Porous polymer compositions based on mixed colloidal suspensions under ultrasonic dispersion and microwave heating

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на стыке физики и химии развивается перспективное направление – микроволновая химия [1–5]. Оно включает в себя химические превращения, связанные с использованием энергии микроволнового поля с электромагнитными волнами длиной от одного миллиметра до одного метра, с участием образцов материалов в твердой и жидкой фазах. В отличие от теплового нагрева за счет теплопередачи или нагрева под действием ультразвукового поля, микроволновое излучение способно в сотни раз ускорять многие химические реакции и вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов. В связи с этим методы СВЧ-обработки широко используются для получения функциональных композитных материалов [6, 7].

Смешанные полимерные композиции, полученные из суспензий, в которых дисперсионные среды термодинамически не смешиваются друг с другом, представляют большой интерес при создании гибридных материалов с новыми функциональными свойствами [8]. К возможным областям применения смешанных полимерных композиций, полученных в условиях ультразвукового диспергирования и микроволнового нагрева, можно отнести тканевую инженерию, в которой необходимо совмещение биоразлагаемых полимеров с различными лекарственными формами, а также композиты для решения экологических задач, в частности для удаления из водных сред нефтяных загрязнений и тяжелых металлов. Разработка новых способов и подходов к формированию пористых биокомпозитов в биологическом материаловедении обусловлена необходимостью получения материалов с широким спектром физико-химических и биологических свойств, которые могут быть обеспечены только за счет сочетания нескольких компонентов.

Цель данной работы – разработка способов смешения растворов полимеров и коллоидных суспензий с термодинамически несмешивающимися дисперсионными средами в условиях ультразвукового диспергирования и СВЧ-нагрева, а также определение физико-химических характеристик и функциональных свойств полученных композиций.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

При создании биокомпозитов для замещения дефектов костной ткани в настоящее время наиболее часто используются природные компоненты – коллаген и гидроксиапатит, которые в многочисленных экспериментах на животных показали не только превосходную биосовместимость, но и способность стимулировать костеобразование и служить матрицей для формирующейся костной ткани [9, 10]. Для изготовления кальций-фосфатных пористых биокомпозитов в работе была синтезирована суспензия частиц гидроксиапатита (ГАП) по реакции

6CaHPО₄ · H₂O + 4Ca(OH)₂ → Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ +12Н₂О. (1)

Кальций-фосфатные композиты получали путем смешения синтезированных частиц ГАП с водными суспензиями коллагена, альгината натрия и растворами ряда биодеградируемых полимеров (полилактида (ПЛА), поли-3-гидроксибутирата (ПГБ) и поликапролактона (ПКЛ)) в хлороформе. Для приготовления биокомпозитов на основе биодеградируемых полимеров применяли мелкодисперсный порошок ПГБ производства компании Biomer (Germany) с молекулярной массой M_w = 2.5 ⋅ 10⁵ и плотностью d = 1.248 г/см³, гранулы ПЛА марки 4032D производства компании Nature Works (USA) с M_w = 1.7 ⋅ 10⁵, d = 1.27 г/см³ и ПКЛ производства компании Flexstep (Китай). Растворы полимеров с концентрацией 7–8% в хлороформе смешивали с кальций-фосфатными концентратами, которые синтезировались по реакции (1).

Для приготовления растворов полимеров использовали органические растворители отечественного производства (хлороформ и метилэтилкетон), имеющие класс чистоты не ниже “х.ч.”, а также фторопластовый лак марки ЛФ-32ЛН (Профизолит, Россия) и фторопласт Ф-62 (Пластполимер, Россия). Смешение применяемых в работе термодинамически несмешиваемых жидкостей (в частности, вода/хлороформ) проводили в ультразвуковом (УЗ) поле с применением УЗ-диспергатора УЗДН-А с рабочей частотой 22 кГц. После УЗ-диспергирования полученные в результате смешения композиции пастообразной консистенции помещали в формы и удаляли жидкие фазы при нагревании под действием микроволнового излучения в СВЧ-печи (модель R-4A82, SHARP) мощностью 800 Вт на частоте 2.45 ГГц.

Смешение компонентов различной природы в условиях ультразвукового диспергирования и микроволнового нагрева осуществляли по одной из трех разработанных схем смешения, выбираемых в зависимости от характеристик смешиваемых компонентов и предполагаемых областей применения получаемого функционального композита.

По первой схеме смешение жидких композиций проводили в условиях ультразвукового (или роторно-пульсирующего) диспергирования. После смешения компонентов в течение 1–3 мин в УЗ-поле жидкие фазы из смеси удалялись путем нагрева в СВЧ-печи. Быстрый нагрев смеси приводил к удалению жидкости и образованию пор в композите.

По второй схеме УЗ-смешение проводили по аналогии с получением эмульсий так, что компонент с меньшей температурой кипения диспергировался в жидкости с большей температурой кипения (или в жидкости с меньшей величиной дипольного момента).

По третьей экспериментальной схеме смешение проводили путем построения конструкции, в которой нижний слой получали в условиях УЗ-диспергирования смешиваемых компонентов (по первой схеме), а на нижний слой наслаивался верхний слой с большей температурой кипения и меньшей плотностью. Верхний слой жидкости при этом может состоять из водорастворимых мономеров и участвовать в процессе смешения с компонентами нижнего слоя при выбросе его на поверхность верхнего слоя.

Регистрацию результатов смешения проводили с применением оптической и электронной микроскопии и спектроскопии в видимой и ИК-областях. Оптические микрофотографии образцов в режимах пропускания и отражения были получены на бинокулярном оптическом микроскопе BS-702В, оснащенном цифровой USB-камерой Altami UCMOS08000KPB с программным обеспечением Altami Studio 3.4.0.

Электронные микрофотографии поверхности и срезов композитов были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-T330А производства компании JEOL (Japan) при ускоряющем напряжении 10 кВ. Предварительная подготовка образцов включала напыление тонкого слоя золота (~10 нм) на установке вакуумного напыления JFC-1500 (JEOL, Japan). Регистрация изображения проводилась по синхронизованной схеме, разработанной П.Л. Александровым [11, 12], с использованием камеры PowerShot А590 IS производства компании Canon (Japan), управлявшейся с пульта электронного микроскопа.

В биокомпозитах, полученных путем смешения биодеградируемых полимеров с лекарственными препаратами – антиоксидантом меланином и фотосенсибилизатором хлорином (N-диметил глюкаминовая соль хлорина е₆ – препарат Фотодитазин^®), после выдержки в условиях деградации в модельных растворах определяли скорость высвобождения лекарственных веществ и сохранность их биологической активности. Выход препаратов из полученных пористых композиций в форме пленок оценивали методом УФ-спектрометрии. Спектры поглощения надосадочной жидкости записывали с использованием спектрофотометра UV-1700 производства компании Shimadzu (Japan) в кювете объемом 3 мл с длиной оптического пути l = 1см. В качестве раствора сравнения использовали фосфатный буфер (рН = 7.4) с добавлением азида натрия (NaN₃, 0.2 г/100 мл). Этот раствор является модельной средой для деградации биокомпозитов. Точную навеску пленки помещали в термостат при 37 °C. Затем, с интервалом в несколько дней, записывали спектры поглощения растворов. Содержание хлорина в растворе оценивали по интенсивности поглощения на длине волны λ = 405 нм, содержание меланина – на длине волны λ = 450 нм [13].

Антирадикальную активность меланина определяли с помощью гомогенной гидрофильной хемилюминесцентной системы, состоящей из гемоглобина, пероксида водорода и люминола [14, 15]. В качестве измеряемых параметров были взяты латентный период достижения максимальной интенсивности свечения и амплитуда свечения без и в присутствии ингибитора. Кинетику хемилюминесценции регистрировали на спектрофлуориметре RF 5301PC производства компании Shimadzu (Japan) на длине волны люминесценции λ = 470 нм при комнатной температуре. В качестве контроля использовали буферный раствор без добавления биоактивных компонентов.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате синтеза частиц гидроксиапатита по реакции (1) в суспензии природного полимера – коллагена [9, 10] – и удаления жидкости из композита под действием микроволнового излучения в СВЧ-печи были изготовлены пористые органоминеральные композиты для замещения дефектов костной ткани (рис. 1) [16, 17].

 

Рис. 1. Пористый образец композита коллаген/гидроксиапатит, полученный по первой схеме удаления жидкой фазы.

 

Для улучшения прочностных свойств композитов на основе природных полимеров (коллагена, альгината натрия и других) и увеличения времени их биодеградации были изготовлены смешанные биокомпозиты на основе природных и синтетических биодеградируемых полимеров.

Применяемые синтетические полимеры растворимы в хлороформе, а природные полимеры – в воде, поэтому смешение суспензий полимеров проводили в условиях ультразвукового диспергирования. В результате смешения природных и синтетических полимеров с водными суспензиями частиц гидроксиапатита по первой экспериментальной схеме были получены смешанные пористые кальций-фосфатные композиты. Смешение 7%-ных растворов полимеров в хлороформе с 3%-ным водным раствором альгината натрия производили в ультразвуковом поле, а высушивание смешанных композиций проводили в СВЧ-печи. После удаления жидких сред из смешанных композиций были получены пористые образцы смешанных полимерных композитов, которые представляют большой интерес для тканевой инженерии при построении конструкций для замещения дефектов костной ткани.

В результате смешения полимерных компонентов по второй и третьей экспериментальным схемам также были получены пористые образцы биодеградируемых полимеров. После диспергирования в воде 7%-ного раствора ПГБ в хлороформе в течение 3 мин и последующего быстрого нагрева за счет поглощения СВЧ-энергии с удалением органического растворителя происходит формирование пористых образцов ПГБ белого цвета (рис. 2а). Аналогичный образец, допированный красителем (тетрафенилпорфирином), был изготовлен для визуализации выброса смеси компонентов из-под слоя воды при нагревании под действием СВЧ-излучения (рис. 2б). За 30 с СВЧ-нагрева произошел выброс образца с красителем на поверхность водной фазы.

 

Рис. 2. Микрофотографии образцов, образовавшихся на водной поверхности в результате СВЧ-нагрева суспензий: а – образец из волокон ПГБ, б – образец из волокон ПГБ, допированных красителем (тетрафенилпорфирином).

 

В условиях УЗ-диспергирования и микроволнового нагрева были изготовлены образцы биодеградируемых композитов с лекарственными соединениями (фотосенсибилизатором и биоантиоксидантом). В результате смешения суспензий по третьей экспериментальной схеме в верхнем слое жидкости можно растворять полимерные компоненты, которые входят в состав смешанного композита. При таком подходе вылетающий из нижнего слоя полимер вместе с кипящим растворителем смешивается с компонентами верхнего слоя жидкости. По такой схеме эксперимента на слой 8%-ного раствора ПКЛ в хлороформе наслаивался слой 1%-ного раствора поли-N-винилпирролидона (ПВП) в воде, содержащего 25 мM хлорина е₆ (препарат Фотодитазин^®). В результате нагрева в СВЧ-печи в течение 30 с на поверхности верхнего слоя образовался смешанный композит.

Второй смешанный композит на основе ПЛА (7%-ный раствор в хлороформе) и ПВП (1%-ный раствор в воде c 50 мM хлорина е₆) был получен путем смешения одинаковых количеств по массе компонентов в УЗ-поле и последующего нагрева в СВЧ-печи в течение 60 с. В результате нагрева произошел выброс композита на верхний слой воды. Для обоих смешанных композитов спектральными методами была изучена кинетика высвобождения препарата из полимерной матрицы и перехода его в буферный раствор (рис. 3).

 

Рис. 3. а – Спектры поглощения хлорина на второй день инкубации образцов полимерных композитов; б – зависимость выхода хлорина из образцов композитов от времени инкубации в буферном растворе при температуре 37 °C; 1 – образец ПКЛ + ПВП + хлорин, 2 – образец ПЛА + ПВП + хлорин.

 

Из спектров, представленных на рис. 3а, видно, что основной максимум поглощения, характерный для хлорина е₆ (405 нм), сохранился в обоих образцах, но его полуширина значительно увеличилась, а интенсивность на длине волны λ = 665 нм, напротив, заметно снизилась по сравнению со спектром поглощения исходного препарата [18]. Это может свидетельствовать об агрегации и частичной фотодеструкции хлорина в процессе приготовления образцов и по мере высвобождения его из полимерной матрицы. Аналогичное поведение наблюдалось для ряда тетрапирролов в полимерных пленках [19, 20]. Из данных, представленных на рис. 3б, можно видеть, что скорость высвобождения препарата для образца 1 в 2.7 раза выше, чем для образца 2, что может быть связано с меньшей плотностью и более низкой температурой плавления композиций на основе ПКЛ, обладающих более оптимальными диффузионными характеристиками для иммобилизации и высвобождения лекарственных средств.

Также было зарегистрировано высвобождение антиоксиданта меланина из смешанной композиции меланина с ПГБ и его перехода в буферный раствор. После выхода из полимерной матрицы меланин эффективно тушит люминесценцию люминола приблизительно в 3 раза, что свидетельствует о сохранении его антиоксидантных свойств в составе смешанной композиции [13].

Смешение термодинамически несмешиваемых коллоидных суспензий типа вода/хлороформ можно осуществлять с различными полимерными суспензиями в условиях УЗ-диспергирования и микроволнового нагрева и получать образцы материалов с новыми функциональными свойствами. Так, при диспергировании в УЗ-поле 5 г фторопластового лака в 20 г воды и нагреве в СВЧ-печи в течение 60 с образовалась фторопластовая пленка на поверхности воды весом до 0.4 г. Фторопластовая пленка имела характерные полосы в ИК-спектрах: мода CF₂ – пики при 1198, 741, 332, 439 см⁻¹, мода C–C – при 1290 см⁻¹.

Еще одним примером получения вспененного образца фторопласта Ф-62 (сополимер дифторэтилена с гексафторпропиленом с мольным отношением сомономеров 93/7) является диспергирование 5 мл 10%-ного раствора Ф-62 в метилэтилкетоне (МЭК) в 20 мл воды, которая является осадителем для данного класса полимеров. Суспензию белого цвета после диспергирования нагревали в течение 1 мин в СВЧ-печи. В результате образовался вспененный образец сополимера Ф-62 с неупорядоченной надмолекулярной структурой, представленный на рис. 4.

 

Рис. 4. а – Внешний вид вспененного образца сополимера Ф-62 после высушивания, б – электронная микрофотография среза образца сополимера.

 

При диспергировании 5%-ного раствора Ф-62 в МЭК в суспензии магнитной жидкости (дисперсные частицы магнетита в буферном растворе, полученные по методике, описанной ранее [21]) и последующем микроволновом нагреве был получен смешанный полимерный композит с включением частиц магнетита. На рис. 5 представлены электронные микрофотографии образцов исходного сополимера Ф-62 (рис. 5а, б) и его композита с магнитными частицами (рис. 5в, г) после СВЧ-обработки. Подобные композиты, сочетающие в себе сегнетоэлектрические свойства фторопласта [22] и ферримагнитные свойства допанта, относятся к мультиферроикам [23–26] и могут быть использованы для создания различных магнитоэлектрических устройств [27–29].

 

Рис. 5. Электронные микрофотографии образцов исходного сополимера Ф-62 (а, б) и его композита с магнитными частицами (в, г) после СВЧ-обработки.

 

Новый подход к смешению полимерных компонентов в различных по природе дисперсионных средах был апробирован при смешении раствора фторопласта с водной композицией для полимеризации акриламидного геля (ПААГ). В результате микроволнового нагрева в течение 1 мин произошло образование композита, состоящего из смеси фторопласта и полиакриламида. Вспененная полимерная композиция применялась для сорбции 1 М раствора хлорида кобальта (II) за счет набухания полиакриламида. При этом гидрофобная часть композита за счет фторопластового компонента удерживала образец на поверхности раствора. При набухании в течение 40 мин вес образца увеличился в 22 раза, а после высушивания под действием СВЧ-излучения в течение 1 мин он уменьшился на 80%. Впоследствии полученный образец помещался в раствор восстановителя (NaBH₄) для придания ему ферромагнитных свойств.

На рис. 6 представлены фотографии образцов после набухания полученного полимерного композита в растворе хлорида кобальта (II) (рис. 6а) и его последующего взаимодействия с боргидридом натрия (рис. 6б). Восстановленный образец обладал ферромагнитными свойствами, что позволяет использовать полученные композиты в экологических целях для эффективной сорбции и последующей магнитоуправляемой транспортировки загрязнителей водной среды [30–33].

 

Рис. 6. Образцы композита ПААГ с фторопластом: а – гель после набухания в растворе хлорида кобальта, б – образец после помещения в раствор NaBH₄.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрено несколько способов смешения полимерных суспензий с термодинамически несмешивающимися дисперсионными средами в условиях ультразвукового диспергирования и СВЧ-нагрева. Смешанные полимерные суспензии использованы для получения композиций с новыми функциональными свойствами, в частности гибридных органоминеральных материалов на основе биоразлагаемых полимеров для регенерации костной ткани, магнитоуправляемых композитов на основе сегнетоэлектрических сополимеров, а также смешанных полимерных композиций с биологически активными соединениями, обеспечивающих постепенное высвобождение лекарственных препаратов, иммобилизованных в полимерной матрице.

Авторы выражают признательность с.н.с. О.В. Градову за возможность исследования образцов в ЦКП мультипараметрической микроскопии и с.н.с. М.А. Градовой за предоставление реактивов и помощь в проведении экспериментов.

Работа выполнена в рамках госзадания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FFZE-2022-0009).

About the authors

V. N. Gorshenev

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: lina.invers@gmail.com
Russian Federation, Moscow

I. A. Maklakova

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: lina.invers@gmail.com
Russian Federation, Москва

M. A. Yakovleva

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: lina.invers@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files