Модифицированные микросферы из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта

Full Text

Полимерные микросферы используются при производстве жидкокристаллических устройств как разделители (так называемые спейсеры), обеспечивающие требуемый зазор между стеклами [1]. Микросферы-разделители должны характеризоваться диаметром около 5 мкм, узким распределением по размеру (квазимонодисперсностью) и термостойкостью, позволяющей им выдерживать без существенной термодеградации и потери упругости нагрев свыше 120°С (температура отверждения смол, используемых при формировании ячейки) [1, 2]. Свойства поливинилового спирта (ПВС), ковалентно сшитого глутаральдегидом, позволяют рассматривать его как перспективный материал для спейсеров. Известно, что пленки из данного материала термостабильны до 250°C [3]. Ранее нами эмульсионным способом на основе сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта были получены магнитные микросферы, средний диаметр которых зависел от концентрации поливинилового спирта в эмульгированном растворе и составлял от 2.8 до 15.0 мкм, а распределение по размеру было достаточно узким: индекс полидисперсности 0.1–0.2 [4]. Присутствующие на поверхности таких микросфер альдегидные группы обеспечивают конъюгацию различных лигандов. Однако при этом требуется инактивация непрореагировавших альдегидных групп, препятствующих процессу диспергирования микросфер при нанесении их на подложку.

Цель работы — установить влияние реагентов, взаимодействующих с альдегидными группами, на свойства микросфер из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта, значимые для их применения в качестве спейсеров: стабильность суспензий, термостойкость и адгезию к стеклу.

Экспериментальная часть

В работе использовали коммерчески доступные реактивы: поливиниловый спирт с массовой долей ацетатных групп 1.1–1.9% (ООО «АстраХим», марка 11/2), глутаральдегид (50%-ный раствор в воде, ООО «Меркурий»), уксусную кислоту ледяную (х.ч., АО «База № 1 Химреактивов»), изооктан эталонный (АО «База № 1 Химреактивов»), Span 85 (кат. номер 840124, Merck), Tween 85 (кат. номер P4634, Sigma), этанол (96% ректификованный технический, ОАО «Белхим»), пероксид водорода (35%-ный раствор в воде, ОАО «Белреахим»), аммиак (25%-ный раствор в воде, ОАО «Белреахим»), боргидрид натрия (кат. номер 806373, Merck), CaCl ₂ (х.ч., ООО «Меркурий»), NaCl (х.ч., ООО «Меркурий»), NaH₂PO₄ · 2H₂O (ч.д.а., ОАО «Белреахим»), NaH₂PO₄ ·12H₂O (ч.д.а., ОАО «Белреахим»).

Для получения микросфер водный раствор, содержащий 10 об% уксусной кислоты и 50 г·л^–1 поливинилового спирта, эмульгировали в количестве 5 мл в 10 мл изооктана с добавками 2.8% Span 85 и 1.5% Tween 85 (ИО/Span 85/Tween 85) с помощью лабораторного роторно-статорного гомогенизатора в течение 5 мин при частоте вращения 2500 об·мин^–1 и температуре 70°С. Водный раствор, содержащий 275 г·л^–1 глутаральдегида и 1 М СаСl₂, эмульгировали в количестве 2 мл в 30 мл ИО/Span 85/Tween 85, обрабатывая ультразвуком (22 кГц, 100 Вт) с помощью ультразвукового диспергатора УЗГ13-0,1/22 (ФГУП «ВНИИТВЧ») до получения прозрачной, без видимой опалесценции эмульсии. Из отстоявшейся в течение 5 мин эмульсии поливинилового спирта удаляли прозрачный супернатант, а остаток смешивали с эмульсией глутаральдегида и перемешивали роторно-статорным гомогенизатором при температуре 70°С и частоте вращения 2000 об·мин^–1 в течение 45 мин. Микросферы осаждали на центрифуге D1008 (DLAB), 1 раз отмывали этанолом 96% и 2 раза — дистиллированной водой. Морфологию микросфер наблюдали в камере Горяева на оптическом микроскопе Микро МБ (ОАО «Планар»), оснащенном цветной цифровой камерой. Для анализа изображений использовали программное обеспечение ImageJ.¹

Обработку микросфер дополнительным количеством глутаральдегида проводили, выдерживая их в водном растворе, содержащем 10 об% уксусной кислоты и 50 г·л ^–1 глутаральдегида, при 70°С в течение 15 мин при перемешивании, после чего микросферы обрабатывали ультразвуковым диспергатором (22 кГц, 50 Вт) в течение 30 с для дезагрегации и дважды отмывали дистиллированной водой.

Обработку микросфер пероксидом водорода проводили для окисления части карбонильных групп в карбоксильные [5]. Осадок микросфер ресуспензировали в водном растворе, содержащем 10 об% уксусной кислоты и 4% H₂O₂, и перемешивали 45 мин при 70°С.

Обработку микросфер аммиаком проводили для создания аминогрупп² на поверхности микросфер [6]. Осадок микросфер ресуспензировали в водном растворе, содержащем 10 об% уксусной кислоты и 2.5% аммиака, выдерживали в плотно закрытой пробирке при 70°С 45 мин с периодическим перемешиванием, после чего суспензию обрабатывали ультразвуком (22 кГц, 50 Вт), микросферы осаждали на центрифуге и дважды отмывали дистиллированной водой.

Обработку микросфер боргидридом натрия проводили для инактивации свободных альдегидных групп³ и дополнительной сшивки поливинилового спирта тетраборатанионами [7]. Осадок микросфер ресуспензировали в буфере, содержащем 13 мг·мл ^–1 NaBH₄, 0.5 M NaCl и 0.2 М фосфатов натрия Na_xH_{3– x}PO₄, pH 9, и выдерживали 20 мин при 60°С, периодически пипетируя, после чего суспензию обрабатывали ультразвуком (22 кГц, 50 Вт), микросферы осаждали на центрифуге и дважды отмывали дистиллированной водой.

Инфракрасные спектры микросфер получали на ИК-спектрометре с преобразованием Фурье Tensor 27 (Bruker). Спектры разных образцов нормировали по оптической плотности в максимуме поглощения 2940 см^–1 (валентные колебания связей C—H).⁴ Относительное изменение концентрации альдегидных групп оценивали как разность площади пиков c максимумом 1720 см^–1 (валентные колебания связи C=O)⁵ над базисными линиями в нормированных спектрах поглощения.⁶

Определение ζ-потенциала микросфер проводили в дистиллированной воде методом динамического светорассеяния электрофорезом при напряжении 24 В на оборудовании ZetaSizer Nano-ZS (Malvern).

Термогравиметрию микросфер проводили на дериватографе STA 449 F3 (NETZSCH), нагревая образцы до 700°С со скоростью 5 град·мин^–1 в атмосфере азота.

Оценку адгезии микросфер к стеклу при нагревании проводили, нанося 20 мкл эмульсии микросфер в этаноле (2.5·10⁸ мл ^–1 ) на стекло 1 см², что при среднем размере микросферы ≈5 мкм дает практически сплошной слой. Высушивали, накрывали таким же стеклом, помещали под гнет 100 г и выдерживали в муфельной печи 30 мин при 180°С (технологическая температура отверждения смолы, используемой при формировании жидкокристаллической ячейки). После нагревания адгезию стекол исследовали на адгезиометре MTM AT101 (ОДО «Микротестмашины»), оснащенном подвижной и неподвижной площадками 1 × 1 см, на которые наклеивали двухсторонний скотч, после чего между ними помещали исследуемый пакет стекол. Пакет сжимали усилием 1 Н, после чего разрывали, регистрируя необходимое для этого усилие.

Обсуждение результатов

Полученные микросферы имели средний диаметр 6.5 ± 2.5 мкм (рис. 1). Немодифицированные микросферы содержат свободные альдегидные группы, поглощающие в области 1720 см^–1 (рис. 2, спектр 1). Дополнительная обработка глутаральдегидом в кислой среде не увеличивает их количества (рис. 2, спектр 2).

 

Рис. 1. Микрофотография микросфер из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта

 

Рис. 2. ИК-спектры микросфер из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта: 1 — без дополнительной обработки, 2 — обработанных глутаральдегидом при pH 2, 3 — обработанных боргидридом натрия, 4 — обработанных пероксидом водорода 4% и боргидридом натрия, 5 — обработанных аммиаком, 6 — обработанных аммиаком и боргидридом натрия; 7 — образец 1 после нагревания до 180°С, 8 — образец 3 после нагревания до 180°С

 

Обработка боргидридом натрия инактивирует 83–90% свободных альдегидных групп микросфер (рис. 2, спектры 3 и 4), при этом ζ-потенциал их поверхности становится более отрицательным (рис. 3, кривые 1 и 3), составляя у 75% микросфер до обработки от –47 до +8 мВ, а после — от –96 до –23 мВ, средние значения соответственно –19 и –59 мВ. Это сопровождается замедлением конгломерации микросфер в водных суспензиях: время выпадения 90 мас% микросфер в осадок в микропробирке увеличивается с 1 до 3–4 мин, что согласуется с литературными данными, согласно которым условным порогом стабильности суспензий считается положительный либо отрицательный ζ-потенциал абсолютной величиной свыше 30 мВ [8].

 

Рис. 3. Распределение микросфер по ζ-потенциалу: 1 — необработанных, 2 — обработанных аммиаком, 3 — обработанных боргидридом натрия, 4 — обработанных аммиаком и боргидридом натрия

 

Обработка пероксидом водорода вызывает увеличение оптической плотности микросфер в интервале 1650–1550 см ^–1 (область антисимметричных валентных колебаний в карбоксильном анионе),⁷ величина которого позволяет предполагать рост содержания карбоксильных групп в составе микросфер на 25–29% (рис. 2, спектр 4). В пользу формирования дополнительных карбоксильных групп свидетельствует также увеличение оптической плотности около 3400 см^–1 (область валентных колебаний связей О—Н в гидроксильных группах, участвующих во внутри- и межмолекулярных водородных связях).⁸

Обработка аммиаком не вызывает существенных изменений ИК-спектров, в частности, в области поглощения связями С  O альдегидных групп (рис. 2, спектры 5 и 6 по сравнению с 1 и 3). В то же время она вызывает увеличение ζ-потенциала микросфер независимо от того, обработаны ли после нее микросферы боргидридом натрия (рис. 3, кривые 3 и 4) или не обработаны (рис. 3, кривые 1 и 2). Вероятно, такая обработка отражается на ζ-потенциале, но не на ИК-спектре микросфер, потому что затрагивает только поверхностный слой, составляющий незначительную долю их массы.

Согласно результатам термогравиметрии, все исследованные микросферы в бескислородной атмосфере стабильны до ≈250°С, что согласуется с литературными данными о стабильности пленок из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта [3]. Модификация микросфер не оказывает существенного влияния на их термостабильность. Потеря массы при нагревании от 100 до 180°С составляет менее 1%. При нагревании микросфер до 180°С в течение 30 мин количество альдегидных групп возрастает на сопоставимую величину у необработанных и обработанных боргидридом натрия микросфер, вероятно, за счет частичного разрушения ацетальных сшивок (рис. 2, спектры 7 и 8 по сравнению с 1 и 3). Между стеклами, покрытыми сплошным слоем микросфер, после нагревания до 180°С под давлением 1 · 10⁴ кПа возникала незначительная адгезия, ее удельная сила была меньше 10 кПа. Модификации микросфер, в том числе приводящие к ускорению их конгломерации в водной суспензии, практически не влияли на адгезию стекол.

Выводы

Количество альдегидных групп в микросферах, полученных эмульсионным методом из сшитого глутаральдегидом поливинилового спирта, не изменяется при дополнительной их обработке глутаральдегидом в кислой среде, что свидетельствует о насыщении поливинилспиртовой матрицы глутаральдегидом. Обработка боргидридом натрия инактивирует до 90% альдегидных групп и стабилизирует суспензию микросфер в воде за счет придания их поверхности отрицательного ζ-потенциала. Обработка пероксидом водорода приводит к увеличению количества карбоксильных групп в микросферах на 25–29%. Обработка микросфер аммиаком не изменяет их ИК-спектры, но вызывает увеличение ζ-потенциала, что свидетельствует о модификации только поверхностного слоя микросфер. Исследованные способы модификации не оказывают существенного влияния на термостойкость полученных микросфер и их адгезию к стеклу при нагревании до 180°С в течение 30 мин, хотя такое нагревание сопровождается увеличением количества альдегидных групп, вероятно, за счет разрушения части ацетальных сшивок. Термостабильность микросфер достаточна для их применения в качестве разделителей в жидкокристаллических устройствах.

Финансирование работы

Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (БРФФИ), проект № Х23МЭ-002.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

¹ https://imagej.net/ij/. Программное обеспечение ImageJ, 2024 (дата обращения: 26.11.2024).

² Hermanson G. T. Bioconjugate Techniques. 2nd Ed. Elsevier, 2008. P. 125.

³ Ibid. P. 174.

⁴ Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. М.: МГУ, 2012. C. 4.

⁵ Там же. С. 16.

⁶ Тарутина Л. И., Позднякова Ф. О. Спектральный анализ полимеров. Л.: Химия, 1986. С. 21–28.

⁷ Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. М.: МГУ, 2012. C. 19.

⁸ Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. М.: МГУ, 2012. C. 19–20.

About the authors

Константин Владимирович Лазнев

Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси

Author for correspondence.
Email: kvlaznev@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-1058-7421

к.х.н.

Belarus, Минск

Яна Сергеевна Игнатович

Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси

Email: kvlaznev@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-2964-2248
Belarus, Минск

Александр Александрович Рогачев

Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси

Email: kvlaznev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4993-0519

д.т.н., проф., чл.-корр. НАН Беларуси

Belarus, Минск

Владимир Енокович Агабеков

Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси

Email: kvlaznev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7218-3649

д.х.н., проф., академик НАН Беларуси

Belarus, Минск

References

Supplementary files