на их конверсию и характеристики образующихся частиц.

размер растет (рис. 25б). Поверхностная концентрация альдегидных групп (рис. 25в) Рис. 25. Влияние доли акролеина в возрастает симбатно с повышением количества смеси с ММА на его конверсию (1а), звеньев акролеина в частицах (рис. 25а). содержание его звеньев (2а) и гельПоверхностная концентрация [COOH]S также фракции в сополимере (1б), диаметр слегка увеличивается, поскольку сополимеров с высоким содержанием звеньев (1в) и -СООН групп (2в) на их акролеина дольше остаются в водной фазе и их поверхности.

альдегидные группы в большей мере подвержены окислению персульфатом (рис.

25в). Полученные частицы являются частично сшитыми системами, причем количество гель-фракции возрастает с увеличением доли акролеина и гидрофобности его сомономера (табл. 7). Это подтверждает механизм межмолекулярного сшивания с участием -С=С- и -С=О связей акролеина.

Методом газовой хроматографии изучена кинетика сополимеризации акролеина с ММА или стиролом при мольном отношении сомономеров 1 : 1. Константы сополимеризации ММА и акролеина в диоксане равны 10 и 0.2 соответственно, и при равной концентрации сомономеров в реакционной зоне скорость расхода ММА должна быть заметно выше. Противоположный результат (рис. 26а), полученный при конверсии мономеров до 50%, обусловлен меньшей растворимостью в воде ММА (0.15 моль/л) по сравнению с акролеином (3.7 моль/л). В результате 70% акролеина растворено в водной фазе исходной реакционной смеси. Под действием Сополимер Мол. доля акролеина в акролеина реакционной смеси К2S2О8 в ней образуются олигомерные радикалы и олигомеры. Из-за незначительного различия в 80 X, % (а) полярности сомономеров они имеют низкую поверхностную активность, позже формируют ПМЧ и сополимеризации акролеина с гидрофобным стиролом подтверждается тем, что с увеличением мольной доли Время, мин акролеина в смеси с ММА также формируются более.

крупные частицы (рис. 25б). На втором этапе X, % сополимеризации при постоянной скорости расхода акролеина конверсия ММА плавно возрастает.

Повышение вязкости ПМЧ и сшивание макромолекул за счет звеньев акролеина обеспечивает на этом этапе возможность сосуществования в ПМЧ нескольких радикалов, вследствие чего наблюдается ярко выраженный гель-эффект. При сополимеризации со стиролом расход акролеина несколько выше, чем при Время, мин сополимеризации с ММА до наступления гельэффекта (рис. 26б), благодаря образованию частиц Рис. 26. Конверсия мономеров при сополимеризации меньшего размера. На конверсионной кривой стирола нет индукционного периода, что указывает на (2а) или стиролом (2б).

быстрое формирование ПМЧ олигомерными ПАВ и олигорадикалами, содержащими звенья гидрофобного стирола и гидрофильного акролеина. При средних конверсиях, когда основной зоной сополимеризации являются ПМЧ, скорости расхода стирола и акролеина близки. Ранее было показано, что, несмотря на равные константы сополимеризации стирола и акролеина в диоксане - 0.25, при эмульсионной сополимеризации количество звеньев акролеина в сополимере незначительно возрастает с увеличением его доли в смеси мономеров и не превышает 30 мол.%. В нашем эксперименте удалось получить частицы ПСАК с содержанием звеньев акролеина до 53 мол.% уже при мольном отношении сомономеров 1 : 1 (табл. 7). Это обусловлено присутствием в водной фазе KH2PO4, что снижает растворимость акролеина и олигомерных радикалов в воде, смещает основную зону полимеризации в ПМЧ и позволяет получать сополимерные частицы с высоким содержанием альдегидных групп.

III.4. Электроповерхностные свойства частиц ПСАК, ПММА, ПММААК и связывание ими белка. В качестве модельных объектов были изучены частицы ПСАК с различной концентрацией альдегидных и карбоксильных групп (табл. 8).

Поверхностные функциональные группы латексов ПСАК Концентрация групп мкг-экв/м % мкг-экв/м % мкг-экв/м2 % Рис. 27. Влияние рН на -потенциал частиц ПСАК добавляли. При повышении 3са (а) и 4са (б) в растворах NaCl 10 (1,3,5) и 10 ионной силы отрицательный потенциал частиц латекса 3са с (2,4,6) М. Хранение – год (1,2,5,6) и 3 мес. (3,4).

большей концентрацией [COOH]S возрастает (рис. 27а). Это явление обусловлено смещением плоскости скольжения вглубь водной фазы вследствие разрыхления поверхностного слоя при взаимном отталкивании карбоксилат-ионов полимерных цепей. С увеличением ионной силы диффузная часть ДЭС и полимерные цепи сжимаются, и их заряд оказывается ближе к плоскости скольжения. Для латекса 4са с меньшей концентрацией [COOH]S эффекты сжатия ДЭС и разрыхления поверхностного слоя компенсируют друг друга (рис. 27б). Однако через год при повышении концентрации NaCl c 10-4 до 10-2 М величины -потенциала частиц снижались, поскольку в процессе хранения концентрация [COOH]S уменьшалась (табл. 8). Для обоих образцов значения ИЭТ равны 2.0. В столь кислой среде все карбоксильные группы уже находятся в Н-форме, а протонирование альдегидных групп преобладает над диссоциацией сульфогрупп.

Альдегидные группы на поверхности частиц позволяют проводить ковалентное связывание аминогрупп белка с образованием оснований Шиффа. При определении остаточной концентрации БСА методом ВЭМДХ было установлено, что в процессе хемосорбции в щелочной среде с поверхности частиц ПСАК и ПММААК вымываются олигомерные цепи. Появление на хроматограммах широких пиков коньюгатов с большим временем удерживания, чем для БСА (рис. 28 а, б) указывает на то, что белок связывается с ними в растворе. Предварительная экстракция олигомеров в боратном буфере с рН 10.0 позволяет избежать отрицательные заряды частиц и глобул белка 0. возрастают, а хемосорбция БСА частицами ПСАК 0. снижается (рис. 29) вследствие их электроПоглощение статического отталкивания и уменьшения гидро- 0. белковых глобул должно приводить к их более плотной укладке в поверхностном слое. Однако 0. падение рН до 8.25 в результате протонирования оптимальной для образования азометиновых связей, вследствие чего хемосорбция снижается. С увеличением доли альдегидных групп в поверхностном слое (табл. 8) наблюдался рост 0. самой низкой долей поверхностных карбоксильных групп ([СНО]S 3.2, [СООН]S 0.9 мкг-экв/м2) Рис. 28. Кривые ВЭМДХ растсвязывание белка происходило наиболее воров БСА (а, б, в) в буфере с рН эффективно (рис. 29, кривая 5). Восходящий 7.5 (а) и 9.2 (б, в) до (1) и после участок изотермы указывает на интенсивное взаимодействия с частицами связывание белка даже при низкой концентрации ПСАК 9са (2) без (а, б) и после БСА и слабо щелочном рН 7.5. Снижение удаления олигомеров (в).

электростатического отталкивания глобул белка от поверхности частиц латекса 9са благодаря малой величине [СООН]S и низкому рН обусловливает исчезновение Sобразного участка на изотерме хемосорбции, которая характеризуется ярко выраженным плато. Таким образом, не только рН, но и соотношение -СООН иСНО групп на поверхности частиц ПСАК оказывает влияние и на эффективность ковалентного связывания белка.

Рис. 29. Хемосорбция БСА Рис. 30. Влияние поверхности частиц латексов 3са частицами латекса 3са при рН 8.25 (1) и 4са (2) на величину хемосорбции БСА при (1), 9.25 (2), 9.60 (3), 10.20 (4) и рН 9.25 (а) и 10.2 (б).

латекса 9 (5) при рН 7.5.

Исследование частиц ПСАК 4са после хемосорбции И Э Т БСА, показало, что зависимости их ИЭТ от равновес- 5, 0 г л о б у л гл о б ул ной концентрации белка проходят через минимум (рис. 31). ИЭТ БСА (4.75.0) достигалась только в 4, случае самой низкой и самой высокой величин хемосорбции при рН 10.2, когда белок полностью экранировал поверхность, хотя количество глобул 4, 0 p H = 9. БСА на 1 мкм2 отличалось для этих образцов в 4 раза.

При низких заполнениях глобулы белка связываются 3, с поверхностью многоточечно, частично теряя исход- 0,0 0,5 1, ную структуру, при этом их посадочная площадка возрастает. При средних величинах хемосорбции, как Рис. 31. ИЭТ латекса 4са, показано Сломковским методом атомно-силовой модифицированного БСА при микроскопии, глобулы белка образуют кластеры, рН 9.25 (1) и 10.2 (2), в сосуществующие со свободной поверхностью. зависимости от равновесной Известно, что при снижении рН степень ионизации - концентрации БСА при СООН групп белка падает и его глобулы переходят в хемосорбции.

компактную изоморфную форму. В результате, возрастает доля поверхности, незаполненной БСА, что влияет на значение ИЭТ. Таким образом, результаты исследования электроповерхностных свойств частиц ПСАК после хемосорбции белка могут быть интерпретированы на основе представлений о различных способах укладки белковых глобул на полимерной поверхности и об изменении их конформации под действием состава дисперсионной среды в процессе хемосорбции и после ее завершения.

Рис. 32. Влияние рН на -потенциал Рис. 33. Влияние концентрации [СООН]S частиц ПММА с [СООН]S: 0.73 (1), 0.96 частиц ПММА на их -потенциал в (2), 1.22 (3), 1.41 (4) и 1.45 (5) мкг-экв/м2 растворах NaCl 10-2 М с рН 2.6 (1), 5.5 (2) и Отрицательные -потенциалы частиц ПММА, полученных без полимерных стабилизаторов, закономерно возрастают при повышении [СООН]S и рН среды (рис. 32, 33), а их зависимость от ионной силы имеет классический характер (рис. 34а), то есть значения уменьшаются вследствие сжатия диффузной части ДЭС. Это указывает на слабую конформационную подвижность цепей ПММА с концевымиСООН группами. Даже в сильнокислой среде частицы ПММА, не модифицированные полимерами на основе декстрана, сохраняли отрицательный заряд.

Напротив, при модификации частиц ПММА декстраном, КМД или КЭД была обнаружена ИЭТ при рН около 2.0, что обусловлено координацией ионов Н+ Рис. 34. Влияние рН на -потенциал частиц ПММА, синтезированных без полимерных стабилизаторов (а), в присутствии декстрана (б), КМД (в, д) и КЭД (г) с СЗ 0.61 в растворах NaCl 10-2 (1) и 10-4 М (2), в том числе после хемосорбции БСА (д).

гидроксилами глюкозидных звеньев и подтверждает присутствие полисахаридных цепей на поверхности частиц (рис. 34). Для частиц ПММА, полученных в присутствии КМД, величина -потенциала возрастала с увеличением концентрации электролита, что свидетельствует о выдвижении к плоскости скольжения полисахаридных цепей с большим количеством -СООН групп. Конформационная подвижность этих цепей в поверхностном слое частиц ПММА может повысить доступность -СООН групп для взаимодействия с БАВ.

Условия синтеза и характеристики исследованных латексов ПММА В результате выдвижения подвижных полимерных цепей поверхностного слоя в водную фазу вязкость латексов ПММА возрастала и значения коэффициента а в уравнении Эйнштейна отн. = ар + 1 оказались выше, чем 2.5 – для гладких сферических частиц (табл. 9). Наименьшие отклонения наблюдали для полученного в присутствии декстрана и КH2PO4 латекса 21м с самой низкой концентрацией [СООН]S. Для частиц ПММА, полученных в присутствии Na2HPO4, значения а лежат в интервале 2.60–3.32, поскольку в условиях синтеза был возможен гидролиз звеньев ММА с образованием -СООН групп, распределенных по длине полимерных цепей поверхностного слоя. Возрастание значений а в ряду образцов: 9м, 29м, 27м, очевидно, обусловлено повышением концентрации [СООН]S. При использовании КЭД с СЗ 0.91 значение а возрастало до 4.94, что подтверждает формирование на поверхности частиц адсорбционных слоев большой толщины с развитой системой водородных связей и гидрофобных взаимодействий.

Для частиц ПММААК, не содержащих гель-фракции, -потенциал не зависел от ионной силы дисперсионной среды (рис. 35а), тогда как при наличии гель-фракции в частицах зависимость их -потенциала от ионной силы снова приобретала классический вид благодаря ограничению конформационной подвижности сшитых сополимерных цепей поверхностного слоя (рис. 35 б, в).

Рис. 35. Влияние рН на -потенциал частиц ПММААК в растворах NaCl 10-2 (1) и 10- моль/л (2). [СООН]S и [СНО]S групп: 0.52 и 0.81 (а), 1.76 и 1.53 (б) и 1.73 и 2.96 мкгэкв/м2 (в), гель-фракция: 0 (а), 28 (б) и 50% (в, г), в т.ч. после хемосорбции БСА (г).

БСА связывали с частицами при рН 5.5 после предварительной активации их карбоксильных групп КДИ и по альдегидным группам при рН 7.2–10.0. Адсорбция и хемосорбция БСА частицами заполнение центров, спейсеров на основе декстрана не хемосорбции белка – ее предельные Эффективность ковалентного связывания БСА с альдегидными группами Рис. 36. Изотермы адсорбции (а) и хемочастиц ПММААК зависела от рН сорбции (б) БСА на частицах ПММА, полученных без полимерного стабилизатора (1), с декссреды (рис. 37). В отличие от частиц ПСАК с очень высокой [СООН]S, (4) и 0.91 (5) с [СООН] : 0.96, 1.82, 2.70, 2.88, наибольшие значения хемосорбции 1.60 мкг-экв/м2 соответственно.

Рис. 37. Влияние рН на предельную хемосорбцию БСА (исходная концентрация 1.5 мг/мл) на частицах ПММААК: [СНО]S 1.53 мкг-экв/м2, [СООН]S 1.73 мкг-экв/м2 и ПСАК: [СНО]S 4.8 мкг-экв/м2, [СООН]S 9. достигались при рН 10.0, в самых благоприятных для образования основания Шиффа условиях. Предельные значения хемосорбции возрастали и с увеличением поверхностной концентрации [CНО]S (табл. 10). В случае частиц ПММА, полученных в присутствии ПАД, эти значения значительно ниже, следовательно, альдегидные группы ПАД трудно доступны для глобул БСА.

У частиц ПММААК после взаимодействия с БСА появляется ИЭТ при рН 3.0 (рис.

35г), а ИЭТ частиц ПММА, полученных в присутствии КМД, смещается до 3.5 (рис.

34д), что свидетельствует о присутствии БСА в их поверхностном слое. Однако эти величины не достигали ИЭТ БСА, что указывает на присутствие и цепей полимерной подложки наряду с глобулами белка у границы раздела фаз, как и в случае частиц ПСАК.

III.5. Монодисперсные полимерные частицы со специальными свойствами III.5.1. Магнитные полимерные частицы, востребованные в качестве магнитоуправляемых носителей иммунореагентов, а также в различных областях нанотехнологии, получали, проводя полимеризацию ММА или смеси стирол/МАК (10:1) под действием ЦВК или K2S2O8 в присутствии магнитных жидкостей (МЖ), стабилизи рованных декстраном или поливиниловым спиртом (ПВС). Применение анионного Рис. 38. Микрофотографии наночастиц ПММА, содержащих 11 мас.% магнетита (а), также частиц ПММААК после осаждения на них наночастиц магнетита (б) и формирования полимерной оболочки (в).

эмульгатора Disponil AES 60 IS (1.5 мас.% к воде) и 10-2 М Na2HPO4 для поддержания частицы магнетита слабощелочной среды позволило получить средним диаметром 30–54 нм (рис. 38 а) и композитные магнитные частицы содержанием поверхностных -СООН групп после приготовления инициатора обеспечивают достаточный отрицательный заряд полимерных частиц (рис. 39). Напротив, магнетит имеет Рис. 39. Влияние рН на -потенциал положительный заряд, что способствует магнетита и композитных наночастиц на его поглощению растущими ПМЧ. Кроме основе ПММА в растворе NaCl 10 М.

того, на стадии нуклеации возможна прививка растущих цепей на декстран или ПВC на поверхности частиц магнетита. Характер зависимостей -потенциала полученных частиц от рН сохранялся при их выдерживании в кислой и щелочной среде (рис. 39), что говорит об экранировании магнетита слоем полимера.

Магнитная восприимчивость композитных частиц (5–13)10-5 см3/г попадает в диапазон, характерный для ферромагнетиков.

С целью формирования монодисперсных магнитных частиц большего размера и контролируемой морфологии, полученный газофазным методом магнетит с углеродным покрытием осаждали на поверхность частиц ПММААК диаметром 0. мкм в кислой среде, поскольку магнетит сохранял отрицательный -потенциал в широком диапазоне рН, а частицы ПММААК приобретали положительный заряд