Синтез полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц
На правах рукописи
ВОВК ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
СИНТЕЗ ПОЛИМЕРНЫХ СУСПЕНЗИЙ
С ИОНАМИ МЕТАЛЛОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ
Специальности: 02.00.06 - высокомолекулярные соединения
02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
МОСКВА, 2007
Работа выполнена в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
на кафедре «Химия и технология высокомолекулярных соединений им. С.С.Медведева»
Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ,
доктор химических наук,
профессор
ГРИЦКОВА Инесса Александровна
доктор химических наук,
профессор
ПРОКОПОВ Николай Иванович
Официальные оппоненты: Академик РАМН,
доктор химических наук
профессор
ШВЕЦ Виталий Иванович
доктор химических наук,
профессор
ЯРОСЛАВОВ Александр Анатольевич
Ведущая организация:
Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений (ВНИИ ВИЛАР)
Защита состоится в 15 ч. «20» сентября 2007 г. на заседании Диссертационного Совета Д.212.120.04 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу:
119571, г. Москва, пр. Вернадского, д.86, ауд.Т-410.
Отзывы на автореферат направлять по адресу:
119571, г. Москва, пр. Вернадского, д.86, МИТХТ им. М.В.Ломоносова
С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.mitht.ru и в библиотеке академии по адресу:
119571, г. Москва, пр. Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В.Ломоносова
Автореферат разослан «___» августа 2007г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета Д.212.120.04
доктор химических наук, профессор Грицкова И.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Одним из принципиально новых актуальных направлений при создании полимерных носителей с участками комплиментарно распознающих полимеров является синтез полимерных суспензий с ионами металлов в межфазном слое частиц. Несмотря на отдельные исследования, проводимые в направлении создания металлосодержащих полимерных подложек для захвата макромолекул за счет хелатирования или направленного связывания отдельных участков белков, в литературе практически полностью отсутствуют данные по направленному синтезу микросфер с ионами металлов, способных к селективному высокоспецифичному связыванию биолигандов.
Полимерные суспензии, частицы которых содержат ионы металлов в межфазном адсорбционном слое частиц, обладают определенными преимуществами по сравнению с обычными суспензиями, используемыми в иммунодиагностике. Прежде всего, следует выделить возможность непосредственного координационно-ионного связывания с биолигандом, а также, в ряде случаев, присоединения белка за счет комплексообразования. Это расширяет возможности использования полимерных суспензий в медицине и биохимии, поскольку в качестве активных центров сорбции биообъектов выступают ионы металлов, а не функциональные группы, способные только к ковалентному связыванию отдельных групп лигандов.
Цель работы - синтез полимерных суспензий, содержащих частицы с ионами металлов на поверхности, используемых в качестве носителей биолигандов.
Научная новизна
- Определены способы синтеза полимерных суспензий, частицы которых содержат ионы металлов на поверхности, со свойствами, пригодными для их использования в качестве носителей биолигандов при создании тест-систем. Это сополимеризация стирола с метакрилатами металлов при добавлении металлосодержащих мономеров при высокой конверсии стирола; затравочная сополимеризация стирола, стиролсульфоната натрия и металлосодержащих мономеров; и химическое осаждение ионов металлов на поверхность полимерных микросфер из водных растворов солей этих металлов.
- Показано, что методом гомополимеризации металлосодержащих мономеров невозможно получить полимерные суспензии с индивидуальными сферическими микросферами с ионами металлов на их поверхности.
- Установлено, что при сополимеризации стирола и диметакрилата цинка, при добавлении последнего при конверсии стирола ~85%, концентрация металлосодержащего мономера не должна превышать 0,4% масс. в расчете на стирол.
- Определена оптимальная концентрация металлосодержащего сомономера (0,5% масс. в расчете на массу мономеров) при его затравочной сополимеризации со стиролом и стиролсульфонатом натрия, при которой сохраняется устойчивость реакционной системы.
- Показано, что устойчивость полимерной суспензии, степень сшивания полимера в частицах существенно зависят от способа ее получения.
- Разработан способ получения полимерных микросфер с ионами металлов на поверхности путем химического осаждения ионов из водных растворов солей металлов. Показано, что этот метод перспективен для получения полимерных микросфер с высокой концентрацией ионов металлов на поверхности.
Практическая значимость
- Разработаны новые способы получения полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц. Подана заявка на патент РФ на изобретение способа синтеза таких полимерных суспензий.
- Разработана технология синтеза полимерных микросфер с ионами металлов в поверхностном слое частиц путем добавления металлосодержащих мономеров при высокой конверсии стирола. Опытно-промышленный регламент на производство таких суспензий утвержден в ОАО «Воронежсинтезкаучук».
- Созданы тест-системы на определение общего эндотоксина грамотрицательных бактерий путем аффинного связывания иммуноглобулинов человека классов IgG2a и IgG2b.
- Тест-система на выявление общего эндотоксина грамотрицательных бактерий прошла испытание с положительным результатом в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева.
Автор защищает:
- Синтез полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц для использования в биотехнологии методами сополимеризации стирола с метакрилатами металлов при добавлении металлосодержащих мономеров при высокой конверсии стирола; затравочной сополимеризации стирола, стиролсульфоната натрия и металлосодержащих мономеров; химического осаждения ионов металлов на поверхность полимерных микросфер.
- Коллоидно-химические свойства полученных в различных условиях полимерных суспензий, частицы которых содержат на поверхности ионы металлов.
- Влияние концентрации металлосодержащего сомономера на устойчивость полимерной суспензии, диаметр частиц и их распределение по размерам.
- Способы иммобилизации биолигандов на поверхность полимерных микросфер с ионами металлов на поверхности и условия получения высокочувствительных диагностических тест-систем.
- Высокочувствительные тест-системы на общий эндотоксин грамотрицательных бактерий.
- Опытно-промышленный регламент и технологию синтеза полимерных суспензий путем сополимеризации стирола и диметакрилата цинка.
Личное участие автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в постановке задач и целей исследования, разработке экспериментальных и теоретических подходов при выполнении эксперимента и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск, МГТУ, 2004, 2005, 2007), научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Москва, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2005), международной конференции по химической технологии (Москва, ИОНХ РАН, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе из них 3 статьи, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, подана заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, выводов, списка литературы и приложений. Материалы диссертации изложены на 154 страницах машинописного текста, включая 36 таблиц, 44 рисунка, приложения. Список литературы содержит 176 наименований.
Во Введении дано обоснование актуальности диссертационной работы и сформулирована ее цель.
Глава I. В Литературном обзоре дан подробный анализ публикаций по синтезу металлосодержащих мономеров и полимеров на их основе, и их применению в медицине и биохимии, а также по синтезу и использованию полимерных микросфер в качестве носителей биолигандов.
Глава II. В Экспериментальной части описаны вещества и материалы, способы их подготовки и очистки, методы измерения поверхностного натяжения (сталагмометрия), скорости полимеризации (гравиметрия), методы исследования мономеров (ИК-спектроскопия) и полимерных дисперсий (электронная сканирующая микроскопия, фотон-корреляционная спектроскопия, спектрофотометрия, электронно-зондовый анализ) и другие, используемые в работе.
Глава III. «Результаты и их обсуждение».
Исследования были начаты с получения полимерных микросфер, содержащих на поверхности ионы металлов, способные образовывать координационные связи с биолигандами различной природы.
Их получали гомополимеризацией металлосодержащих мономеров, безэмульгаторной эмульсионной сополимеризацией стирола и металлосодержащих мономеров при единовременном введении всех компонентов рецепта, добавлением металлосодержащих мономеров на разных степенях конверсий стирола при его эмульсионной полимеризации в отсутствие эмульгатора, затравочной сополимеризацией стирола и металлосодержащих мономеров на предварительно синтезированных полистирольных микросферах и химическим осаждением ионов переходных металлов на поверхность полимерных микросфер.
Анализ литературных данных показывает, что металлосодержащие полимеры в основном получают методами растворной полимеризации или полимеризации в массе. Гетерофазная полимеризация таких мономеров практически в литературе не описана. В связи с этим, используя литературные данные по гетерофазной полимеризации виниловых мономеров, были выбраны рецепты синтеза полимерных суспензий металлосодержащих мономеров. Ограниченная растворимость или же практически полная нерастворимость в воде большинства металлосодержащих мономеров накладывает существенные ограничения на их выбор для проведения полимеризации в водной фазе.
В силу вышеприведенных причин, в качестве металлосодержащих соединений выбраны метакрилаты щелочных металлов - лития, калия, натрия и переходных металлов – цинка, меди и кобальта.
Поскольку данные по растворимости диметакрилата цинка в воде и других полярных средах в литературе не представлены, была проведена серия опытов по получению раствора диметакрилата цинка в различных растворителях, которые могут быть в дальнейшем использованы в различных типах полимеризации, например, в дисперсионной полимеризации.
2СН2=С(СН3)-СООН + Zn(OН)2 СН2=С(СН3)-СОО-Zn-ООС-С(СН3)=СН2 +
+ 2Н2О
Синтез диметакрилата цинка проводили при 10%-ном избытке метакриловой кислоты при нагревании до 50°С. Реакцию вели при дробном введении метакриловой кислоты и оксида цинка до насыщения раствора. Было показано, что наибольшая растворимость диметакрилата цинка наблюдается в наиболее полярном растворителе – воде. Растворимость диметакрилата цинка возрастает в ряду растворителей следующим образом: изопропиловый спирт < <метиловый спирт < (метиловый спирт + вода) < вода. В результате был получен водный раствор метакрилата цинка с содержанием растворенного вещества 8% масс. Строение соли было подтверждено методом ИК-спектроскопии.
Было показано, что межфазное натяжение на границе диметакрилат цинка/вода, равно 22 мН/м, что близко к значениям 1,2 для акриловых мономеров.
Гомополимеризацию диметакрилата цинка проводили в отсутствие эмульгатора в присутствии персульфата калия в качестве инициатора в широком интервале массовых соотношений мономер/вода. Полимеризацию проводили в течение 24 часов при температуре 700С, при перемешивании со скоростью 300 об/мин. Предельная взятая концентрация диметакрилата цинка равна 8% масс., минимальная – 2% масс. Массовое соотношение мономер:вода изменяли в широком интервале значений (от 100:1000 до 100:20000). В результате были получены суспензии полиметакрилата цинка в воде, представляющие собой множественные агрегаты частиц несферической формы. Полученные суспензии набухали в толуоле, но не растворялись, что свидетельствует об образовании сшитых структур.
В качестве примера на рисунке 1 представлены микрофотографии полученных дисперсий PMAZn-1 и PMAZn-4, на которых видно образование агрегатов несферической формы.
Средний диаметр частиц агрегированных PMAZn-4 составил порядка 20 мкм. Сшивание полимера в дисперсиях полиметакрилата цинка можно объяснить тем, что в его молекуле присутствуют две связи, способные к раскрытию, что и приводит в конечном итоге к образованию сетчатых структур и невозможности образования сферических частиц. Отмечено, что при уменьшении массового соотношения мономер/вода образуется творожистый рыхлый осадок агломерированных частиц полиметакрилата цинка. В этой суспензии диаметры частиц, входящих в состав агрегатов, составляет 0,70 мкм. Методом масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой была определена концентрация ионов Zn2+ для суспензии полиметакрилата PMAZn-2, которая была равна 39,1 % масс. в расчете на массу полимера.
Проведенные анализы показали, что методом гомополимеризации метакрилата цинка не удается получить сферические частицы. В связи с этим были рассмотрены различные варианты проведения гетерофазной полимеризации для получения сферических полимерных микросфер с металлосодержащими полимерами на поверхности.
Синтез полимерных суспензий путем безэмульгаторной сополимеризации металлосодержащих мономеров со стиролом
Исследования были начаты с изучения сополимеризации стирола с метакрилатами лития, калия, натрия, меди и цинка в отсутствие эмульгатора. Было изучено влияние природы металла в метакрилате на кинетику полимеризации и свойства получаемых суспензий. Полимеризацию проводили при массовых соотношениях мономер/вода 100/1000 и 100/450. Выбор оптимальной концентрации вводимого металлсодержащего мономера (0,4 масс. части в расчете на стирол) обусловлен значительной потерей устойчивости реакционной системы при более высоких значениях концентраций металлосодержащих мономеров. Полимеризацию проводили в течение 24 часов при 70С.
Анализ кинетических кривых полимеризации (рис.2) показал, что скорость сополимеризации стирола с метакрилатами Na, K, Li практически одинакова и значительно ниже скорости сополимеризации стирола с диметакрилатом цинка. Кривые конверсия-время имеют S-образную форму, обычно наблюдаемую при гетерофазной полимеризации мономеров. Можно предположить, что увеличение скорости сополимеризации стирола с диметакрилатом цинка связано с непосредственным участием металла в элементарных актах сополимеризации.
Изучение констант сополимеризации стирола и метакрилатов переходных металлов (таблица 1) показало, что константа сополимеризации стирола, r1, во всех случаях выше, чем r2 металлосодержащих мономеров (МСМ), и наблюдается тенденция к статистическому распределению звеньев сомономеров в сополимерной цепи.
Таблица 1 Параметры сополимеризации стирола с метакрилатами переходных металлов (справочные данные)
| Мономер-1 | Мономер-2 | r1 | r2 | r1r2 | 1/r1 | Q2 | e2 |
| Стирол | Диметакрилат кобальта | 1.74 | 0.56 | 0.97 | 0.58 | 0.51 | -0.64 |
| Стирол | Диметакрилат никеля | 1.83 | 0.53 | 0.97 | 0.55 | 0.48 | -0.63 |
| Стирол | Диметакрилат меди | 5.94 | 0.12 | 0.71 | 0.17 | 0.11 | -0.22 |
| Стирол | Диметакрилат цинка | 1.10 | 0.90 | 0.99 | 0.91 | 0.84 | -0.70 |
Отрицательное значение е указывает на электронодонорный характер металлокарбоксилатной группировки в МСМ, причем его уменьшение коррелирует с увеличением электроотрицательности металлов. На меньшую реакционную способность МСМ указывает и то, что Q2<1, а также величина 1/r1<1, отражающая реакционную способность метакрилатов по отношению к полистирольному радикалу. Из анализа значений Q2 следует, что радикал метакрилата цинка в большей степени стабилизирован, чем метакрилаты других металлов. В связи с низкой электроотрицательностью Zn2+ на ионе металла локализован высокий положительный заряд. Из-за локализации на атоме кислорода у атома цинка значительного отрицательного заряда, индукционно передающегося на кратную связь, происходит ослабление двойной связи в метакрилате цинка и увеличение скорости реакции.
Для того чтобы понять процессы, протекающие при формировании полимерно-мономерных частиц (ПМЧ), было изучено изменение межфазного натяжения на границе мономер/вода при инициировании полимеризации. Было показано, что при постоянной концентрации диметакрилата цинка (0,4 масс. ч. в расчете на стирол) с увеличением концентрации инициатора до 0,07 моль/л 1,2 уменьшается до 10 мН/м, что доказывает образование поверх-ностно-активных олигомеров в водной фазе и дробление капель стирола.
Можно думать, что одновременно протекают два процесса: сополимеризация стирола с метакрилатом металла, адсорбированного на поверхности микрокапель стирола и образующихся из них ПМЧ и гомополимеризация метакрилата металла в водной фазе. Образующиеся в водной фазе поверхностно-активные олигомерные радикалы адсорбируются на поверхности ПМЧ, либо вступают в реакцию сополимеризации, либо взаимодействуют с радикалами стирола. В любом случае в объеме ПМЧ происходит сшивание полимера и при высоких конверсиях доступ мономера к растущему радикалу становится проблематичным.
В то же время неполная конверсия мономера может быть связана со сложными электростатическими взаимодействиями внутри сополимерного клубка. Плотность зарядов в клубке будет влиять на константу скорости присоединения мономера к активному центру МСМ. Природа катиона оказывает большее влияние на константу r1, чем на r2. Следовательно, общая заряженность клубка существеннее влияет на константу r12, чем заряженность последнего звена. Кроме того, скорость рекомбинации макрорадикалов также определяется электростатическими факторами.
Анализ размеров частиц суспензий методом световой микроскопии показали, что в водной среде число агломератов частиц составило примерно 20-30% от числа свободных частиц, а в фосфатном буферном растворе (pH=7.2) составило 90%.
Методом электронно-зондового анализа не удалось зафиксировать наличие ионов металлов на поверхности синтезированных микросфер. Это можно объяснить тем, что металлсодержащие мономеры при таком способе сополимеризации вступают в реакцию на начальном этапе, сополимеризуясь с основным мономером, и в результате ионы металлов оказываются внутри полимерных частиц.
Оказалось, что представленный способ проведения совместной полимеризации стирола и МСМ не позволяет получать агрегативно устойчивые суспензии, содержащие полимерные микросферы с ионами металлов на поверхности. В связи с этим, очевидной стала необходимость синтеза полимерных суспензий со структурой частиц типа «ядро-оболочка». Одним из способов получения таких частиц является полимеризация мономера с добавлением второго сомономера при высокой конверсии первого.
Синтез полимерных микросфер с ионами металлов на поверхности частиц в условиях добавления металлосодержащих мономеров на различных стадиях конверсии стирола
Синтез полимерных суспензий проводили при температуре 70°С при массовом соотношении фаз мономер/вода 100/1000, 100/900 и 100/450 (масс. части). Инициирование полимеризации проводили персульфатом калия (ПК). Рецепты безэмульгаторной полимеризации стирола и его сополимеризации с металлосодержащими мономерами, добавленными при разных конверсиях стирола приведены в таблицах 2 и 3. Добавление метакрилатов металлов в реакционную систему проводили при конверсиях стирола 65%, 85 и 90% соответственно. Предварительные исследования показали, что при проведении сополимеризации стирола с метакрилатами переходных металлов в отсутствие стабилизатора полимерные суспензии неустойчивы, что вызвало необходимость добавления в реакционную систему неионного эмульгатора Tween-40 с концентрацией 1% масс, выбор которого осуществлен на основе литературных данных.
Массовое соотношение мономеров, стирол:МСМ, изменяли от 100:0,15 до 100:2,00. Максимальное количество добавляемого МСМ было выбрано равным 2,0% в расчете на массу добавляемого стирола, поскольку при использовании бльших количеств МСМ наблюдалась полная коагуляция полимерных суспензий практически сразу после введения металлосодержащих мономеров в реакционную систему.
Анализ коллоидно-химических характеристик полученных полимерных суспензий (таблицы 4 и 5) показывает, что одной из основных проблем в синтезе полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц является сохранение их агрегативной устойчивости.
Таблица 2 Рецепты и время синтеза цинксодержащих полимерных суспензий, полученных методом добавления диметакрилата цинка (MAZn) при различных конверсиях стирола
| Суспензия | MAZn масс. ч. | Стирол, масс. ч. | Вода, масс. ч. | ПК, масс. ч. | Время полимеризации*, ч | Конверсия стирола при введении МАМе, % |
| SL-Zn-1 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | 7+5 | 65 |
| SL-Zn-2 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-3 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | 24+5 | 90 |
| SL-Zn-4 | 0,50 | 100 | 1000 | 0,2 | 24+14 | 90 |
| SL-Zn-5 | 1,00 | 100 | 1000 | 0,2 | 24+14 | 90 |
| SL-Zn-6 | 2,00 | 100 | 1000 | 0,2 | 24+14 | 90 |
| SL-Zn-7 | 0,40 | 100 | 450 | 0,2 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-8 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-9 | 0,15 | 100 | 1000 | 0,2 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-10 | 0,80 | 100 | 1000 | 0,2 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-11 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | 7+15 | 65 |
| SL-Zn-12 | 0,40 | 100 | 900 | 1,0 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-13 | 0,80 | 100 | 900 | 1,0 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-14 | 0,16 | 100 | 900 | 1,0 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-15 | 0,50 | 100 | 900 | 1,0 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-16 | 0,50 | 100 | 900 | 1,0 | 17+5 | 85 |
| SL-Zn-17 | 0,50 | 100 | 900 | 1,0 | 7+5 | 65 |
*первая цифра означает время полимеризации стирола до введения металлосодержащего мономера, вторая – время полимеризации в присутствии МСМ.
Таблица 3 Рецепты и время синтеза литий-, калий- и медьсодержащих полимерных суспензий, полученных методом добавления метакрилатов металлов (MAMe) при различных конверсиях стирола
| Суспензия | MAMe масс.% | Стирол, масс.ч. | Вода, масс.ч. | ПК, масс.ч. | Tween 40, масс.ч. | Время полимеризации*, ч | Конверсия стирола при введении МАМе, % |
| SL-Li-1 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | - | 7+15 | 65 |
| SL-Li-2 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | - | 17+5 | 85 |
| SL-K-1 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | - | 7+15 | 65 |
| SL-K-2 | 0,40 | 100 | 1000 | 0,2 | - | 17+5 | 85 |
| SL-Cu-2 | 0,40 | 100 | 450 | 0,2 | 1,0 | 17+5 | 85 |
Рассмотрим влияние различных факторов на устойчивость частиц. Вначале было изучено влияние времени гомополимеризации стирола до добавления диметакрилата цинка. При малом времени гомополимеризации (до 7 часов, что соответствует приблизительно 65%-ной конверсии стирола (рис.2), с последующим добавлением диметакрилата цинка, полимерные суспензии оказались неустойчивыми (SL-Zn-1, SL-Zn-11) в растворах электролитов. На примере полимерной суспензии SL-Zn-1 показано образование агрегатов частиц, массовая доля которых составляет 80% от общего образовавшегося полимера.
Таблица 4 Коллоидно-химические характеристики полученных цинксодержащих суспензий
| Суспензия | MAZn масс.% | Конверсия стирола при введении МАZn,% | Диаметр частиц, мкм | Коэффициент вариации, % | Устойчивость к электролитам (NaCl), моль/л | Агрегаты, % от числа свободных частиц | Устойчивость в фосфатно-буферном растворе (pH 7,2) |
| SL-Zn-1 | 0,40 | 65 | 0,90 | 9,0 | 0,00 | 80 | – |
| SL-Zn-2 | 0,40 | 85 | 0,85 | 2,9 | 0,25 | 5 | + – |
| SL-Zn-3 | 0,40 | 90 | 0,85 | 5,0 | 0,25 | 0 | + |
| SL-Zn-4 | 0,50 | 90 | 0,80 | 5,1 | 0,20 | 0 | + – |
| SL-Zn-5 | 1,00 | 90 | 0,80 | 3,0 | 0,20 | 0 | – |
| SL-Zn-6 | 2,00 | 90 | 0,83 | 3,1 | 0,15 | 0 | – |
| SL-Zn-7 | 0,40 | 85 | 1,25 | 3,1 | 0,25 | 5 | + – |
| SL-Zn-8 | 0,40 | 85 | 0,52 | 6,7 | 0,20 | 5 | + – |
| SL-Zn-9 | 0,15 | 85 | 0,53 | 8,1 | 0,25 | 0 | + |
| SL-Zn-10 | 0,80 | 85 | 0,60 | 6,3 | 0,25 | 0 | + |
| SL-Zn-11 | 0,40 | 65 | 0,54 | 7,3 | 0,00 | 0 | – |
Таблица 5 Коллоидно-химические характеристики полученных литий- и калийсодержащих суспензий
| Суспензия | Диаметр частиц, мкм | Коэффи-циент вариации, % | Устойчивость к электролитам (NaCl), моль/л | Агрегаты, % от числа свободных частиц | Устойчивость в фосфатно-буферном растворе (pH 7,2) | – потенциал*, мВ |
| SL-Li-1 | 0,57 | 5,3 | 0,25 | 0 | + | – |
| SL-Li-2 | 0,54 | 7,3 | 0,20 | 0 | + | -27,5/-30,1 |
| SL-K-1 | 0,80 | 4,2 | 0,20 | 0 | + | – |
| SL-K-2 | 0,88 | 8,7 | 0,20 | 0 | + | -31,1/-25,4 |
*первая цифра означает –потенциал частиц до очистки, вторая – после очистки.
То, что литий- и калийсодержащие суспензии, условия синтеза которых полностью аналогичны условиям получения цинксодержащих полимерных суспензий, оказались более устойчивыми в буферных растворах, объясняется тем, что моновалентные ионы меньше «сжимают» двойной электрический слой, образованный на поверхности микросфер, по сравнению с бивалентными ионами.
Снижение устойчивости полимерных суспензий при увеличении содержания остаточного мономера в полимерных микросферах согласуется с литературными данными.
Как видно из таблицы 4, устойчивость полимерных суспензий существенно возрастает с увеличением конверсии стирола, при которой добавляют в реакционную систему метакрилаты металлов (при добавлении МСМ при конверсии стирола 90% полимерные суспензии не содержат агрегатов частиц).
На агрегативную устойчивость частиц также влияет и количество вводимого металлосодержащего мономера. Полимерные суспензии оказались устойчивы, когда количество диметакрилата цинка менее 0,4% масс. в расчете на количество стирола. Установлено, что чем больше количество добавленного МСМ, тем больше ионов металла оказывается в результате на поверхности частиц.
Из данных таблиц 4 и 5 видно, что природа металла в метакрилате влияет на размер полимерных частиц, который возрастает в ряду полимер-ных суспензий, полученных в присутствии метакрилата цинка – метакрилата лития – метакрилата калия при одинаковых условиях синтеза (рис. 3).
Была проведена оценка содержания остаточного стирола в частицах суспензий, полученных при добавлении в реакционную систему металлосодержащих мономеров на различных стадиях конверсии стирола. Измерения проводили до и после очистки полимерных суспензий от остаточного мономера. Было обнаружено, что содержание остаточного стирола в суспензиях, зависит от природы МСМ. Следует отметить, что цинксодержащие суспензии плохо отмываются от остаточного мономера по сравнению с литий- и калийсодержащими. Можно предположить, что плохое отмывание мономера из цинксодержащих суспензий происходит вследствие сшивания полимера в частицах из-за повышенной сшивающей способности диметакрилата цинка.
Рис. 3 Микрофотографии, полученные методом электронной микроскопии, и гистограммы распределения частиц по размерам по данным обсчета этих фотографий: (а) - SL-Zn-11, (б) – SL-Zn-8, (в) - SL-Li-2, (г) - SL-K-2
Наличие ионов металлов на поверхности частиц подтверждено данными рентгено-электронного анализа. Полученные результаты показали, что оптимальными свойствами обладают суспензии, полученные при добавлении метакрилатов металлов на достаточно глубоких степенях конверсий стирола (более 80-85%).
Исходя из этих результатов, можно предположить следующий механизм протекания полимеризации. Растворимость в воде металлсодержащего мономера и использование водорастворимого инициатора способствуют инициированию полимеризации в водной фазе с образованием олигорадикалов полиметакрилата цинка и, возможно, частиц из достигших достаточной длины олигомерных радикалов, образующих отдельную фазу. Одновременно протекает сополимеризация стирола с металлосодержащим мономером, адсорбированным на поверхности полистирольных микросфер. Олигорадикалы и частицы поглощаются (путем абсорбции или коалесценции) уже сформировавшимися частицами суспензии, либо адсорбируются на поверхности полистирольных частиц. Олигорадикалы плохо проникают в объем частиц из-за своей гидрофильности и вязкости частиц, которые противодействуют их диффузии, поэтому полимеризация стирола и его сополимеризация с металлосодержащими мономерами протекает преимущественно на поверхности растущих частиц с образованием частиц со структурой типа "ядро–оболочка"; при этом поверхностный слой частиц обогащается гидрофильным полимером метакрилата металла.
Таким образом, выбранный метод позволяет получать металлосодержащие полимерные суспензии с диаметром частиц порядка 1 мкм, с узким распределением частиц по размерам и достаточно высокой концентрацией ионов металлов на поверхности микросфер.
Затравочная сополимеризация металлосодержащих мономеров со стиролом
В качестве затравочных при сополимеризации стирола, стиролсульфоната натрия и метакрилатов металлов, были использованы суспензии с диаметром частиц 0,75 мкм и 1,45 мкм.
Изучение коллоидно-химических свойств показало, что полимерные суспензии, полученные при концентрации диметакрилата цинка более 25 масс.ч. в расчете на массу полимера затравочной суспензии, неустойчивы в слабых растворах электролитов.
Зависимости между концентрацией ионов металлов на поверхности частиц и количеством металлосодержащего мономера, взятого в рецепте полимеризации, не наблюдается.
Полученные результаты подтвердили ранее сделанный вывод о необходимости добавления металлосодержащего мономера при высокой конверсии стирола. На рисунке 4 показано, что полимерная суспензия, полученная затравочной сополимеризацией стирола и стиролсульфоната натрия при добавлении диметакрилата цинка при конверсии стирола более 85%, характеризуется узким распределением частиц по размерам. Все полимерные микросферы индивидуальны и имеют сферическую форму.
Таблица 6 Коллоидно-химические характеристики металлосодержащих полимерных суспензий, полученных на основе затравочных полимерных суспензий SSL-1 и SL-2
| Суспензия | Стирол, масс.ч. | Димета-крилат цинка, масс. ч. | Диаметр частиц, мкм | Коэф-фициент вариа-ции, % | Устой-чивость к электро-литам (NaCl), моль/л | Устойчи-вость в фосфатно-буферном растворе (pH 7,2) | – потен-циал, мВ |
| SSL-1-Zn-1 | 20 | 0,20 | 1,47 | 6,3 | 0,30 | + | -49.6 |
| SSL-1-Zn-2 | 20 | 0,27 | 1,47 | 7,0 | 0,25 | + | -48.9 |
| SSL-1-Zn-3 | 20 | 0,40 | 1,46 | 5,8 | 0,25 | + – | -45.5 |
| SSL-1-Zn-4 | 20 | 0,80 | 1,48 | 5,5 | 0,15 | + – | -40.2 |
| SSL-1-Zn-5 | 20 | 1,60 | 1,48 | 6,8 | 0,15 | + – | -37.3 |
| SSL-1-Zn-6 | 100 | 0,40 | 1,45 | 5,2 | 0,25 | + | – |
| SSL-1-Li-1 | 100 | 0,40 | 1,45 | 4,5 | 0,25 | + | – |
| SSL-1-K-1 | 100 | 0,40 | 1,45 | 5,6 | 0,20 | + | – |
| SSL-1-Cu-6 | 20 | 1,60 | 1,45 | 7,0 | 0,15 | + – | -32.9 |
| SSL-1-Co-7 | 20 | 1,60 | 1,46 | 6,6 | 0,15 | + – | -22.7 |
| SSL-2-Zn-1 | 50 | 50,00 | 1,17 | 10,3 | 0,00 | – | – |
| SSL-2-Zn-2 | 75 | 25,00 | 1,27 | 9,6 | 0,25 | + | – |
| SSL-2-Zn-3 | 75 | 25,00 | 0,86 | 7,5 | 0,25 | + | – |
| SSL-2-Zn-4 | 75 | 25,00 | 0,95 | 7,4 | 0,25 | + | – |
| SSL-2-Zn-5 | 50 | 50,00 | 0,79 | 6,9 | 0,25 | + | – |
| SSL-2-Zn-6 | 100 | 1,00 | 0,97 | 6,3 | 0,25 | + | – |
| SSL-2-Zn-7 | 100 | 0,25 | 1,12 | 6,6 | 0,25 | + | – |
Влияние типа металла и его концентрации на свойства полимерных суспензий показано в таблице 6. Видно, что диаметры и коэффициенты вариации частиц примерно одинаковы для всех суспензий данной серии, однако устойчивость медь- и кобальтсодержащих суспензий не столь высока. Методом электронно-зондового анализа было подтверждено наличие ионов ионов цинка на поверхности частиц для SSL-Zn-6 и определено их содержание методом масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой. Расчет на основе полученных данных дал следующие результаты: концентрация ионов цинка на поверхности частиц равна 1,8% масс. в расчете на массу полимера; площадь поверхности, приходящаяся на одну молекулу метакрилата цинка составила 287 2/гр.
Таким образом, метод затравочной сополимеризации стирола и диметакрилата цинка на предварительно синтезированных полимерных микросферах позволяет получать частицы с ионами металлов на поверхности.
Модификация полимерных микросфер путем химического осаждения ионов металлов на их поверхность
Одним из возможных альтернативных способов введения ионов металлов на поверхность частиц является их химическое осаждение непосредственно из дисперсионной среды. Этот метод сравнительно недавно был применен для модификации полимерных пленок, проявляющих биоцидную активность. Однако в литературе отсутствуют данные о применении метода химического осаждения применительно к полимерным микросферам, что, в основном, связано с падением их агрегативной устойчивости при добавлении солей металлов. Модификацию полимерных микросфер проводили на примере полимерной суспензии SL-010-МАК, содержащей карбоксильные группы на поверхности частиц. Процесс осаждения ионов кобальта (II) осуществлялся по следующей схеме:
.
Процесс нейтрализации щелочью контролировали путем потенциометрического титрования. Подбор количества необходимой для нейтрализации щелочи, осуществляли на основании предварительно определенной концентрации карбоксильных групп на поверхности частиц методом потенциометрического титрования образца полимерной суспензии. Химическое осаждение ионов меди, никеля и цинка осуществляли аналогичным путем при использовании хлорида меди(II), нитрата никеля(II) и ацетата цинка. В таблице 7 представлены свойства полученных полимерных суспензий.
Таблица 7 Свойства полимерных суспензий, полученных при химическом осаждении ионов металлов на поверхность частиц
| Суспензия | Используемая соль | Диаметр частиц, мкм | Устойчи-вость к электро-литам (NaCl), моль/л | Площадь поверхности, приходящаяся на одну молекулу МАMe, 2/гр. для неочищенной суспензии | Площадь поверхности, приходящаяся на одну молекулу МАMe, 2/гр. для очищенной суспензии |
| SL-Co-MAK-1 | Co(CH3COO)2•4H2O | 1,07 | 0,25 | 180 | 308 |
| SL-Cu-MAK-1 | CuCl2 | 1,11 | 0,00 | 113 | 162 |
| SL-Ni-MAK-1 | Ni(NO3)2 | 1,12 | 0,00 | 169 | 438 |
| SL-Zn-MAK-1 | Zn(CH3COO)2•2H2O | 1,06 | 0,25 | 146 | 183 |
Из приведенных данных видно, что наибольшей устойчивостью к электролитам обладают полимерные суспензии, полученные при использовании солей кобальта и цинка что, очевидно, соответствует большей концентрации ионов металлов на поверхности частиц и, как следствие, повышению электростатического и структурно-механического факторов устойчивости дисперсии полимера.
Показано, что метод позволяет получать полимерные суспензии с частицами размером порядка 1 мкм с ионами металлов на поверхности частиц с высокой концентрацией (от 0,01 до 3,0 ммоль металла в расчете на 1 г сухого полимера).
Суспензии с ионами цинка на поверхности частиц применены в качестве носителей иммуноглобулинов IgG2a и IgG2b, и использованы в диагностических тест-системах на определение общего эндотоксина грамотрицательных бактерий. Полученные высокочувствительные диагностикумы апробированы в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева с положительным результатом.
Выводы
- Показано, что полимерные суспензии с ионами металлов на поверхности частиц для использования в биотехнологии можно получить сополимеризацией стирола и металлосодержащего мономера при высокой конверсии первого; затравочной сополимеризацией стирола, стиролсульфоната натрия и металлосодержащего мономера; химическим осаждением ионов металлов на поверхность полимерных микросфер из водных растворов солей этих металлов.
- Показана необходимость добавления металлосодержащих мономеров при высокой конверсии неметаллосодержащих мономеров для получения полимерных микросфер с необходимыми свойствами.
- Изучены коллоидно-химические свойства полимерных суспензий, полученных различными способами. Показано, что устойчивость суспензий существенно зависит от концентрации ионов металлов на поверхности частиц.
- Установлено, что гомополимеризацией метакрилатов металлов невозможно получить индивидуальные полимерные микросферы с ионами металлов на поверхности.
- Показано, что методом химического осаждения можно получить высокую концентрацию ионов металлов на поверхности полимерных микросфер.
- Определены условия создания высокочувствительной тест-системы на общий эндотоксин грамотрицательных бактерий с использованием полимерных микросфер с ионами цинка на поверхности.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:
- Прокопов Н.И., Вовк Д.Н., Грицкова И.А. /Синтез полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц для иммунохимических исследований //Журнал «Высокомолекулярные соединения», Серия А, т.46, №9, 2004, с. 1471-1478.
- Ниязматов А.А., ак. РАМН Бокерия Л.А., Прокопов Н.И., Вовк Д.Н., Грицкова И.А. / Полимерные суспензии с ионами цинка на поверхности частиц для диагностики заболеваний. Сообщение 1. «Синтез полимерных микросфер» //Журнал «Биотехнология», №2, 2007, с. 84-90.
- Ниязматов А.А., ак. РАМН Бокерия Л.А., Прокопов Н.И., Вовк Д.Н., Грицкова И.А. / Полимерные суспензии с ионами цинка на поверхности частиц для диагностики заболеваний. Сообщение 2. «Получение латексного диагностикума для выявления общего эндотоксина грамотрицательных бактерий» //Журнал «Биотехнология», №4, 2007, с. 88-92.
Тезисы докладов и публикации в других изданиях:
- Вовк Д.Н., Прокопов Н.И. Способ получения полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц. Заявка на патент РФ № 2007129959.
- Станишевский Я.М., Григорьевская И.И., Прокопов Н.И., Вовк Д.Н., /Влияние остаточного мономера в объеме полимерно-мономерных частиц на свойства тест-систем, полученных на их основе //Материалы Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2004», Тезисы докладов – МГТУ, Мурманск, 2004, с. 172-175.
- Прокопов Н.И., Вовк Д.Н. /Синтез полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц биомедицинского назначения //Материалы Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2004», Тезисы докладов – МГТУ, Мурманск, ч.4, 2004, с. 151-154.
- Вовк Д.Н., Прокопов Н.И., Грицкова И.А /Влияние ионов металлов, вводимых на поверхность полимерных микросфер, на свойства получаемых на их основе полимерных суспензий биомедицинского назначения //Материалы Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2005», Тезисы докладов – МГТУ, Мурманск, 2005, ч.5, с. 97-100.
- Вовк Д.Н., Прокопов Н.И. /Синтез полимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц для иммунохимических исследований //Материалы I Молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии -2005», Тезисы докладов – МИТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2005, т.2, с.72-74.
- Вовк Д.Н., Прокопов Н.И., Грицкова И.А /Модификация полимерных микросфер путем химического осаждения ионов металлов на их поверхность //Материалы Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2007», Тезисы докладов – МГТУ, Мурманск, 2007, с. 407-412;
- Вовк Д.Н., Прокопов Н.И., Грицкова И.А / Технология производства сополимерных суспензий с ионами металлов на поверхности частиц для создания диагностических тест-систем //Химическая технология: Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ'07.Т.3 /Под. ред.
А.А. Берлина, Н.А. Халтуринского, А.А. Вошкина. - М.:ЛЕНАНД, 2007, с.86-87.
