Синтез новых термочувствительных полимеров на основе n-винилпирролидона и их взаимодействие с полиакриловой кислотой и белками
УДК 541.64.02.678 На правах рукописи
МЫЖАНОВА НАЗГУЛ КОНУРБАЕВНА
Синтез новых термочувствительных полимеров на основе
N-винилпирролидона и их взаимодействие с полиакриловой кислотой
и белками
Автореферат
диссертация на соискание академической степени
доктора философии (Ph.D.) в области химии по специальности «Высокомолекулярные соединения»
Республика Казахстан
Алматы 2009
Работа выполнена в Казахском национальном университете имени аль-Фараби.
Отечественный руководитель: доктор химических наук,
профессор Мун Г. А.
Зарубежный руководитель: Professor Park. К
Рецензенты: доктор химических наук,
профессор Алиев Н.У.
доктор химических наук,
профессор Батырбеков Е.О.
Защита диссертации состоится «23» июня 2009 года на заседании Государственной аттестационной комиссии КазНУ им. аль-Фараби по адресу: 050012, г. Алматы. ул. Карасай Батыра, 95а, химический факультет, ЗЗУС.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КазНУ им. аль-Фараби.
Автореферат разослан «09» июня 2009 года.
Секретарь ГАК Рахметуллаева Р. К.
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Синтез и исследование новых водорастворимых и водонабухающих термочувствительных полимеров, а именно сочетанием мономерных звеньев различной природы, отличающихся гидрофильно-гидрофобным балансом, представляют значительный интерес, в связи с непрерывным расширением областей их практического применения.
В данной работе осуществлен синтез новых термочувствительных сополимеров на основе N-винилпирролидона и метилакрилата и исследованы их физико-химические, комплексообразующие и поверхностные свойства.
Актуальность темы. В настоящее время не достаточно придать полимерам те или иные химические или физико-механические свойства, такие как механическая прочность, эластичность, устойчивость к действию агрессивных сред и т. д., а во многих случаях требуется создать полимеры, направленно изменяющие свои свойства в процессе эксплуатации. К таким полимерам, получившим название «умные», относятся материалы и системы, способные изменять свои свойства по механизму обратной связи в ответ на изменения определенных параметров окружающей среды, например, температуры, рН, освещенности, появление в окружающей среде какого-либо химически или биологически активного соединения в определенной концентрации и т.д. В настоящее время на основе термочувствительных полимеров созданы системы для концентрирования суспензий и белковых растворов, иммобилизации биокатализаторов, контролируемого выделения лекарств. Возможность создания на основе термочувствительных полимеров субстратов для культивирования клеток, имеющих контролируемую степень гидрофильности (гидрофобности) интересна не только в смысле решения некоторых задач биотехнологии, но и как инструмент для исследования фундаментальных механизмов клеточной физиологии.
Настоящая работа посвящена получению новых термочувствительных сополимеров на основе N-винилпирролидона (NВП) с метилакрилатом (МА), изучению комплексообразующей способности по отношению к полиакриловой кислоте (ПАК), белкам и ионам серебра, также получению тройных поликомплексов NВП-со-МА-Ag+-ПАК.
В данной работе описывается явление дистанционного взаимодействия, которое было открыто в результате дальнейшего развития работ в области формирования интерполимерных комплексов. Основным отличием от известных работ является то, что химические реакции протекают с участием объектов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга и сопровождаются существенным отклонением от нейтральности.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является установление основных закономерностей синтеза новых водорастворимых и водонабухающих сополимеров на основе N-винилпирролидона и метилакрилата и исследование их физико-химических свойств, выявление способности полученных сополимеров к комплексообразованию с полиэлектролитами различной природы. В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи:
- синтезировать и установить молекулярно-массовые характеристики сополимеров линейной и сетчатой структуры на основе NВП и МА.
- исследовать термочувствительность сополимеров в водных растворах. Выявить влияние содержания гидрофобного компонента МА на параметры термоиндуцированной контракции гидрогелей сополимеров NВП-МА.
- исследовать комплексообразующую способность сополимеров NВП-МА с полиакриловой кислотой
- исследовать способность сополимеров N-винилпирролидона к комплексообразованию с полиэлектролитами анионного и катионного типа
- исследовать явление дистанционного взаимодействия.
- определить возможные области практических применений полученных сополимеров.
Научная новизна. Впервые методом радикальной сополимеризации N-винилпирролидона с метилакрилатом получены термочувствительные сополимеры линейной и сетчатой структуры. Методами дилатометрии и элементного анализа установлено, что с увеличением концентрации МА в исходной мономерной смеси (ИМС) скорость процесса повышается, что свидетельствует о более высокой активности МА в бинарной сополимеризации. Показано, что для водных растворов полученных сополимеров характерно наличие нижней критической температуры растворения (НКТР), значение которой можно регулировать в широких пределах варьированием концентрации гидрофобного мономера МА в составе сополимеров
Впервые методами турбидиметрии, потенциометрии и ИК-спектроскопии изучено комплексообразование сополимеров NВП-МА с ПАК в подкисленных водных растворах (рН 3,6). Показано, что образование ИПК осуществляется за счет межмолекулярных водородных связей вплоть до стехиометрического соотношения компонентов с дальнейшей стабилизацией ИПК. Установлено, что с уменьшением ММ ПАК поликомплексы обогащаются звеньями поликислоты, а порядок смешения полимеров влияет на состав ИПК.
Впервые исследовано взаимодействие гидрогелей сополимеров ГЭА - МА с ионными поверхностно-активными веществами - цетилпиридиний бромидом и додецилсульфатом натрия. Показано, что в зависимости от концентрации ПАВ в окружающем растворе, а также концентрации гидрофобного компонента в составе сшитого полимера гидрогели при взаимодействии с ПАВ могут подвергаться дополнительному набуханию либо контракции, что обусловлено комплексообразованием дифильных молекул ПАВ за счет гидрофобных взаимодействий с полимерной сеткой.
Впервые методами турбидиметрии и УФ-спектроскопии в системах, содержащих ПАК, неионный полимер и ионы серебра, показано образование тройных поликомплексов, стабилизированных электростатическими и донорно-акцепторными взаимодействиями.
зоВпервые излагаются принципы работы искусственной нейронной сети на основе гидрофильных полимеров.
Практическая ценность. Полученные результаты имеют важное практическое значение для получения поликомплексных материалов в качестве носителей лекарственных веществ, сорбентов тяжелых металлов, в мембранной и биотехнологии для разделения веществ, в частности, белков и ферментов. Полученные комплексы серебра могут быть использованы для разработки антисептических и противовоспалительных средств широкого спектра локализации в организме.
В впервые рассматриваются возможные применения явления дистанционной передачи химических сигналов для создания искусственных нейронных сетей.
Основные положения, выносимые на защиту:
- синтезированные новые водорастворимые и водонабухающие сополимеры на основе N-винилпирролидона и метилакрилата обладают
-образование интерполимерных комплексов сополимеров N-винилпирролидона и метилакрилата с полиакриловой кислотой осуществляется за счет межмолекулярных водородных связей
- комплексообразование термочувствительных неионных сополимеров с ионными ПАВ является эффективным методом модификации их термочувствительных свойств.
- образование тройных поликомплексов происходит за счет стабилизированных электростатическими и донорно-акцепторными взаимодействиями.
- дистанционное взаимодействие полимерных гидрогелей
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международном конгрессе студентов и молодых ученных «Казахстанские химические дни -2007» (Алматы, 2007), на II Международном конгрессе студентов и молодых ученых, «Мир науки: Казахстанские химические дни -2008» (Алматы 2008), на III международном конгрессе студентов и молодых ученных «Мир науки», посвященный 75 летию КазНУ им. аль-Фараби (Алматы. 2009)
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Выбор направления исследования обусловлен необходимостью установле-ния основных закономерностей комплексообразования дифильных полимеров линейной и сшитой структуры с ПАК и ПАВ при варьировании факторов внешней среды (рН и ионная сила среды, температура).
Во введении диссертации обоснована актуальность темы, сформулировано цель, задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы.
Первый раздел посвящен литературному обзору, где систематизированы литературные данные по особенности сополимеризации N-винилпирролидона с различными мономерами, исследованию комплексообразующие свойства термочувствительных азотсодержащих полимеров с низко- и высокомолекулярными соединениями и взаимодействию белковых молекул с синтетическими полимерами.
Во втором разделе, включающего экспериментальную часть, приведены способы очистки исходных мономеров и методика проведения реакции сополимеризации, получения поликомплексов, а также методы исследований.
Третий раздел посвящен обсуждению полученных результатов.
3.1 Синтез сополимеров N-винилпирролидона с метилакрилатом в растворе и их термочувствительные свойства
Методом бинарной радикальной сополимеризации впервые синтезированы и идентифицированы сополимеры поли-N-винилпирролидона с метилакрилатом различного состава. Образование сополимеров подтверждено методами ИК-спектроскопии и элементного анализа по азоту. Данные таблицы 1 показывают, что с увеличением содержания МА выход сополимеров увеличивается, изменение же значений характеристической вязкости водных растворов сополимеров носит экстремальный характер. Это может быть обусловлено тем, что при сополимеризации NВП-МА образуются полимерные продукты с высокой молекулярной массой, которая увеличивается с повышением концентрации МА в исходной мономерной смеси. Полученные значения константы Хаггинса () и концентрации перекрывания макромолекулярных клубков (С*) хорошо согласуются со значениями характеристической вязкости.
Из расчета относительного индекса гидрофобности макромолекул экспериментально подтверждены термочувствительные свойства сополимеров NВП-МА, а именно термочувствительными свойствами обладают сополимеры с содержанием МА 40- 60,1 мол.%.
Таблица 1 – Состав сополимеров и некоторые их гидродинамические характеристики в водных растворах
| Состав исходной мономерной смеси, мол.% [NВП]:[МА] | Состав сополимеров1, мол.% [NВП]:[МА] | Выход сополимеров, % | [], дл/г | С*, г/дл | |
| 90:10 | 71,0:29,0 | 55 | 0,43 | 1,75 | 0,50 |
| 80:20 | 60,0:40,0 | 55 | 0,47 | 1,61 | 0,47 |
| 70:30 | 52,9:47,1 | 57 | 0,51 | 1,50 | 0,23 |
| 60:40 | 51,0:49,0 | 60 | 0,41 | 1,85 | 0,45 |
| 50:50 | 44,1:55,9 | 65 | 0,23 | 3,27 | 1,05 |
| 40:60 | - | 68 | 0,14 | 5,42 | 1,25 |
| 1- состав определен методом элементного анализа по азоту | |||||
Из кривых, представленных на рисунке 1 видно, что степень набухания зависит от концентрации сшивающего агента, а также от состава исходной мономерной смеси. С увеличением содержания сшивающего агента в ИМС, а также содержания гидрофобного компонента МА степени набухания полученных гидрогелей в воде уменьшаются.
[NВП]:[МА] =92:8 (1), 84:16 (2), 76:24 (3) мол.%
Условия синтеза: растворитель – этанол (70 об.%), синтеза=0,5 часа
Рисунок 1– Влияние концентрации сшивающего агента на степень набухания гидрогелей сополимеров NВП-МА в воде
На рисунке 2 видно, что выход гель-фракции повышается с увеличением содержания сшивающего агента в ИМС, а степень набухания в воде и этаноле соответственно уменьшается. Из рисунка 3 видно, что выход гель фракции возрастает с повышением содержания МА в ИМС, что хорошо согласуется с результатами полученными для линейных сополимеров. С увеличением содержания гидрофобного мономера МА в ИМС степень набухания гидрогелей в воде уменьшается, а в этаноле выходит на плато, что связано с термодинамическим качеством растворителей
 Условия синтеза: ИМС [NВП]:[МА] = 90:10 мол.%, растворитель – этанол (70 об.%), синтеза=0,5 часа. |  Условия синтеза: [ПЭГДМА]=0,2 мол.%, растворитель – этанол (70 об.%), синтеза=0,5 часа |
| Рисунок 2 – Зависимость выхода гель-фракции (3) и степени набухания в воде (1) и в этаноле (2) от концентрации СА в ИМС | Рисунок 3 – Зависимость выхода гель-фракции (1) и степени набухания в воде (2) и в этаноле (3) от содержания МА в ИМС |
На рисунке 4 представлены фазовые диаграммы водных растворов сополимеров NВП-МА различных составов. Как видно из рисунка, на диаграммах отсутствуют точки экстремума, т.е значение критической температуры расслоения растворов сополимеров NВП-МА находится за гранью исследованного интервала концентраций сополимеров 0,1-1 масс.%, поэтому полученная кривая не является полноценной фазовой диаграммой состояния сополимер - вода. В связи с этим о наличии НКТР можно судить только по характеру изменения точек (температурах) помутнения растворов сополимеров NВП-МА конкретных концентраций.
[NВП]:[МА] = 60,0:40,0 (1); 52,9:47,1 (2); 51,0:49,0 (3) и 44,1:55,9 мол.% (4);
Рисунок 4 – Фазовая диаграмма растворимости сополимеров NВП-МА в воде
Для полученных полимерных гидрогелей исследовано их набухающее поведение при воздействии температуры. Как видно из данных, представленных на рисунке 5, с повышением температуры наблюдается уменьшение объема полимерных сеток NВП-МА, то есть их контракция, что обусловлено, очевидно, повышением гидрофобных взаимодействий с участием звеньев МА и стабилизацией в результате этого компактных конформаций макроцепей сополимера. С повышением содержания МА в составе полимерных сеток увеличивается амплитуда термоиндуцированной контракции, уменьшается температура перехода полимерной сетки из набухшего в сжатое состояние.
 | [NВП]:[МА] =92:8 (1), 84:16 (2), 76:24 (3) мол.% Рисунок 5 – Влияние температуры на набухающее поведение гидрогелей сополимеров NВП-МА |
3.2 Комплексообразование сополимеров N-винилпирролидона и метилакрилата с полиакриловой кислотой в водных растворах
В данной работе впервые определен состав поликомплексов NВП-МА-ПАК. Для его определения были использованы методы турбидиметрии и потенциометрии. Как видно из рисунка 6, что добавление СПЛ к раствору ПАК сопровождается значительным увеличением значений оптической плотности раствора полимера, а затем значения D уменьшаются, что указывает на формирование поликомплекса компактной структуры. Компактные частицы поликомплекса из-за их гидрофобной природы начинают агрегировать с образованием более крупных структур, что отчетливо проявляется на кривой турбидиметрического титрования.
Образование поликомплексов с участием слабых полиэлектролитов, как правило, сказывается на изменении рН водных растворов. Следует отметить, что положение излома на кривой потенциометрического титрования СПЛ раствором ПАК не соответствует составу поликомплексов, определенным методом турбидиметрии, а именно на одно звено ПАК приходится одно звено СПЛ. Это, по-видимому, обусловлено тем, что метод потенциометрического титрования является чувствительным к протонам, количество которых изменяется в процессе реакции, что не дает возможность контролировать дополнительное связывание СПЛ за счет гидрофобных взаимодействий.
[NВП]:[МА] = 51,0:49,0 мол.%; [СПЛ]=[ПАК]=0,01 М;
ММ (ПАК)= 450 000.; рН=3,6
Рисунок 6 – Кривые турбидиметрического (1) и потенциометрического титрования (2) растворов ПАК растворами NВП-МА
Известно, что образование интерполимерных комплексов в системе ПВП-ПАК характеризуется достаточно высокими значениями рНкрит. (4.5-6.5) и, как следствие, данная макромолекулярная пара является сильнокомплексообразующей. Из рисунка 7 видно, что рНкрит. для системы СПЛ-ПАК принадлежат интервалу 4,1-5,1, причем с увеличением содержания МА в составе СПЛ рНкрит. сдвигаются в область больших значений, что указывает на увеличение способности полимеров к комплексообразованию за счет дополнительного вклада гидрофобных взаимодействий.
[NВП-МА]:[ПАК] = 2:1 (для и ) и 1:1 (для и )
[СПЛ]=[ПАК]=0,01 М; ММ (ПАК) 450 тыс.;
[NВП]:[МА] = 71,0:29,0 (1); 60,0:40,0 (2); 52,9:47,1 (3) и 44,1:55,9 мол.% (4);
Рисунок 7 – Зависимость оптической плотности водных растворов NВП-МА–ПАК от рН
В работе, с целью изучения комплексообразующей способности полимеров при изменении ионной силы была использована низкомолекулярная соль KCl. Как видно из рисунка 8, повышение ионной силы среды сопровождается сдвигом рНкрит в область более высоких значений рН, что свидетельствует о повышении комплексообразующей способности макромолекул в данной системе при увеличении концентрации низкомолекулярной соли. Таким образом ионная сила в системе СПЛ NВП-МА -ПАК является благоприятным фактором для формирования ИПК.
= 0(1), 0,005(2), 0,01(3), 0,1(4);
[NВП]:[МА] = 52,9:47,1 мол %;
ММ (ПАК) = 250 000, [NВП-МА] = [ПАК] = 0,01 М.
Рисунок 8- Влияние ионной силы на критическую рН комплексообразования сополимера NВП-МА с ПАК
При комплексообразовании сшитых сополимеров NВП-МА с ПАК наблюдается контракция образцов гидрогелей (рис. 9). Как и для линейных аналогов комплексообразование идет за счет образования водородных связей между неионизированными группами ПАК и кислородным атомом NВП и МА. При этом ИПК становится более гидрофобным по сравнению с исходной сеткой, что и приводит к сжатию гидрогелей.
[ПАК] = 0,01 моль/л, ММ (ПАК) 100 000
[NВП]:[МА]= 92: 8 (1), 84:16 (2), 74:26 (3), мол.%
Рисунок 9 - Зависимость набухающего отношения гидрогелей сополимера NВП-МА в растворах ПАК от времени
Изучено влияние концентрации ПАК на процесс комплексообразовани,. что увеличение линейного компонента в растворе приводит к усилению амплитуды контракции гидрогеля. Очевидно, что такое поведение может быть обусловлено увеличением разности химических потенциалов ПАК в окружающем растворе и в полимерной сетке, сопроваждающимся проникновением макромолекул поликислоты в более глубокие слои образцов гелей.
Изучено влияние концентрации ПАК на процесс комплексообразования. Из рисунка 10 видно, что увеличение линейного компонента в растворе приводит к усилению амплитуды контракции гидрогеля. Такое поведение может быть обусловлено увеличением разности химических потенциалов ПАК в окружающем растворе и в полимерной сетке, сопроваждающимся проникновением макромолекул поликислоты в более глубокие слои образцов гелей.
[NВП]:[МА]= 86:14 мол.%, ММ (ПАК)= 100 000
[ПАК] = 0,001 (1); 0,01 (2); 0,1 (3)моль/л
Рисунок 10 – Зависимость набухающего отношения гидрогелей сополимера NВП-МА в растворах ПАК различной концентрации от времени
3.3 Особенности комплексообразования сополимеров N-винилпирролидона и метилакрилата с полиакриловой кислотой в водных растворах в присутствии серебряной соли азотной кислоты
В настоящей работе нами с целью подбора оптимальных условий для создания бактерицидных металл-поликомплексных препаратов для перорального использования исследовано комплексообразование сополимеров NВП-МА с ПАК в присутствии ионов серебра Ag+, концентрация которых подбиралась в соответствии с произведением растворимости (1,9510-8) и рН растворителя.
На рисунке 11а представлена зависимость оптической плотности растворов исходных полимеров, а также их поликомплексов (рН 3,6) в присутствии ионов серебра (концентрация 510-4 М). Видно что, с увеличением концентрации ПАК в составе ИПК ([СПЛ]/[ПАК]=0,5) наблюдается смещение положения экстремума в сторону больших значений ([Ag+]/[ИПК]=0,5), что свидетельствует об обогащении поликомплексов ионами металла, а именно на одно звено [СПЛ]/[ПАК] приходится 5 ионов Ag+.
а)  [NВП-МА]:[ПАК] = 1:2 (1) и 2:1 мол. (2-4) [СПЛ]=[ПАК]=0,01 М; ММ (ПАК) 450 тыс.; рН 3,6 | в)  СПЛ (1) и ПАК (2); [СПЛ]=[ПАК]=0,005 М; ММ (ПАК) 450 тыс.; рН 3,6 |
Рисунок 11 – Кривые турбидиметрического титрования водных растворов NВП-МА–ПАК (а), NВП-МА и ПАК (б) растворами AgNO3
На рисунке 11б представлены кривые турбидиметрического титрования растворов ПАК и СПЛ растворами нитрата серебра, из которых видно лишь незначительное изменение оптической плотности. По-видимому, смешение полимеров с раствором AgNO3 сопровождается формированием менее компактных (гидрофобных) структур по сравнению с системами NВП-МА-Ag+-ПАК, где, вероятно, происходит образование тройных поликомплексов за счет электростатического и донорно-акцепторного связывания
3.4 Взаимодействие водорастворимых и водонабухающих сополимеров N-винилпирролидона и метилакрилата с ионными поверхностно-активными веществами
В настоящей работе изучено влияние катинного ПАВ – цетилпиридиний бромида (ЦПБ) на процесс комплексообразования NВП-МА с ПАК путем определения критического рН. Как видно из рисунка, содержание катионного ПАВ приводит к сдвигу значений критических рН комплексообразования в кислую область, что характеризует снижение комплексообразующей способности полимеров в присутствии ПАВ. Введение в структуру NВП благоприятсвует образованию агрегатов NВП-МА-ЦПБ посредстом гидрофобных участков, при этом протоноакцепторные центры NВП, а также гидрофобные участки МА блокируются и не участвуют в образовании поликомплексов с ПАК.
Вода (1), [ЦПБ], моль/л = 110-4 (2), 310-4 (3);
[NВП]:[МА] = 52,9:47,1 мол %, ММ(ПАК)=250 000;
[NВП-МА]= [ПАК]=0,01М.
Рисунок 12 - Влияние ЦПБ на комплексообразующую способность
NВП-МА с ПАК
Комплексообразование линейных сополимеров NВП-МА с ПАВ было изучено методом вискозиметрического титрования. Как видно из данных, представленных на рисунке 13, добавление раствора ПАВ к водным растворам сополимеров сопровождается заметным увеличением их приведенной вязкости, что, свидетельствует о протекании комплексообразования ПАВ с макромолекулами NВП-МА, которые в результате этого приобретают заряд и подвергаются эффекту полиэлектролитного набухания, то есть так же, как полиэлектролиты, принимают более развернутую конформацию в процессе титрования.
[NВП]: [МА], мол.% =92:8;
[ДДС] = 4·10-3 моль/л, [ЦПБ] = 3·10-4 моль/л
Рисунок 13 – Вискозиметрическое титрование водных растворов сополимеров NВП -МА растворами ДДС (2), ЦПБ (3) и водой (1)
В данной работе исследовано набухающее поведение модифицированных гидрогелей СПЛ NВП-МА–ПАВ в широком интервале температур. На рисунке 14 показано, что ПАВ повышает амплитуду контракции полимерных гелей.
 |  |
| [NВП]:[МА] =92:8 (1), 84:16 (2), 76:24 (3) моль.% Рисунок 14 – Влияние температуры на набухающее поведение гидрогелей сополимеров NВП-МА–ДДС (а) и NВП-МА–ЦПБ (б) | |
3.4 Комплексообразование белковых молекул с линейными сополимерами N-винилпирролидона
В работе исследованы основные закономерности процессов комплексообразования бычьего сывороточного альбумина (БСА) с (со)полимерами линейного строения NВП и NВП –МА в водных растворах. На рисунке 15 представлены кривые турбидиметрического титрования раствора белка растворами ПВП и NВП-МА. Как видно из данных рисунка, способность связывать белковые макромолекулы в поликомплекс зависит от состава сополимеров, при этом видно поликомплексы не образуются с поли-NВП, что свидетельствует о том, что в стабилизацию белкового поликомплекса помимо водородных связей, значительный вклад вносят гидрофобные взаимодействия звеньев МА.
Поли-NВП (1), [NВП]:[МА] = 71,0:29,0 (2); 52,9:47,1 (3) мол.%;
[Поли-NВП]= [NВП-МА] = [БСА] = 0,1 г/дл, рН=2,0
Рисунок 15- Кривые турбидиметрического титрования БСА растворами
ПВП и NВП-МА
На рисунке 16 представлены зависимости оптической плотности растворов сополимер NВП-МА - БСА от рН среды, при различных концентрациях исходных реагентов. Видно, что при использовании растворов с концентрацией 0.01-0,05 г/дл помутнения не происходит, что свидетельствует либо об отсутствии специфического связывания, либо об образовании растворимых поликомплексов. Однако при переходе к более высоким концентрациям (0.1 – 0.5 г/дл), наблюдаются характерные максимумы, указывающие на связывание белковой молекулы сополимером.
[NВП]:[МА] = 52,9:47,1 мол.%;
[NВП-МА] = [БСА] = 0,01 (1); 0,05 (2); 0,1 (3); 0,5 (4) г/дл.
Рисунок 16 -Зависимость оптической плотности раствора поликомплекса NВП-МА-БСА (2:1) от рН
В связи с тем, что рН оказывает существенное влияние на комплексообразование белков с полимерами, нами изучено влияние рН на образование и устойчивость поликомплексов БСА- ПВП, БСА- NВП –МА (рисунок 17) Максимум на кривых турбидиметрического титрования показывает образование в растворе коацерватных капелек, видимых даже невооруженным глазом, с последующим уменьшением мутности.
ПВП (1), [NВП]:[МА] = 71,0:29,0 (2); 52,9:47,1 (3) мол.%;
[Поли-NВП]= [NВП-МА] = [БСА] = 0,1 г/дл.
Рисунок 17– Влияние рН среды на оптическую плотность раствора поликомплекса (со)полимер-БСА (2:1)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совокупность полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Методом бинарной радикальной сополимеризации синтезированы новые термочувствительные сополимеры N-винилпирролидона с метилакрилатом и установлены молекулярно-массовые характеристики сополимеров линейной и сетчатой структуры на основе NВП и МА. Показано, что МА характеризуется более высокой реакционной способностью по сравнению с NВП, мономер которого склонен участвовать в реакциях перекрестного роста
2 Исследовано термочувствительные свойства сополимеров в водных растворах. Впервые для сополимеров NВП-МА в водных растворах продемонстрирована термочувствительность. Установлено, что температура фазового разделения существенно зависит от концентрации и гидрофильно-гидрофобного баланса макромолекул сополимеров.
3. Изучено взаимодействие линейных и сшитых сополимеров NВП-МА с ПАК различной молекулярной массы в подкисленных водных растворах методами турбидиметрии, потенциометрии и ИК-спектроскопии. Установлено, что связывание полимеров осуществляется посредством водородных связей и гидрофобных взаимодействий. С уменьшением молекулярной массы ПАК ИПК обогащаются звеньями ПАК. С ростом содержания МА в составе сополимеров рНкрит. увеличиваются, при этом агрегационная устойчивость ИПК возрастает. Установлено, что взаимодействие гидрогелей NВП-МА с полиакриловой кислотой сопровождается контракцией полимерных сеток, что обусловлено формированием поликомплексов в системе неионный гель - полиакриловая кислота, имеющих более компактную структуру по сравнению с исходными полимерами.
4.. Впервые исследовано комплексообразование гидрогелей сополимеров NВП-МА с поверхностно-активными веществами анионной и катионной природы - цетилпиридиний бромидом и додецилсульфатом натрия. Показано, что в зависимости от содержания гидрофобного компонента в составе сшитого полимера, а также концентрации ПАВ в окружающем растворе полимерные сетки при взаимодействии с ПАВ могут подвергаться дополнительному набуханию либо контракции, что обусловлено комплексообразованием дифильных молекул ПАВ за счет гидрофобных взаимодействий с полимерными гидрогелями.
5. Впервые изучено комплексообразование в тройных системах NВП-МА- ПАК-ионы серебра в водных средах с низкой кислотностью. Методом турбидиметрии показано, что в присутствии соли переходного металла комплексообразующая способность полимеров существенно возрастает. Методом УФ-спектроскопии установлено, что при смешении полимеров с AgNO3 происходит образование тройных поликомплексов.
Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленные в работе задачи полностью выполнены. Полученные результаты вносят определенный вклад в развитие теории интерполимерных взаимодействий и поликомплексов. с применением широкого спектра современных физико-химических методов анализа: ИК-спектроскопия (Satellite FTIR Mattson, США), турбидиметрия и УФ-спектросокопия (UV-2401 PC Shimadzu, Япония), потенциометрия (Ion Meter 3345, Jenway Ltd., Великобритания).
Разработка рекомендаций по конкретному использованию результатов: Полученные фундаментальные результаты имеют важное практическое значение для получения поликомплексных материалов, перспективных для дальнейшей модификации и применения в качестве носителей лекарственных веществ, сорбентов тяжелых металлов, в мембранной и биотехнологии для разделения веществ, в частности, белков и ферментов, а также в информационной технологии.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими
достижениями в данной области: О высоком уровне выполненной работы свидетельствует опубликование её результатов в 2 статьях в международных научных журналах (Europian Polymer Congress, Graz, Austria), а также в 6 тезисах международных (Proc. 19th Polymer Networks Group meeting Larnaca, Cyprus) и республиканских конференций.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Пак, Л.В., Нуркеева, З.С., Мун, Г.А., Уркимбаева, П.И., Пиримбетова, М.Б., Мыжанова, Н.К. Физико-химические свойства новых водо-растворимых сополимеров на основе МА // Вестник КазНУ. №2(46), Алматы 2007.-234-238с
2 Мыжанова,.Н.К., Дуболазов, А.В., Мун, Г.А., Пак, К. Новые термочувствительные сополимеры n-винилпирролидона с метилакрилатом и их комплексообразование с полиакриловой кислотой и ионами серебра в водных растворах // Известия НТО «КАХАК». – 2007. - № 17. – С.210-211
3 Myzhanova, N.K., Dubolazov, A.V., Mun, G.A., Park, K. New Thermosensitive Copolymers Based on N-Vinylpyrrolidone and Metylacrylate and their Interacton with Polyacrylic Acid and with Silver Ions in Water Solutions // Abstracts the III International Scientific Conference “Modern Tendencies of Development of Science in Central Asia”. – Almaty, 2007. – P.147-148.
4 Рева, Ю.А., Мангазбаева, Р.А., Оразмухамедкызы, М., Сиражева, К.Н., Мун, Г.А., Сулейменов, И.Э., Мыжанова, Н.К. Использование термочувствителных гидрогелей в солнечной энергетике // Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане. Республиканская научно-практическая конференция – 2007.– С.19-21
5 Примбетова, М.Б., Мыжанова, Н.К. N-винилпирролидон мен метилакрилат негізіндегі жаа термосезімтал сополимерлер жне оларды атысындаы интерполимерлі реакциялар. //Международный конгресс студентов и молодых ученых //, «Мир науки: Казахстанские химические дни -2008», Алматы; 2008
6 Ергожин, Е.Е., Сулейменов, И.Э., Мун, Г.А., Проскура, К.А., Семенякин, Н.В., Мангазбаева, Р.А., Мыжанова, Н.К. Принцип растровой регистрации изображений при помощи молекулярных нановычислителей на основе полиэлектролитов // Химический журнал Казахстана – 2008. № 4. – С. 5-13.
7. Толеген, У., Мыжанова, Н.К. Синтез и физико-химическое поведение полимерных гидрогелей сополимеров N-винилпирролидона и метилакрилата. //Международный конгресс студентов и молодых ученых//, «Мир науки: Казахстанские химические дни -2007», Алматы; 2007
8 Ibragim, E. Suleimenov, Grigory A. Mun, Rauash A. Mangazbaeva, Nazgul K. Myzhanova, Julia I. Reva, Nikolai Semeniakin, Ildar Fakhrutdinov. Some Advanced Applications of Polymer Hydrogels for synthesis of 3D Images
9 Хасанова, А.Ж.., Мыжанова, Н.К. Взаимодействие катионных сополимеров линейной структуры на основе винилового эвира моноэтаноламина с полиакриловой кислотой // III международный конгресс студентов и молодых ученных «Мир науки», посвященный 75 летию КазНУ им. аль-Фараби– Алматы. 2009. 100с.
10 Suleimenov, I., Mun, G., Proskura, K., Semenyakin, N., Bobrovnikov, D., Zaitova, L., Tikenov, T., Myzhanova, N. Image reproduction devices based on polymer hydrogels // Europian Polymer Congress, Graz, Austria, 2009
11 Suleimenov, I., Mun, G., Tumabayeva, A., Hvan, O., Park, K., Myzhanova, N. Investigation of swelling kinetics of polymer hydrogels with the help of phase portraits // Europian Polymer Congress, Graz, Austria, 2009
12 Мыжанова, Н.К., Мун, Г.А. Комплексообразование белковых молекул с линейными сополимерами N-винилпирролидона// Материалы за V международна научна практична конференция «Новини от добрата наука - 2009», 17-25 май 2009. София. «Бял ГРАД-БГ». ООД. 2009. 25-27с.
13 Мыжанова, Н.К., Мун, Г.А., Пак, К. Комплексообразование сывороточного альбумина с новыми термочувствительными сополимерами n-винилпирролидона//Вестник КазНУ.
Мыжанова Назгул Конурбайызыны
Жоары молекулалы химиямамандыы бойынша химия саласында философия докторы академиялы дрежесін алу шін дайындалан
N-винилпирролдидон негізіндегі жаа термосезімтал полимерлерді синтезі жне оларды полиакрил ышылымен жне белоктармен рекеттесуі
атты диссертацияны авторефератына
ТЙІНІ
Зерттеу нысандары: N-винилпирролидон негізіндегі сополимерлерді (СПЛ) физика-химиялы асиеттері, сополимерлерді полиакрил ышылымен (ПАК) жне беттік-активті заттармен (БАЗ) рекеттесу процесстері; NВП сополимерлеріні ПА–пен поликомплекс негізіндегі лдірлер.
Жмысты масаты: суда еритін жне ісінетін N-винилпирролидон (NВП) жне метилакрилат (МА) сополимерлеріні полиакрил ышылымен жне ионды беттік-активті заттармен (БАЗ) негізгі комплекстзу задылытарын анытау, сополимерлер жне оларды поликомплекстері негізінде композициялы материалдарды (кзге арналан лдірлер) тзу ммкіншіліктерін зерттеу.
Зерттеу дістері. Жмыста негізгі физика-химиялы зерттеу дістерінен баса олданылан дістер: ЯМР-, УК-, И- спектроскопия, динамикалы сулешашырату, гель-ену хроматографиясы, дифференциалды-сканирлейтін калориметрия, сканирлейтін электронды микроскопия, вискозиметрия, турбидиметрия, потенциометрия жне гравиметрия.
Жмыс нтижелері. СПЛ NВП-МА ПА-мен сулы ерітінділерде рекеттесуі сутектік байланыстармен, тратануына гидрофобты рекеттесулер лкен лесін осатын ИПК тзе жретіні аныталан. Алынан интерполимер комплекстер (ИПК) гидрофобты рекеттесулерді эффектісімен температураны серіне жоары тратылы крсетті. Бейионды СПЛ NВП-МА БАЗ-пен рекеттесу нтижесінде полиэлектрлік асиетке ие болатыны аныталды. Сонымен атар сызыты сополимерлер сулы ерітіндіде полиэлектролиттік эффект, ал торланандара оларды негізінде термоиндуцирленген коллапс амплитудасы артатын осымша ісіну байалады. Алынан СПЛ NВП-МА/ПАК жне глицерин негізіндегі полимерлі композиция дрілік лдір пішінді алуа олдануа болатыны крсетілген.
олданыса ендіру дрежесі. СПЛ NВП-МА ПА-пен интерполимерлі реакцияларын зерттеу нтижелері, сонымен атар оларды БАЗ-бен комплекстзуі жоары молекулалы осылыстар химиясы аймаындаы маманданатын университет студенттеріне арнайы курстара енгізілді.
ылыми жмысты олдану жніндегі сыныстыр. Комплекстзу процестеріні зерттеу нтижелері медицинада дрілік затты баылаулы босататын жйе руа олдануа болады.
Summary
of the abstract of thesis for the Academic Degree of Doctor
of Philosophy (Ph.D) in Chemistry
Nazgul K. Muzhanova
Synthesis new termosensitive polymer on based N-vinylpyrrolidone and interaction with polyacrylic acid and protein
Objects of investigation: physicochemical properties of copolymers based on N-vinylpyrrolidone (NVP), processes of copolymers interaction with polyacrylic acid (PAA) and surfactants; films based on polycomplexes of copolymers of NVP with PAA.
Objective of the work was to determine of the main laws of complexation of water-soluble and water-swelling copolymers of N-vinylpyrrolidone and mathilacrelate with polyacrylic acid and ionic surfactants, study of possibility for creation of composite materials (eye films) based on copolymers and their polycomplexes.
Methods of investigation. NMR, UV-Vis, IR spectroscopy, dynamic light scattering, gel-permeation chromatography, differential-scanning calorimetry, scanning electronic microscopy, viscosimetry, turbidimetry, potentiometry and gravimetry were used as the main physicochemical methods of investigations in the work.
Results of the work. It was stated that interaction of NVP-MA copolymers with PAA in water samples is attended by formation of interpolymer complexes (IPC) via hydrogen bonds, formation of which is contributed by hydrophobic interactions. It was stated that the synthesized IPCs showed high stability to the temperature due to the effect of hydrophobic interactions. It was stated that after interaction of non-ionic copolymers of NVP-MA with surfactants macromolecules gained polyelectrolyte properties. For linear copolymers in water solutions, polyelectrolyte effect is observed, and for their nets additional swelling takes place accompanied by the increase of thermo inductive collapse amplitude. It was shown that the developed plymer composition based on copolymers of NVP-MA/PAA and glycerin can be used for production of the medical film form.
Implementation degree. The results of investigations of interpolymer reactions of copolymers of NVP with PAA and their complexation with surfactants are included into the special courses given to university students specialized on macromolecular chemistry.
Application area. The results of studies of complexation processes could be used for development of systems with a controlled release of drugs in medicine.
