Полиакрилимидобразующие сополимеры с низкой температурой имидизации и материалы биомедицинского применения на их основе

Рустамов, Искандар Рустамович

Полиакрилимидобразующие сополимеры с низкой температурой имидизации и материалы биомедицинского применения на их основе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Рустамов, Искандар Рустамович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Полиакрилимидобразующие сополимеры с низкой температурой имидизации и материалы биомедицинского применения на их основе»

Автореферат диссертации на тему "Полиакрилимидобразующие сополимеры с низкой температурой имидизации и материалы биомедицинского применения на их основе"

На правах рукописи Рустамов Искандар Рустамович

Полиакрилимидобразующие сополимеры с низкой температурой

имидизации и материалы биомедицинского применения на их

основе

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения 02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005553186

Москва - 2014 год

005553186

Работа выполнена на кафедре химической технологии пластических масс Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

Научный руководитель: кандидат химических наук

Дятлов Валерий Александрович

доцент кафедры химической технологии пластических масс Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

Научный консультант: доктор химических наук

Малеев Виктор Иванович

заведующий лабораторией асимметрического катализа Института элемент-органических соединений Российской академии наук им. А.Н. Несмеянова

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Аржаков Максим Сергеевич

профессор кафедры высокомолекулярных соединений ФГБОУ ВПО Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

кандидат химических наук Верещагин Анатолий Николаевич

старший научный сотрудник отдела химии нестабильных молекул и малых циклов Института органической химии Российской академии наук им. Н.Д. Зелинского

Ведущая организация: Московский государственный университет

тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Защита состоится / ° &Ш?-в2-£уие с в 11:00 на заседании

диссертационного совета Д 212.204.01 при РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале (ауд. 443). С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан х __20 /¿/г.

Ученый секретарь N. /

диссертационного совета

Д 212.204.01 /УУ/^СУ^Х Биличенко Ю. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Химия полиакрилимидов (ПАИ) насчитывает более 80 лет: первые патенты по синтезу алифатических полиимидов, содержащих циклы в основной цепи, относятся к началу тридцатых годов 20 века, а пик исследований пришелся на предвоенный период и был связан с развитием технологии триплексов. Однако, в химии ПАИ все еще остается множество нерешенных задач.

В зависимости от температуры начала имидизации, ПАИ-образующие гомо-и сополимеры можно разделить на безнитрильные, имидизующиеся выше 120°С в результате реакции кислотных и амидных групп (реакция 1), и нитрилсодержащие, имидизующиеся по реакции Риттера при температуре ниже 100°С (реакция 2).

Разница в температуре имидизации определяет области применения ПАИ, которыми до настоящего времени остаются теплостойкие оптически прозрачные волокна и покрытия для оптоэлектроники, сверхлегкие конструкционные пеноматериалы и сэндвичпанели для аэронавтики и, возникшая относительно недавно, область полностью синтетических пористых биоразлагаемых материалов медицинского назначения. Последнее направление связано с опасностью использования биоматериалов животного происхождения, которые не могут гарантировать полного отсутствия риска вирусных и прионых инфекций. Одним из требований, предъявляемых к таким материалам, является способность полимера нести ковалентно связанные физиологически активные вещества, которые, как правило, представляют собой термически лабильные соединения пептидной природы. Поэтому применение имидизуемых акрилатных пен требует разработки путей понижения температуры имидизации ниже температуры денатурации белка. Образовавшуюся нишу призваны заполнить синтетические полимеры и композиты, среди которых особый интерес представляют полицианакрилаты, так как они способны не только имидизоваться при низких температурах, но и остаются

-с—сн2-

единственным известным типом безопасных акриловых сополимеров, биодеградируемых в организме.

Расширяющиеся области применения ПАИ-пластиков требуют синтеза новых мономеров и сополимеров, а также углубленного изучения процессов происходящих при имидизации последних. Настоящая диссертация посвящена синтезу новых мономеров, ПАИ-образующих полимеров и композитов на их основе.

Цель диссертации.

Определение температурных режимов имидизации полиакрилимидобразующих сополимеров в зависимости от их состава и выявление новых легко имидизуемых сополимеров нитрильного типа.

- Синтез новых мономеров цианакрилатного типа и имидизующихся сополимеров на их основе.

- Синтез акриловых сополимеров, имидизующихся при температурах, близких к физиологическим.

Разработка подходов к получению полностью синтетического имидизуемого костнозамещающего материала с регулируемой скоростью биодеградации и разноскоростным контролируемым выделением физиологически активных веществ пептидного типа.

Научная новнзна.

- Получены первые представители нового класса перфторированных ароматических 2-цианакрилатов и бис-2-цианакрилатов и их сополимеры с этил-2-цианакрилатом.

- Доказана возможность существования в мономерном виде тиоэфиров и дитиоэфиров 2-цианакриловой кислоты. Впервые синтезированы и выделены тиоэфир 2-цианакриловой кислоты (8-децил 2-цианопроп-2-ентиоат) и дитиоэфир 2-цианакриловой кислоты (децил 2-цианопроп-2-ен(дитиоат)).

- Обнаружено уменьшение температуры начала имидизации при введении нитрильного заместителя в а-положение к карбоксильной группе нитрилсодержащего имидизующегося сополимера.

- Разработан способ присоединения коллагена к основной цепи поли-2-цианакрилатного сополимера введением в его состав перфторфенил-2-цианакрилата и последующим взаимодействием с белком.

- Установлено независимое выделение лекарственных средств пептидной природы из полностью синтетического биорезорбируемого полиакрилимидного композитного материала, определена динамика выделения инсулина и коллагена из полимера.

Практическая ценность результатов диссертации.

Подтверждена концепция создания нового биоразлагаемого полностью синтетического пеноматериала для замещения костной ткани, содержащего корпускулярные носители физиологически активных веществ, встроенные в полимерную матрицу и ковалентно связанные биологически активные добавки. Материал прошел вторую стадию биологических испытаний in vivo на модели критического анастамоза большеберцовой кости крысы в ЦИТО им. Приорова. Пеноматериал позволяет осуществить выделение лекарств пептидного типа и контролировать скорость биоразложения и замещения собственной костной тканью.

Личный вклад автора состоит в формулировке целей и задач исследования, постановке химического эксперимента, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировке научных выводов.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации представлены в виде докладов на VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием "Менделеев-2012" (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), Международной конференции по химической технологии ХТ-12 (г. Москва, 2012), VII и VIII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2011 и МКХТ-2012 (г. Москва, 2011 и 2012 г.).

Публикации. Диссертация получила полное отражение в 9 публикациях, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (глава 2), обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 114 страниц, включая 45

рисунков, 4 таблицы, 28 формул. Список цитируемой литературы включает 142 наименования.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Выбор сополимеров нитрильного типа, имидизуемых при пониженных температурах

На температуру начала имидизации существенное влияние оказывают следующие факторы:

• тип имидизующейся пары функциональных групп (кислота - нитрил или амид-кислота);

• наличие заместителей облегчающих конденсацию;

• релаксационное состояние при температуре имидизации.

Решающим является тип имидизующейся пары. Безнитрильные сополимеры

АА-АК циклизуются при температуре выше 120°С, тогда как нитрилсодержащие АН-МАК начинают реагировать ниже 100°С. Введение активирующего нитрильного заместителя в а-положение к кислотной группе снижает температуру начала реакции до физиологической (40 - 50°С).

Скорость имидизации при фиксированной температуре определяется микроструктурой основной цепи, а именно содержанием пар функциональных групп способных к циклизации. О завершенности реакции можно судить по относительной предельной степени внутримолекулярной имидизации (ПСВИ), определяемой долей последовательностей звеньев способных к реакции. У полностью статистических сополимеров определяющим является мольное соотношение сомономеров; присутствие в структуре микроблоков значительно снижает как ПСВИ, так и скорость имидизации (рис. 1).

Рис. 1. Имидизация при 100°С сополимеров с различным содержанием блоков АН и МАК: 1 - 10% МАК и 25% АН; 2 - 9% МАК и 18% АН; 3 - 10% МАК и 14% АН

Предельная степень имидизации полностью статистических сополимеров фиксированного мольного состава, получаемых щелочным гидролизом полиакрилонитрила, постоянна и не зависит от микроструктуры цепи. Для безнитрильных сополимеров акриламида и акриловой кислоты (АА-АК) реакция начинается при температуре 130°С. Выше 140°С внутримолекулярная циклизация дополняется межмолекулярной имидизацией и ангидридизацией соседних карбоксильных групп (рис. 2). Причем обе реакции протекают уже в частично отвержденном полимере с температурой стеклования выше 140°С. Увеличение последней связано с тремя факторами: удалением пластификацирующей воды, возрастающей долей внутримолекулярной циклизации и сшивкой полимера с образованием трехмерных структур. Таким образом, несмотря на присутствие воды в полимере, она не играет существенной роли в высокотемпературном процессе имидизации.

—¿г

: —<4,

но чл А«. / у\

179 177 175 173 171 169

5с, МД

Рис. 2. Твердотельные спектры ЯМР |3С: 1 - исходный сополимер АА-АК (мольное соотношение звеньев 40:60% соответственно), 2, 3 - он же после термолиза в течение 30 мин при 150°С и 200°С соответственно. Гомополимер 2-цианакриловой кислоты содержит карбоксильную и нитрильную группы у одного углеродного атома, что полностью снимает проблему

блочности и позволяет повысить ПСВИ до 43% (схема II). При этом, вторая пара групп СООН и СЫ не образует циклы по стерическим причинам.

соон

т°с

ПН2С=С

сы

Ч У

си соон с с

Н2 I Н2 I Н2 I Н2 -с —с—с —с—с —с—с —с-

п-3

.с. .С. СООН СМ / \

/\ (") н

Активирующее влияние двух акцепторных заместителей (-СООН и -СМ) друг на друга приводит к резкому увеличению скорости внутрицепной имидизации в стеклообразном состоянии. Полицианакриловая кислота, полученная радикальной полимеризацией в присутствии перекиси бензоила при 50"С уже частично имидизована.

Медико-биологическое применение полиакрилатов вносит ограничения в процесс их получения. Главным из них является термическая лабильность большинства физиологически активных добавок, используемых при получении материалов биомедицинского назначения. Практически приемлемой считается температура, не превышающая температуру денатурации белковых препаратов равная 40 - 50°С. Это означает, что для практических целей можно использовать только легко имидизуемые акрилаты на основе более доступных и стабильных эфиров 2-цианакриловой кислоты. Введение имидных фрагментов в основную цепь этих биодеградируемых полимеров позволяет резко увеличить биологическую устойчивость и снизить скорость биоразложения материала. Однако, получение новых полицианакрилатов сопряжено с большими синтетическими трудностями и эта задача не решена до сих пор.

2. Синтез новых мономеров цианакрилатного типа

Получение 2-цианоакрилоилхлорида - основного интермедиата в синтезе эфиров 2-цианакриловой кислоты

2-Цианакриловую кислоту (ЦАК) получают пиролитическим деалкилированием ее этилового эфира. Этот способ, впервые разработанный Ю.Г. Гололобовым, мы использовали в модифицированном варианте, позволяющем получать чистый продукт с высоким выходом из форполимера этил-2-

цианакрилата термической деполимеризацией, совмещенной с высокотемпературным пиролизом.

Взаимодействие ЦАК с сильным хлорирующим агентом - пятихлористым фосфором, без промежуточной защиты двойной связи, приводит к количественному образованию цианоакрилоилхлорида, однако, реакцию трудно остановить на этой стадии и дальнейшее хлорирование двойной связи приводит к 2,3-дихлоро-2-цианопропаноилхлориду с практически количественным выходом даже при комнатной температуре (рис. 3). Незначительный сдвиг сигналов протонов 2-цианакриловой кислоты в процессе образования ее хлорангидрида связан с присутствием в реакционной смеси пятихлористого фосфора.

с.\

Нг Г CI—С -С—CI

coa

Н2 I

Н2с=с—COCI + CI-С 'С—С1

I t

CN COCI

H¡C=C—COCI CN

H,C=C— COOH HvC=C—COCI

I I

CN CN

1 I HZC = C—соон

1 1 CN 1

6.0 ' 5.0 lí * ЗЮ 5н.. МД

Рис. 3. Спектры ЯМР 1Н: 1 - 2-цианакриловая кислота; 2 - смесь 2-цианакриловой кислоты и цианоакрилоилхлорида; 3 - цианоакрилоилхлорид; 4 - смесь цианоакрилоилхлорида и 2,3-дихлоро-2-цианопропаноилхлорида; 5 - 2,3-дихлоро-2-

цианопропаноилхлорид Наиболее удобным оказался хлорирующий агент средней силы - оксалил хлорид, образующий цианоакрилоилхлорид высокой степени чистоты с количественным выходом. Побочные газообразные продукты HCl, СО и СОг легко удаляются из сферы реакции (схема III).

о (СОС1)2 ^о

Н,с=С-CÍC -Н2С=С-С^ + СО, + со + HCI

2 I N>H с<н"50°с I X, " (Ш)

CN CN V '

Получение мономеров цианакрилатного типа проводили в соответствии со схемой IV.

CN .CN /CN

Нгс=с/ / J^H2C=/

CN ^ COCI A В С— SR1

н2с=с ^ н2с=с(/

\00Н\^ CN ^ \coor2

Н2С = С з-он

COCI \ ОН / \

Ж Н2С=С^ ^с=сн2

гс гс хр-0R30 С.

F F CF3CF3 ¿Г %

R'= —С,0Н21 R2=^HF R3=—C-C— О D О

F^F CF3 CF3 (IV)

В реакции с циананоакрилоилхлоридом использовали как О- так и S-нуклеофилы (тиолы и спирты). При этом синтезировали как моно, так и бис-2-цианакрилаты.

Присоединение S-нуклеофилов происходит в две стадии. Сначала образуется тиоэфир, который при взаимодействии с избытком тиола превращается в дитиоэфир. Механизм реакции не вполне ясен, вероятно, на второй стадии не последнюю роль играет каталитическая функция пятихлористого фосфора как сильной кислоты Льюиса. При этом в условиях избытка PCI5 не происходит ни инициирования анионной полимеризации, ни присоединения тиола по двойной связи - реакций характерных для взаимодействия слабых нуклеофилов с цианакриловой кислотой и ее эфирами.

Разработанный способ получения хлорангидрида а-цианакриловой кислоты оксалилхлоридным методом позволил синтезировать первые представители классов ароматических перфторированных эфиров и перфторированных бис-2-цианакрилатов одностадийным методом в аналитически чистом виде. Синтезированные соединения были охарактеризованы данными элементного анализа и ЯМР l3C спектроскопии; в качестве примера на рис. 4 приведен ЯМР l3C - спектр перфторфенил-2-цианакрилата - соединения С на схеме IV.

-Ч/р

JbL

г Т F

м2и=

\0— / —C=N

170 ' 160 ' ' 150 ' 140 ' 130 ' ' 120

Рис. 4. Спектр ЯМР ,3С перфторфенил-2-цианакрилата

Ценность этих соединений как сомономеров в медицинских композициях обусловлена их низкой субстратной специфичностью по отношению к протеолитическим ферментам, позволяющая резко замедлить скорость биодеградации фторсодержащих полицианакрилатов медицинского назначения полученных с использованием соединений С и Э (схема IV).

Сополимеры этил-2-цианакрилата с функциональными цианакриловыми сомономерами

Успехи в восстановительной хирургии последних лет убедительно показали, что для синтетических имплантатов недостаточно одной биоинертности. Нами предложена концепция создания активных тканезамещающих материалов участвующих в регенеративном процессе, причем их роль различна на разных этапах лечения. Эта концепция реализована на примере костнозамещающего биорезорбируемого материала с независимым выделением лекарств с различной скоростью. В работе исходили из известных фактов: на первом этапе сразу после операции от протеза требуется активное участие в ранозаживлении, в качестве стимулятора которого использовали гормон инсулин. Одновременно начинается значительно более медленная стадия замещения синтетического материала собственной костью; во время этой стадии необходимо инициировать локальный рост именно костной, а не какой либо другой ткани. В качестве модели дорогостоящих пептидных стимуляторов роста костной ткани класса ВМР-2 использовали близкий им по физико-химическим свойствам и молекулярной массе

кожный коллаген. Скорость резорбции протеза должна быть по возможности согласована со скоростью его замещения собственной тканью. Кроме этого материал должен обладать остеокондуктивными свойствами, то есть позволять костной ткани и кровеносным сосудам прорастать через себя: быть открыто-пористым с размером пор достаточным для прорастания сосудов и закрепления клеток костной ткани.

В качестве такого материала нами предложен композит на основе этил-2-цианакрилового сополимера, содержащего ковалентно-связанный коллаген, а также включенные в матрицу этого сополимера нанокапсулы, заполненные инсулином. Использование двух вариантов иммобилизации физиологически активных веществ (ФАВ) - ковалентное связывание коллагена и физическое заполнение нанокапсул инсулином - позволяет осуществлять независимый выход этих ФАВ из матрицы с различной скоростью.

Материал матрицы пористого композита получали анионной сополимеризацией в блоке смеси этил-2-цианакрилата с фторсодержащими сомономерами приведенными в таблице, в которой также указаны основные функции сомономеров в сополимере.

Исходные компоненты для получения матрицы пористого композита

Загрузка Масса, мг Функции

Этил-2-цианакрилат 100 Основной компонент материала матрицы

2-Цианакриловая кислота 5 Ингибитор анионной полимеризации, имидизующий агент

Соединение С на схеме IV 5 Реакционноспособный сомономер, повышающий содержание коллагена в материале

Соединение И на схеме IV 5 Регулятор скорости биоразложения материала

Инсулинсодержащие нанокапсулы 20 Корпускулярный носитель инсулина -стимулятора ранозаживления

Коллаген 50 Модельный ФАВ, заменяющий морфогенетические белки BMP

Вода 10000 Реакционная среда, вспенивающий агент

Вода играет роль дисперсионной среды, инициатора полимеризации и порообразователя. Соотношение этил-2-цианакрилат - вода подобрано на основании расчетной зависимости размера пор композита от содержания пенообразователя.

Для ковалентного связывания коллагена в композицию вводили реакционноспособный сомономер - перфторфенил-2-цианакрилат, с легко уходящей перфторфениловой-группой в эфирном радикале. Взаимодействие аминогрупп коллагена со звеньями этого сомономера происходит при комнатной температуре в мягких условиях и приводит к прочному многоточечному связыванию с материалом матрицы (рис. 5).

н2ы н2ы

4— й—с—#— N1-1—с— X II II

ф - Со11адеп о О

Рис. 5. Схематическое изображение коллагена присоединенного к цианакрилатной

матрице

Способ является вариантом метода активированных эфиров и его

используют для иммобилизации химически лабильных ФАВ пептидной природы.

Введение перфторфенил-2-цианакрилата позволяет регулировать в широких

пределах количество белка в биомедицинской композиции. Некоторое количество

коллагена также может связываться с концевыми группами поли-2-цианакрилата в

процессе инициирования анионной полимеризации. Содержание звеньев

перфторфенил-2-цианакрилата определяется необходимым количеством

связываемого белка: их обычное весовое соотношение от 1:10 до 1:20

Скорость биодеградации материала матрицы пористого композита

регулировали введением звеньев фторированного бис-2-цианакрилата -

соединение Э на схеме IV. Это самый дорогой компонент композиции, его содержание не оптимизировано, однако, наличие даже 5 масс.% приводит к резкому увеличению времени пребывания полимера в организме без существенной биодеструкции. Вторым способом уменьшения скорости биодеградации является частичная имидизация сополимера этил-2-цианакрилата с цианакриловой кислотой в соответствии со схемой V:

н2с-

см

-с—с

СОСО

соон -с-

сы

н2

-с -

с— сы

Количество 2-цианакриловой кислоты в композиции определяется требуемой скоростью полимеризации этил-2-цианакрилата, и колеблется от 1 до 5 масс.%. Недостаточное количество кислоты в композиции приводит к быстрому нарастанию вязкости, не позволяющему сформировать и вспенить композит. Введение более 5% приводит к образованию липкого полимера низкой молекулярной массы.

Нитрильные группы в сополимере находятся в большом избытке по отношению к карбоксильным группам, вступающим в имидизацию. Поэтому в спектре ЯМР 13С имидизованного сополимера практически полностью исчезает сигнал карбоксильных групп цианакриловой кислоты.

3. Пористый частично имидизованный композитный материал медицинского назначения на основе цианакрилатного сополимера

Пористый композит получали в соответствии со следующими последовательными стадиями:

1. Синтез инсулин-содержащих нанокапсул и приготовление смеси коллагена и цианакриловых мономеров;

2. Смешение компонентов в соответствии с вышеприведенной таблицей с формированием материала матрицы;

3. Замораживание с формированием твердого блока;

4. Лиофилизация со вспениванием и полимеризацией.

В работе получены инсулин-содержащие нанокапсулы в двухфазных водных системах в условиях ингибирования полимеризации этил-2-цианакрилата в непрерывной фазе и ее активирования на поверхности дискретной фазы. Средний диаметр частиц составляет около 200 нм, при этом смесь содержит весьма незначительную примесь частиц большего диаметра (рис. 6).

Рис. 6. Сканирующая электронная микрофотография инсулин-содержащих нанокапсул Вспенивание композита проводили до окончательной полимеризации этил-2-цианакрилата в замороженном блоке. Порообразователем является вода, удаляемая в процессе лиофилизации. При этом образуется пористый материал с размером пор 50-70 мкм, размер которых можно регулировать количеством воды в замороженном блоке (рис. 7)

Рис. 7. Сканирующая электронная микрофотография 2-полицианакрилатного пеноматериала (слева) и поверхности его стенки с заключенными внутрь нанокапсулами с

инсулином (справа) 13

Динамика выделения инсулина и коллагена из пеноматериала

Выделение инсулина из полимера в физиологических условиях происходит за счет диффузии, описываемой уравнением Фика и заканчивается полностью за 150 часов (6 суток). При этом скорость выделения монотонно убывает (рис. 8).

О'

Время, сут

Рис. 8. Выделение инсулина из нанокапсул при 36°С (1) и скорость этого процесса по данным УФ-спектроскопии (2) Динамика выделения коллагена носит значительно более сложный, однако, типичный для полимерных имплантатов характер (рис. 9).

0.15

о.ю

O.Oi

Время, сут

Рис. 9. Выделение коллагена из стенки пористого материала при 36°С (1) и скорость

этого процесса по данным УФ-спектроскопии (2) Процесс можно условно разделить на четыре последовательные стадии. Начальный участок кривой с высокой скоростью выделения связан с вымыванием из матрицы полимера химически несвязанного абсорбированного коллагена. Второй участок - выделение белка с постоянной скоростью, обусловлен

биодеградацией полимерной матрицы с поверхности. Процесс описывается

уравнением нулевого порядка (рис. 9). На третьей стадии происходит рост скорости выделения коллагена из полимера связанный с увеличением удельной поверхности матрицы и образованием новых пор. В области максимума происходит фрагментация образца и далее скорость выделения падает, так как в первую очередь расходуются мелкие фрагменты с развитой поверхностью.

Способность цианакрилатного пеноматериала прорастать собственной костной тканью

Остеокондуктивные свойства вспененного полицианакрилатного материала определяли in vivo на модели критического анастамоза большеберцовой кости крысы, т.е. на модели протяженного дефекта костной ткани, которая не может заместиться естественным путем. Пеноматериал помещали в дефект между отломками кости. В качестве стандартного образца сравнения использовали деминерализованный костный матрикс. За процессом ранозаживления наблюдали с использованием сканирующего рентгеновского томографа (рис. 10). Процесс воспаления завершался на седьмые сутки, через 30 дней материал замещался соединительной тканью с образованием тканой капсулы.

Рис. 10. Рентгеновский снимок большеберцовой кости крысы через 30 дней (слева)

и 60 дней (справа) после начала эксперимента На 60-ый день животных выводили из эксперимента и определяли остеокондуктивные свойства материала. Материал частично рассасывался и обрастал слоем надкостницы с поверхности с той же скоростью, что и костный матрикс. Это первая стадия образования костной мозоли при сращивании переломов. Анастамоз (дефект) длиной 5 мм является избыточным и соответствует отсутствию 10 - 15% общей длины конечности. Без применения замещающего материала анастамоз срастись не может. Таким образом, разработанный материал является биоразлагаемым, подавляющим воспаление, вызывающим ускоренное

ранозаживление и обладает оетеокондуктивными свойствами. Модель не является количественной и способна дать только качественные характеристики биосовместимости и биоразлагаемости испытанных материалов.

Выводы

1. При исследовании имидизации нитрилсодержащих и безнитрильных сополимеров акрилового типа, установлено уменьшение температуры начала имидизации в зависимости от типа имидизующейся пары, а также активирующее влияние нитрильного заместителя в а-положении к карбоксильной группе сополимера. Наиболее низкую температуру имидизации имеет гомополимер 2-цианакриловой кислоты.

2. Разработан универсальный способ синтеза фторированных эфиров 2-цианакриловой кислоты и фторированных бис-2-цианакрилатов из 2-цианоакрилоилхлорида. На основе синтезированных мономеров получен сополимер с 2-цианакриловой кислотой, имидизующий при температурах, близких к физиологическим.

3. Доказана возможность существования в мономерном виде тио- и дитиоэфиров 2-цианакриловой кислоты.

4. Получен полностью синтетический имидизуемый материал на основе цианакрилатного пористого сополимера с регулируемой скоростью биодеградации и независимым разноскоростным контролируемым выделением физиологически активных веществ пептидного типа, и продемонстрирована возможность его использования в качестве костнозамещающего материала в ортопедической хирургии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Dyatlov V.A., Rustamov I.R., Grebeneva Т.A., Maleev V.l., Gololobov Yu.G., Kireev V.V. Synthesis of 2-cyanoacryloyl chloride and its interaction with O- and S-nucleophiles. // Mendeleev Communications. 2013. V. 23.1. 6. P. 356.

2. Дятлов B.A., Гребенева T.A., Рустамов И.Р., Коледенков A.A., Колотилова Н.В., Киреев В.В., Прудсков Б.М. Особенности гидролиза полиакрилонитрила водным раствором карбоната натрия // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. Т. 54. №3.2012. С. 491.

3. Дятлов В.А., Гребенева Т.А., Рустамов И.Р., Белоконь О.В., Киреев В.В., Ильина М.Н. Влияние состава полиакрилимидобразующих сополимеров на процесс их переработки // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. Т. 55. № 3. 2013. С. 369.

4. Дятлов В.А., Тимошенко Н.В., Коледенков A.A., Гребенева Т.А., Киреев

B.В., Рустамов И.Р. Влияние строения основной цепи полиакрилимидообразующих сополимеров на предельную степень термической имидизации // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. Т. 55. № 5. 2013. С. 562.

5. Дятлов В.А., Рустамов И.Р., Гребенева Т.А., Малеев В.И. Полиакрилимиды, материалы для оптики и теплостойкие пены и герметики на их основе // Все материалы. Энциклопедический справочник. № 6. 2013. С. 18.

6. Рустамов И.Р., Гребенева Т.А., Коледенков A.A., Дятлов В.А. Кинетика и механизм щелочного гидролиза полиакрилонитрила // Успехи в химии и химической технологии. 2011. Т. 25. № 3. С. 28.

7. Рустамов И.Р., Карманов П.В., Дятлов В.А. Синтез новых, ранее неизвестных классов цианакриловых мономеров для гидрофобных "мгновенных" клеевых композиций // Успехи в химии и химической технологии. 2012. т. 26. № 4.

C. 80.

8. Рустамов И.Р., Дятлов В.А. Синтез новых цианакрилатных и бисцианакрилатных адгезивов для стоматологии // Менделеев-2012. Органическая химия: Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012». Санкт-Петербург, 2012. С. 414-415.

9. Рустамов И.Р., Дятлов В.А. Синтез новых фторсодержащих эфиров 2-цианакриловой кислоты // Международная конференция по химической технологии ХТ-12. Тезисы докладов. Москва, 2012. Т. 3. С. 329-331.

Заказ № 59-Р/05/2014 Подписано в печать 21.05.14 Тираж 100 экз. Усл. пл. 0,8

ООО "Цифровичок", г. Москва, Большой Чудов пер., д.5 , тел. (495) 797-75-76

www.cfr.ru ; e-mail: zakpark@cfr.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Рустамов, Искандар Рустамович, Москва

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи

04201460391

Рустамов Искандар Рустамович

Полиакрилимидобразующие сополимеры с

низкой температурой имидизации и материалы биомедицинского применения на

их основе

02.00.06 - высокомолекулярные соединения 02.00.03 - органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: к.х.н. Дятлов В.А.

д.х.н. Малеев В.И.

Москва - 2014 год

Содержание

Список сокращений 5

Введение 6

1. Литературный обзор 8

1.1. Основные способы синтеза полиакрилимидов 9

1.2. Применение полиакрилимидов в органических стеклах 14

1.3. Имидизация при переработке 19

1.4. Применение полиакрилимидов в качестве пленок и волокон 20

1.5. Получение вспененных полиакрилимидов 21

1.6. Алкил-2-цианакрилаты 26

1.7. Применение эфиров 2-цианакриловой кислоты 32

2. Экспериментальная часть 37

2.1. Описание свойств исходных и вспомогательных веществ и растворителей 37

2.1.1. Исходные соединения 37

2.1.2. Вспомогательные вещества 39

2.1.3. Растворители 41

2.2. Характеристика полученных соединений 42

2.2.1. Ядерный магнитный резонанс 42

2.2.2. Элементный анализ 43

2.2.3. Инфракрасная спектроскопия 43

2.2.4. Термомеханический анализ 43

2.2.5. Сканирующая электронная микроскопия 43

2.2.6. Исследование остеокондуктивных свойств цианакрилатных образцов in vivo 43

2.2.7. Гельпроникающая хроматография 44

2.2.8. Измерение скорости выделения инсулина и коллагена из цианакрилатного пеноматериала методом TDS 44

2.3. Методики синтезов 44 2.3.1. Синтез а-цианакриловой кислоты 44

2.3.1.1. Синтез а-цианакриловой кислоты из этил-2- 44 цианакрилата

2.3.1.2. Синтез а-цианакриловой кислоты из олигоэтил-2-цианакрилата в растворе метил-2-цианакрилата 45

2.3.1.3. Синтез а-цианакриловой кислоты из олигоэтил-2-цианакрилата в растворе этил-2-цианакрилата 46

2.3.2. С интез цианоакрилоилхлорида 46

2.3.2.1. Синтез цианоакрилоилхлорида с использованием

РС15 46

2.3.2.2. Синтез цианоакрилоилхлорида с использованием оксалил хлорида 47

2.3.3. Синтез эфиров а-цианакриловой кислоты 47

2.3.3.1. Синтез пентафторфенил-2-цианакрилата 47

2.3.3.2. Синтез 1,1Д,4,4,4-гексафтор-2,3-бис(трифторметил)бутан-2,3-диен бис(2-цианакрилата) 48

2.3.3.3. Синтез 8-децил-2-цианакрилата 48

2.3.3.4. Синтез 2-[(2-метакрилоил)окси]этил-2-цианакрилата 49

2.3.3.5. Синтез 1,3-Ди(4-гидроксибутил)-1,1,3,3,-тетраметил-

1,3-дисилоксан бис(2-цианакрилата) 49

2.3.4. Синтез полицианакриловой кислоты в присутствии

перекиси бензоила 50

2.3.5. Термическая имидизация поли-а-цианакриловой кислоты 50

2.3.6. Синтез полицианакриловой кислоты в присутствии надмуравьиной кислоты 50

2.3.7. Щелочной гидролиз полиакрилонитрила карбонатом натрия 51

2.3.8. Термическая имидизация сополимера акриловой кислоты

и акриламида 51

2.3.9. Синтез цианакрилатных нанокапсул и композитного

пеноматериала на их основе 51

3. Обсуждение результатов 53

3.1. Выбор сополимеров нитрильного типа, имидизуемых при пониженных температурах 53

3.2. Синтез новых мономеров цианакрилатного типа 63

3.2.1. 2-цианакриловая кислота 63

3.2.2. Получение 2-цианоакрилоилхлорида - основного интермедиата в синтезе эфиров 2-цианакриловой кислоты 71

3.2.3. Эфиры 2-цианакриловой кислоты 73

3.2.4. Сополимеры этил-2-цианакрилата с функциональными цианакриловыми сомономерами 86

3.3. Пористый частично имидизованный композитный материал медицинского назначения на основе цианакрилатного сополимера 91

3.3.1. Скорость биодеградации и цитотоксичность 95 пеноматериала

3.3.2. Динамика выделения инсулина и коллагена из пеноматериала 98

3.3.3. Способность цианакрилатного пеноматериала прорастать собственной костной тканью 100 Выводы 104 Список литературы 105

Список сокращений

АА - акриламид

АН - акрилонитрил

АЦА - алкил-2-цианакрилат

ДАК - динитрилазобисизомасляной кислоты

ДМСО - диметилсульфоксид

ДМФА - диметилформамид

ГПХ - гельпроникающая хроматография

ИК - инфракрасный

КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза

МАК - метакриловая кислота

ПАИ - полиакрил им ид

ПМИ - полиметакрилимид

ПММА - полиметилметакрилат

ПСВИ - предельная степень внутрицепной имидизации

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ТГФ - тетрагидрофуран

ТМА - термомеханический анализ

УФ - ультрафиолетовый

ФАВ - физиологически активное вещество

ЦАК - 2-цианакриловая кислота

BMP - bone morphogenesis proteins

TDS - tablet dissolution system

Введение

В зависимости от температуры начала имидизации, ПАИ-образующие гомо- и сополимеры можно разделить на безнитрильные, имидизующиеся выше 120°С в результате реакции кислотных и амидных групп (реакция 1), и нитрилсодержащие, имидизующиеся по реакции Риттера при температуре ниже 100°С (реакция 2).

Н н2 н 1 Н Н Н Н2 н -с—с —с- .н7о -у—сн2—с- 2 -с—с —с-

А А ^ ■/^-.-"Ч Ч ,,

<{' \н н/ \ И ° он "(О

и композиты, среди которых особый интерес представляют полицианакрилаты, так как они способны не только имидизоваться при низких температурах, но и остаются единственным известным типом безопасных акриловых сополимеров, биодеградируемых в организме.

1. Литературный обзор

Химия полиакрилимидов насчитывает более 80 лет. Первые патенты, посвященные синтезу полиакрилимидных материалов, датируются началом тридцатых годов 20 века [1]. Пик исследований пришелся на предвоенный период и был связан с развитием технологии плексигласа - органических безосколочных самолетных стекол. Однако, практически за век исследований, в химии ПАИ все еще остается достаточно много неясностей.

К настоящему времени сложились две основные области применения полиакрилимидобразующих гомо- и сополимеров. Первой областью остается технология теплостойких акриловых стекол для авиастроения и оптики. Вторая область, возникшая относительно недавно, связана с технологией газонаполненных конструкционных полимерных материалов и герметиков.

Практический, а затем и научный интерес к ПАИ возник у производителей органического стекла, таких крупных компаний, как BASF, Dow, Mitsubishi Rayon и др. Это связано с тем, что органические стекла, которые получают блочной полимеризацией метилметакрилата, наряду с выдающимися оптическими свойствами, обладают очень низкой теплостойкостью. Это резко ограничивает область их применения и не позволяет использовать в оборудовании и конструкциях, работающих при температуре выше 100°С. Имидизация полиметилметакрилатного (ПММА) стекла позволяет решить эту проблему, но влечет за собой другие трудности, о которых будет сказано ниже.

Другое важное применение полиакрилимидов открыли производители конструкционных пен, компания Degussa. Исследователи обнаружили, что при термолизе листа сополимера акрилонитрила и метакриловой кислоты в присутствии газообразующих добавок, получается термореактивный вспененный продукт с высокими механическими характеристиками. Чистые ПАИ не нашли самостоятельного места в технологии органического стекла и используются только в смесях с другими полимерами в составе композиций, однако на рынке конструкционных пен они заняли лидирующую позицию в

ряду пеноматериалов для гражданского самолетостроения. Наиболее известной, но не единственной маркой является термореактивная пена НоИасеИ. В последние годы выдающиеся механические и теплофизические характеристики пожаробезопасных газонаполненных полиметакрилимидных (ГТМИ) герметиков, их высокая теплостойкость и виброустойчивость в сочетании с низким удельным весом, и полностью закрытоячеистой структурой с успехом используются в изделиях для аэрокосмической промышленности, при изготовлении спортивного инвентаря, в медицинской технике и протезировании. Область применения вспененных ПМИ пластиков могла быть существенно расширена, если бы не сложность и дороговизна технологии их изготовления требующая громоздких печей и большого количества ручного труда. В сочетании с большой длительностью процесса синтеза и переработки ПМИ пен это приводит к чрезвычайному удорожанию продукта, ограничивающему возможности выхода на перспективные и быстрорастущие рынки строительных материалов и новых высокотехнологичных конструкционных материалов для автомобильной промышленности. Задача разработки высокопроизводительных технологий получения ПМИ пеноматериалов с использованием современных способов синтеза полимеров и их переработки экструзией и прессованием остается весьма актуальной и не решенной до сегодняшнего дня.

1.1. Основные способы синтеза полиакрилимидов

Полиакрилимиды - это преимущественно стеклообразные полимеры общей формулы (схема 2):

н2 I с —с

н с

11=Н, сн3

Синтез ПАИ представляет собой непростую задачу, причем как в случае органических стекол, так и в случае конструкционных пен, качество конечного продукта зависит от многих факторов и условий. Подбирая эти условия десятки исследователей разработали большое количество технологий, большая часть из которых оформлена в виде патентов. Способы получения условно можно разделить на три основные группы.

Первая группа способов предусматривает имидизацию полиакриловых эфиров [2-8]. Гомополимер полиэфиракрилата нагревают в присутствии аммиака или первичных аминов. В процессе конденсации образуется полиакрилимид и выделяется соответствующий спирт в качестве низкомолекулярного побочного продукта реакции (схема 3).

«1

н2 -с -

1*1 I

-с—

-С

н2

-с -

«1

-с-с=

11-1 :0

И3>Щ2

I— —| 1

т°с

н2 -с -

о=

н2

'N1'

+2пК2ОН

СЖ,

(О

Например, при конденсации метилметакрилата с метиламином образуется метакрилимид и выделяется метанол. В качестве исходных гомополимеров обычно используют алифатические эфиры полиакриловой или полиметакриловой кислоты. В последнее время возросло количество исследований, в которых использованы 2-цианакрилаты (1^1=С1М) содержащие имидизующиеся реакционноспособные группы у одного углеродного атома, а так же фторированные акриловые эфиры (Я = (СР)П СНР2) [9]. В качестве заместителей Я3 в амине чаще других используют алкильные, ар ильные и циклоалкильные радикалы [10-12].

Вторая группа способов предусматривает использование специально синтезированных сополимеров. На первой стадии процесса получают сополимер акрилонитрила и метакриловой кислоты, который затем имидизуют при термолизе без выделения низкомолекулярных побочных продуктов реакции (схема 4).

-с

О:

-с-

:с

н2

-с -

-с-

сы

т°с

п-1

н2 -с -

-с-

н2

•|\Г н

'С-

он

В качестве вариантов сомономеров также используют метакрилонитрил, акриловую кислоту и (мет)акриламид [13-15]. Реакция протекает при относительно низкой температуре, а ее полнота зависит от состава и регулярности сополимера. Циклизация максимальна для чередующегося сополимера и существенно снижается в случае использования исходного продукта со статистическим распределением звеньев. Микроблочность в сополимере крайне нежелательна и резко снижает предельную степень термической имидизации.

Третьим вариантом является термолиз гомополимера поли(мет)акриламида с выделением аммиака и конденсация сополимеров акриламида с метакриловой или акриловой кислотой с выделением воды (схемы 5).

сн.

н2 -с

О:

н,

-с— -с

он

-с-

т°с

11-1

н2 -с

О:

сн3 -с""

н,

"с-

(О

Эти процессы являются относительно высокотемпературными, медленными и сопровождаются выделением низкомолекулярных побочных продуктов, которые удаляются из сферы реакции [16-19].

В промышленности процесс имидизации проводят преимущественно в твердой фазе, в блоке полимера, либо в концентрированном растворе мономеров, растворителей, пластификаторов или вспенивающих агентов, однако описано множество способов имидизации в разбавленных растворах.

Один из первых патентов, описывающих метод синтеза полиакрилимида, был опубликован в 1939 г [1]. Авторы патента нагревали

полиметилметакрилат (ПММА) в присутствии эквимольного количества первичного амина структуры ГШН2 при температуре 140-200°С в течение нескольких часов. Авторы указывают, что процесс можно проводить как в присутствии растворителя, так и без него. В качестве имидизующего агента рекомендован метиламин, но указано, что соединения, которые при разложении выделяют аммиак, например, мочевину, также можно использовать с неплохим результатом.

В патентной публикации [2] было отмечено, что сополимер с более высокой степенью имидизации можно получить из ПММА, если процесс вести в присутствии воды при температуре 130-160°С. В этом случае реакция носит значительно более сложный характер и образование имида проходит через промежуточную стадию гидролиза эфира до полиметакриловой кислоты (схема 6).

сн3 снз снз н

I | | ]„-, I | | 1— т°с

о=с с=о о=с с=о

(6)

Н2 I н с —с с-

осн3 осн3 он он н

На первой стадии омыления эфира аммиак играет роль катализатора основного типа. Образование имида происходит в результате двухстадийного сопряженного процесса конденсации двух соседних звеньев полиметакриловой кислоты, образовавшихся при гидролизе, с молекулой аммиака.

Авторы американского патента [20] провели необычный гетерофазный синтез полиметакрилимидобразующего сополимера метакриламида с метакриловой кислотой. Синтез является вариантом первой группы способов получения полиакрилимида из полиакриловых эфиров. Фактически они получили терполимер этилена, метакриловой кислоты и метакриламида термолизом сополимера этилена и изопропилметакрилата в атмосфере аммиака при температуре 325°С. В процессе реакции изопропильный фрагмент отщеплялся в виде смеси изопропанола и пропилена.

Образующийся ангидрид полиметакриловой кислоты реагирует с газообразным аммиаком с образованием фрагментов метакриловой кислоты и метакриламида (схема 7).

СНа С Из СНз снь СН3

Нг I | н* I Нг

--С -С—+• ---<СН?Ь—с —с—с —с-

| 1,1 -«С ¡1,1,СИОН

Н; I Н: |

ЧСН;^ —С -С—с —с-

о=с С^ ^о о=с о=с

I с/ ^ \ I I

асн^сиф он мн/

(7)

В процессе термолиза ПММА в присутствии имидизующего агента могут протекать побочные реакции ангидридизации остаточных карбоксильных групп, причем при увеличении температуры термолиза, доля этих реакций увеличивается, что также нежелательно. Для уменьшения доли ангидридных групп в полимере остаточные карбоксильные и уже образовавшиеся ангидридные группы алкилируют [21]. Предложено так же добавлять амин порционно, удаляя образующийся спирт перед очередной его порцией [22,23]. Таким образом, удается практически полностью подавлять образование ангидридных групп. Этот способ намного проще и дешевле способа, описанного в патенте [22].

Процесс имидизации эфиров полиметакриловой кислоты изучен довольно подробно [24]. Имидизацию проводили в разных условиях:

- В присутствии воды или другого подходящего растворителя (бензол, циклические эфиры, спирты);

- Используя гидроксид тетраалкиламмония в качестве катализатора межфазного переноса и карбонат аммония в качестве имидизующего агента;

- Используя общий основный катализ в присутствии воды;

- Используя основный катализ в безводной среде.

Основной вывод, сделанный авторами работы, касался влияния воды на скорость имидизации. Оказалось, что в присутствии от 7 до 15 масс. % вода в системе катализирует процесс имидизации. Если воды меньше 7%, то ее становится недостаточно для катализа, а если больше 15% - водная и

полимерная фазы разделяются. Ввести более 15% воды в конкретную систему не удал