Твердофазный синтез, структура, свойства и перспективы применения материалов на основе полисахарида хитозана тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи

АКОПОВА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА

ТВЕРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИСАХАРИДА ХИТОЗАНА

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

7 НОЯ 2013

Москва 2013 005537204

005537204

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении пауки Институте синтетических полимерных материалов iim. Н.С. Ениколопова Российской академии паук (ИСПМ РАН)

Официальные оппоненты: Полубояров Владимир Александрович

доктор химических наук, профессор, ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, старший научный сотрудник

Чалых Анатолий Евгеньевич

доктор химических наук, профессор, ФГБУН Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН, заведующий лабораторией Чвалун Сергей Николаевич доктор химических наук, профессор, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", начальник отделения

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук

Защита состоится « 28 » ноября 2013 г. в 11.00 часов

на заседании диссертационного совета Д 002.085.01 в Институте синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН

Автореферат разослан « 26 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.085.01 кандидат химических наук

Ж

М.А. Бешенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальность работы обусловлена важностью разработки новых экономически эффективных и экологически чистых методов получения материалов на основе биополимеров, в частности, полисахарида хитозана, обладающего широким комплексом ценных свойств.

Полисахариды ограниченно растворимы или не растворимы в воде и в большинстве органических растворителей. Поэтому методы получения их производных сопряжены с рядом трудностей, в частности, с необходимостью предварительной активации реакционных систем, сложностью поиска совместного растворителя и высокой вязкостью растворов, так как молекулярная масса исходных полимеров достигает миллиона и больше. В связи с высокой энергией когезии температура плавления полисахаридов выше температуры их разложения, и при создании полимерных композитов традиционными расплавными методами реакционной экструзии они могут служить лишь наполнителями. Химическое взаимодействие в этом случае незначительно и не играет существенной роли в свойствах получаемых материалов. При этом возможность создания на основе полисахаридов новых полимерных материалов с ценными прикладными свойствами обусловливает интерес к ним в этой области, как и необходимость рационального использования биовозобновляемого сырья. Неудивительно, что именно процессы модифицирования целлюлозы и хитина - наиболее распространенных и обладающих огромным потребительским потенциалом полисахаридов, стали началом интенсивных исследований в области твердофазных превращений полимеров, проводившихся под руководством академика Н С. Ениколопова и продолжающихся в настоящее время.

Преимущества твердофазного метода синтеза для химического модифицирования полисахаридов очевидны. Отсутствие растворителей и разбавителей для реакционных систем предполагает возможность разработки экологически чистых безрастворных технологий. Механическая активация реагентов позволяет избежать необходимости их расплавления и отказаться от использования катализаторов и инициаторов процессов, что также повышает экологическую чистоту метода и является важным фактором при создании безопасных материалов биомедицинского назначения, для разработки которых хитин и продукт его дезацетилирования - хитозан - представляют наибольший интерес.

Хитозан - единственный катионный полисахарид, имеющий практически в каждом элементарном звене первичную аминогруппу, что определяет его биологическую активность, а также делает его наиболее интересным объектом в ряду полисахаридов для проведения химического модифицирования. Благодаря способности к образованию пленок и волокон, уникальным сорбционным и комплексообразующим свойствам хитозан и его производные перспективны для создания ионообменных мембран, используемых при ультрафильтрации и

диализе, в качестве специальных сорбентов и флокулянтов, имплантатов и носителей лекарственных веществ в виде гелей, нано- и микрочастиц, волокон, губок и других матричных форм. При использовании в биотехнологиях с применением иммобилизованных ферментов и чувствительных к кислотности среды терапевтических агентов желательна улучшенная растворимость полимерной матрицы в физиологически приемлемых условиях. Наиболее эффективным способом придать хитозану растворимость как в водной, так и в органической средах, позволяющим при этом сохранить его биохимические свойства, является прививка на цепь-основу полисахарида синтетических полимеров с различной гидрофильностью.

В настоящее время интерес к исследованиям процессов, происходящих при механохимическом воздействии на полисахариды, значительно возрастает. Однако чаще всего их рассматривают только как компоненты композиционных материалов, обеспечивающие способность к биодеградации, или как матрицы для активации биологически активных веществ в условиях механического воздействия. По сравнению с твердофазными реакциями неорганических веществ и низкомолекулярных органических соединений механизмы твердофазных превращений полисахаридов еще мало изучены. Прививка на полисахариды фрагментов синтетических полимеров в условиях механохимического воздействия не проводилась вообще. В то же время, твердофазный синтез таких систем представляется наиболее приемлемым методом для решения проблемы термодинамической несовместимости природных и синтетических полимеров. Систематическое изучение таких процессов является актуальной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для нахождения и развития новых возможностей создания биосовместимых полимерных материалов с помощью эффективных и экологически чистых методов.

Цель работы заключалась в разработке твердофазных способов синтеза производных и сополимеров полисахарида хитозана под воздействием давления и сдвиговых напряжений, получении новых полимерных материалов на их основе, установлении закономерностей и механизмов твердофазных процессов и влияния условий проведения этих процессов на структуру и свойства полученных материалов. Основные задачи работы:

- подбор условий твердофазного модифицирования хитозана органическими мономерами и полимерами и получение соответствующих производных и привитых сополимеров;

- исследование структуры и свойств новых полимерных материалов и установление влияния на них условий проведения твердофазных процессов;

- разработка способов формирования матричных форм на основе новых материалов и оценка перспектив их применения.

Научная новизна работы связана с разработкой методологии твердофазного синтеза производных и привитых сополимеров хитозана, которая носит общий характер и применима ко всем реагентам, способным взаимодействовать с функциональными группами полисахаридов. Впервые разработаны оригинальные твердофазные методы синтеза привитых сополимеров хитозана и синтетических полимеров: поливинилового спирта, полиакриламида, полимеров и сополимеров лактида, полиэтилена. Впервые изучены твердофазные реакции привитой полимеризации мономеров различного типа на хитозан и установлен их механизм. Выявлены закономерности реакций полимераналогичных превращений хитина и хитозана в твердых реакционных системах и предложены механизмы взаимодействий, приводящих к образованию производных и привитых сополимеров хитозана. Исследованы физико-механические и сорбционные свойства сополимеров, их способность к растворению и набуханию в разных средах, к образованию пленок и волокон, к стабилизации нанодисперсных неорганических частиц и биологически активных субстанций, биосовместимость и способность к биодеградации, Проведенные исследования важны для понимания механизмов и закономерностей твердофазных химических процессов модифицирования полисахаридов и восполняют существующие представления о реакционной способности твердых органических веществ под влиянием механической активации.

Практическая значимость работы. В результате разработки и оптимизации оригинальных твердофазных методов синтеза получены новые производные и привитые сополимеры хитозана с синтетическими полимерами и олигомерами, синтез которых осложнен или невозможен с помощью жидкофазных растворных и расплавных технологий. Показана высокая эффективность твердофазной прививки на хитозан синтетических полимеров и мономеров: высокие степени превращения и селективность процессов при значительном сокращении их продолжительности и расхода реагентов. Разработка процессов модифицирования на опытно-промышленном экструдере предполагает быстрый переход к масштабированию процессов и созданию безрастворных технологий получения полимерных материалов на основе биополимеров. Проведенное химическое модифицирование структуры и физико-химических свойств хитозана позволяет применять не традиционные для полисахаридов технологии переработки и получать ряд полимерных матричных форм (пленки, микрогранулы, нано- и микроволокона, др.), что будет способствовать существенному расширению возможностей и областей его использования. Установлено, что при модифицировании сохраняются ценные биохимические свойства хитозана, позволяющие улучшать биосовместимость материалов и придавать им способность к контролируемой биодеградации.

Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах работы, включающих выбор направления исследований, постановку конкретных задач, планирование и

проведение ключевых исследований, обобщение и литературное оформление экспериментальных данных, полученных как непосредственно автором, так и в соавторстве при выполнении работ в рамках проектов РФФИ, программ фундаментальных исследований РАН, федеральных целевых программ и договоров на проведение НИР, в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем. Автор выражает глубокую признательность своим коллегам, специалистам в области физики и химии полимеров и полимерных материалов биомедицинского назначения, в соавторстве с которыми были получены и обсуждены результаты работы.

Апробация работы. Результаты работы были неоднократно доложены и обсуждены на российских и международных конференциях, в том числе на 4-ой Всероссийской конференции "Производство и применение хитина и хитозана" (Москва, 1995); 5-ой конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 1999); 6-ой Международной конференции «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана» (Москва-Щелково, 2001); 7, 8, 10 и 11-ой Международных конференциях «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана)) РосХиг-2003, РосХит-2006, РосХит-2010, РосХит-2012 (Санкт-Петербург, 2003; Казань, 2006; Нижний Новгород, 2010; Мурманск, 2012); 10-ой Международной конференции Европейского хитинового общества ЕиСНШ'И (Санкт-Петербург, 2011); 2-ом Всероссийском Каргинском симпозиуме (с международным участием) «Химия и физика полимеров в начале XXI века» (Черноголовка, 2000); 3-ей, 4-ой и 5-ой Всероссийских Каргинских конференциях «Полимеры-2004», «Наука о полимерах 21-му веку», «Полимеры-2010» (Москва, 2004, 2007, 2010); Международной конференции по механохимическому синтезу и спеканию (Новосибирск, 2004); 13-ом Европейском симпозиуме по углеводам (Братислава, Словакия, 2005); Европейском полимерном конгрессе ЕРР'05 (Москва, 2005); 7-ой Международной научно-практической конференции "Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов" (Щелково, 2005); 5, 6, 7-ой Международных конференциях по механохимии и механическому сплавлению 1ЫСОМЕ-2006, 1ЫСОМЕ-2011 (Новосибирск, 2006; Герцег Нови, Черногория, 2011); 12-ом 1ЯТС/Когеа симпозиуме по промышленному применению новых российских тонких химических технологий (Ульсан, Корея, 2006); Международном симпозиуме по реакционной экструзии (Лион, Франция, 2007); XV Ениколоповских чтениях (Москва, 2007); 3-ей Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); Международной конференции по современным проблемам получения и переработки полимеров и создания новых полимерных материалов «Ро1утегГе51» (Палермо, Италия, 2009); 18-ой и 20-ой Международных конференциях по биоинкапсулирования (Порто, Португалия, 2010; Онтарио, Канада, 2012); 3-ем Российско-Греческом симпозиуме «Биоматериалы и бионаномаТериалы:

достижения и вопросы токсикологической безопасности» (Гераклион, Греция, 2012); 3-ей и 4-ой Международных конференциях по фундаментальным основам механохимических технологий РВМТ-2009, РВМТ-2013 (Новосибирск, 2009, 2013).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 31 статье в журналах, включенных в перечень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 2-х главах в коллективных монографиях, 3-х патентах РФ на изобретения, а также в тезисах более 50 докладов на российских и международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения; аналитического обзора механизмов механохимических превращений, методов проведения механохимических процессов и особенностей протекания органических реакций при деформировании органических веществ под давлением; трех глав с изложением и обсуждением результатов, каждая из которых содержит анализ литературных данных и оценку перспектив применения новых полимерных материалов; экспериментальной части; выводов и списка цитируемой литературы из 312 наименований. Работа изложена на 284 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 42 таблицы и 7 схем.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Реакции в твердых телах при механическом воздействии. Состояние проблемы.

Общие закономерности (литературный обзор).

Исследования процессов механической активации и синтеза, анализ которых дан в литературном обзоре диссертации, показывают, что совокупность и взаимосвязь процессов пластической деформации и разрушения твердых тел приводят к изменению молекулярной и надмолекулярной структуры реагентов, к возникновению колебательных и электронных возбуждений, ионизованных состояний и свободных радикалов, т.е. к образованию короткоживущих носителей избыточной энергии. Все эти изменения проявляются непосредственно во время механических воздействий на реагенты и их смеси, поэтому реакции синтеза, осуществляемые в этих условиях, и относят к категории механохимических процессов. В настоящее время четко сформулированы принципиальные отличия механохимических превращений от классических химических процессов, а в действующей номенклатуре ЮПАК механохимические реакции терминологически определены как «химические реакции, инициируемые поглощаемой механической энергией». Ключевым фактором, определяющим протекание реакции, является не продолжительность деформирования, а энергия, необходимая для преодоления предела упругости твердого тела, т.е. дня перевода системы в состояние пластического течения. Именно в этом состоянии наблюдается интенсивное накопление

энергии с образованием точечных и линейных дефектов, которые позволяют снизить эффективную энергию активации последующего химического превращения вещества.

При изучении твердофазных химических реакций обнаружены необычно высокие значения коэффициента диффузии атомов или ионов компонентов. Для объяснения массопереноса в твердых смесях реагентов предложен даже специальный термин -деформационное перемешивание, обеспечивающее необходимую для осуществления реакций подвижность. В то же время, механизм столь быстрых диффузионных процессов в твердой фазе остается дискуссионным вопросом, и наряду с классическими дислокационными механизмами пластической деформации выдвинуты гипотезы о кооперативном перемещении точечных дефектов, о кластерных и межзеренных механизмах массопереноса. Авторы современных обзоров о состоянии проблемы в механохимии, отмечают постоянный десятикратный рост ежегодного количества публикаций в этой области, начиная с 1970-го года, и необходимость систематического подхода к обобщению и развитию существующих знаний о механизмах и закономерностях твердофазных химических процессов. Сложность общего описания механизмов реакций при механическом воздействии на твердые тела, и особенно на многокомпонентные смеси, состоит в необходимости одновременного рассмотрения состояния химических связей и макроскопических параметров системы при непрерывном изменении ее физических и химических свойств.

Наибольшее число работ, посвященных изучению изменений физико-химических свойств твердых тел при механическом воздействии, выполнено для неорганических реакционных систем с использованием шаровых, планетарных, вибрационных или других мельниц -аппаратов импульсного воздействия. Механизмы активации твердых органических и неорганических веществ к химическим превращениям в условиях механического воздействия имеют общие закономерности. Однако практика механосинтеза, широко распространенная б промышленном масштабе на многие неорганические вещества и смеси металлов, наталкивается на жесткие ограничения в органическом синтезе, связанные с низкой термостойкостью органических соединений и длительностью релаксационных процессов. Как следствие, наибольший прогресс в изучении органических механохимических реакций достигнут на устройствах, осуществляющих медленное деформирование и более точное регулирование температурного режима по сравнению с мельничными аппаратами: на наковальнях Бриджмена и в двухшнековых экструдерах. В 1-ой главе диссертационной работы рассмотрены особенности протекания различных типов органических твердофазных реакций в условиях приложения высокого давления и сдвиговых напряжений. Многие равновесные и высокотемпературные синтезы возможны в условиях сдвиговых деформаций при комнатной температуре и относительно невысоком давлении. Закономерности, выявленные в этих

исследованиях, показывают решающую роль деформации в определении глубины превращения. Доказано, что реакции протекают исключительно в твердом агрегатном состоянии (без расплавления реагентов на границе раздела фаз), хотя дискуссия по этому вопросу продолжается со времен Бриджмена до наших дней. В работах Б. А. Айнбиндера показано наличие барического коэффициента повышения температур всех релаксационных переходов и температур плавления полимеров (0.15-0.25 К/МПа), что определяет их стеклообразное состояние при деформировании под давлением.

Отдельное внимание уделено в литературном обзоре реакциям полисахаридов при механохимическом воздействии, сложность и многостадийность процессов химических превращений которых привлекает постоянное внимание к разработке механохимических способов модифицирования их свойств. Исследованы изменения структуры и сорбционных характеристик индивидуальных полисахаридов после совместного деформирования под давлением; процессы делигнификации древесины; мерсеризации и ацетилирования целлюлозы, карбоксиметилирования целлюлозы, хитина и хитозана.

В настоящее время интерес к исследованиям процессов, происходящих при механохимическом воздействии на полисахариды, значительно возрос. Однако чаще всего их рассматривают только как компоненты композиционных материалов, обеспечивающие способность к биодеградации, или как матрицы для активации биологически активных веществ в условиях механического воздействия. По сравнению с твердофазными реакциями неорганических веществ и низкомолекулярных органических соединений механизмы твердофазных превращений полисахаридов еще мало изучены. Прививка на полисахариды фрагментов синтетических полимеров в условиях механохимического воздействия не проводилась вообще. В то же время, получение привитых сополимеров хитозана с синтетическими полимерами является эффективным и наиболее приемлемым с точки зрения сохранения в его структуре свободных первичных аминогрупп способом придать ему растворимость как в нейтральной водной, так и в органической средах, которая и определяет в основном перспективы применения материалов на основе хитозана. Согласно представленным в литературном обзоре данным, твердофазный синтез позволит преодолеть типичные для получения гибридных полимерных систем трудности, в первую очередь проблему термодинамической несовместимости природных и синтетических полимеров.

Таким образом, задачами диссертационной работы являются разработка способов твердофазного химического модифицирования хитозана органическими мономерами и полимерами при механическом воздействии и получение соответствующих производных и привитых сополимеров, изучение механизмов и закономерностей процессов, приводящих к получению хитозансодержащих материалов и исследование их структуры и свойств.

Рис. 1. Рабочие элементы шнеков экстру дера ВегеЮгГГ гЕ-40, обеспечивающие сжатие и деформирование материала

Основные результаты исследований получены при использовании двухшнекового экструдера фирмы Вегеиэгй" - эффективного смесителя с однонаправленным вращением шнеков, специально оборудованного для деформирования высоковязких реакционных систем, в том числе полимерных смесей и твердых дисперсий. Рабочие элементы наборных шнеков (кулачки), изображенные на рис. I, обеспечивают деформирование и сжатие (до 500 МПа), схожее с деформированием на наковальнях Бриджмена.

Деформирование всех рассмотренных систем осуществляли в отсутствие растворителей и разбавителей, исследуемый интервал температуры синтеза всегда был ниже температуры размягчения (плавления) всех компонентов реакционных систем. При воздействии на биополимеры высокий уровень механической активации невозможно использовать, и для разработки и оптимизации твердофазных методов синтеза производных и привитых сополимеров хитозана предстояло подобрать условия, приводящие к совместному пластическому деформированию всех компонентов реакционных смесей и эффективному протеканию целевых реакций при минимальном количестве побочных деструктивных Процессов.

Глава 2. Твердофазный синтез, структура и свойства хитозана, перспективы применении метода для дальнейшего химического модифицирования полисахарида

Во 2-ой главе дан анализ литературных данных о структуре и областях применения хитина и хитозана, рассмотрены особенности и закономерности протекания твердофазной реакции щелочного дезацетилирования хитина, приводящей к образованию хитозана. Изучено влияние условий проведения процесса на его структуру и свойства и оценены перспективы применения твердофазного метода синтеза хитозана для проведения дальнейшего химического модифицирования полимера и создания материалов на его основе.

о*

(а) а)

(б) б)

(в) в)

Рис. 2. Структурные формулы (поли 1—»4) звеньев входящих в состав хитина и хитозана: 2-амино-2-дезокси-р-О-глюкоза (а), 2-ацетамидо-2-дезокси-Р-0-глюкоза (б) и р-О-глюкоза (в)

Основное структурное звено хитозана - 2-амино-2-дезокси-Р-0-глюкоза (глюкозамин) -соединено в макромолекуле 1,4-(3-гликозидной (ацетальной) связью (рис. 2, а). Наряду со звеньями глюкозамина в состав полимерной цепи могут входить звенья N-ацетилглюкозамина (хитин) и порядка 10% 2-дезокси-р-0-глюкозы (рис. 2, б и в). Полимер, содержащий не менее 70% основных звеньев, растворим в одноосновных разбавленных минеральных и органических кислотах и способен к биодеградации в организме под действием неспецифических ферментов, например, лизоцима. Хитозан как таковой в природе не встречается, и его получают химическим путем, чаще всего гетерогенным процессом гидролиза ацетамидных групп хитина в 40%-ном водном растворе щелочи при повышенной температуре.

В условиях твердофазного синтеза хитозана прямым щелочным дезацетилированием хитина увеличение избытка щелочи приводит к повышению степени дезацетилирования (СД) хитина и растворимости получаемых продуктов. В результате оптимизации условий проведения процесса установлено, что для прохождения реакции дезацетилирования с практически 100%-ным выходом достаточным является 5-кратный мольный избыток NaOH, тогда как в известных суспензионных способах получения хитозана используют не менее 10 молей NaOH на 1 моль хитина. При этом время, затрачиваемое на твердофазный синтез сопоставимого по СД продукта, сокращается с десятков часов до нескольких минут. Температура синтеза существенно влияет на выход продукта. При ее увеличении от 25 до 200°С (при одинаковом мольном соотношении) СД возрастает от 0.38 до 0.98. Таким образом, температурный интервал 180 - 200°С и 5-кратный молярный избыток NaOH являются оптимальными параметрами проведения твердофазного процесса для получения хитозана в использованном экструдере. Практически полная конверсия ацетамидных групп хитина в твердофазном процессе свидетельствует о диспергировании компонентов на сегментально-молекулярном уровне в момент деформирования. В работе оценены влияние и вклад измельчения реагентов, однородность и глубина пластического деформирования, роль температуры и пластификации на эффективность процесса и вклад побочных реакций. Для выяснения особенностей прохождения реакции в твердом агрегатном состоянии и учитывая, что исследуемые в работе полимеры (структурные полисахариды) являются жесткоцепными аморфно-кристаллическими, изучали изменения кристаллической структуры как хитина, так и реакционной смеси, после деформирования в различных условиях, а также особенности структуры полученного твердофазным синтезом хитозана. Для изучения влияния воды на специфику физико-химических превращений хитина исследовали образцы после деформирования во влажном состоянии.

Воздействие давления со сдвигом на исходный хитин при комнатной температуре приводит к снижению суммарной степени кристалличности на 25%. При этом сохранившаяся

после деформирования кристаллическая фаза обладает большей упорядоченностью по сравнению с таковой для исходного образца. Добавление воды после экструзии восстанавливает первоначальную структуру материала, а при совместном деформировании хитина с водой степень кристалличности уменьшается незначительно при сохранении значения фактора упорядоченности кристаллической фазы. Эти эксперименты позволяют заключить, что вода действует в данных условиях как пластификатор. Очевидно, что и повышенная температура обработки оказывает такое же влияние, поскольку деформирование хитина при температуре 180°С, выбранной для реакции его дезацетилирования, практически не влияет на исходную структуру кристаллической фазы полимера.

Химические реакции при твердофазном синтезе протекают между твердыми компонентами, когда все участники реакции находятся в системе во время механической активации. При проведении процессов в двухшнековом экструдере, обеспечивающем сдвиговое деформирование при относительно низких величинах давления (до 0.5 ГПа). возможность химического взаимодействия, стимулируемого механически, в значительной степени зависит от специфических свойств веществ, участвующих в реакции. К числу таких свойств относится активность исходного материала, которая, согласно представлениям, развитым в работах К. Мейера, существенно зависит от степени разупорядочения структуры твердых реагентов. Предстояло выяснить, как влияет добавление к полисахариду второго компонента на морфологию деформируемой смеси. Данные о рентгенографическом состоянии реакционной смеси порошков хитина и КОН после деформирования представлены на рис. 3. На дифрактограмме продуктов (кривая 2) отсутствуют характерные для полимерных компонентов рефлексы. В то же время, отчетливо проявляется кристаллическая фаза побочного продукта - ацетата калия, что свидетельствует о прохождении реакции дезацетилирования. Вероятно, реакции предшествует образование реагентами молекулярной смеси хитин-щелочь. Метастабильное состояние системы, образовавшейся в результате распределения низкомолекулярных

веществ в объеме полимера, сохраняется после снятия нагрузки, на что указывает замедленное выделение полимерной фазы

И

Рис. 3. Спектры дифракционного рассеяния рентгеновских лучей смесью КОН и хитина после деформирования при комнатной температуре (1), при 180°С (2), после сорбции паров воды реакционной смесью 2 в течение недели в эксикаторе при комнатной температуре (3)

в реакционной массе. Аморфное гало хитозана в реакционной смеси появляется только под воздействием сорбируемой влаги при хранении после деформирования (кривая 3).

Из данных рис. 3 также следует, что после деформирования со щелочью при комнатной температуре хитин сохраняет частично кристаллическую структуру с характерными для него рефлексами (кривая 1), Роль температуры в механохимических процессах неоднозначна. С одной стороны, температура влияет на механические свойства вещества, поэтому ее повышение предотвращает хрупкое разрушение полимеров и способствует их переводу в состояние пластического течения. С другой стороны, ускоряя релаксационные процессы, она препятствует накоплению дефектов различного типа, способствующих аморфизации кристаллической решетки и деструкции макромолекулярных цепей, как мы это наблюдали при деформировании чистых полимеров - и хитина, и хитозана. Очевидно, при деформировании хитина со щелочью повышение температуры способствует переводу реакционной системы в состояние пластического течения. Поскольку именно в этом случае происходит эффективное, вплоть до 98%, дезацетилирование хитина, то такое поведение органического жесткого и хрупкого полимера соответствует представлениям о решающей роли вынужденной пластической деформации твердого вещества в его химических превращениях. Следует отметить, что все компоненты рассматриваемой системы сохраняли твердое состояние, так как температура эффективного протекания реакции дезацетилирования составляет приблизительно половину значений температуры плавления щелочного реагента и стеклования сухого хитина.

Образование реагентами твердого раствора при твердофазном щелочном дезацетилировании хитина не может быть результатом взаимной диффузии между частицами, которые, как показано нами, имеют после деформирования микрометрические размеры. Следовательно, в процессе пластического течения происходит вынужденное смешение вещества в виде нанокластеров. На это указывает и сравнительный анализ ИК-спектров, полученных с поверхностных слоев образцов хитозана (спектры МНГ1ВО) и стандартных спектров поглощения, отражающих химическую структуру внутренних областей частиц (рис. 4). Исследовали образцы хитозана, полученные твердофазным способом и традиционным для современного промышленного производства методом дезацетилирования хитина в растворе щелочи в

Поглощение, отн ед.

Волновое число, см'1 Рис. 4. ИК-спектры образцов хитозана, полученного дезацетилированием в 40%-ном водном растворе щелочи (/, 2) и твердофазным синтезом (3, 4): 1,3-спектры МНГТВО; 2, 4 - спектры поглощения

лабораторных условиях после его предварительного размола в экструдере. На рисунке представлены ИК-спектры образцов в области поглощения полос Амид I и Амид II амидной группы (при 1660 и 1550 см'1, соответственно) и деформационных колебаний свободных аминогрупп при 1590 см"'. Идентичность спектров МНПВО и спектров поглощения для образца твердофазного синтеза говорит об отсутствии диффузионных ограничений в этих условиях. Как следствие, высокое значение СД хитина достигается в твердофазном процессе за очень короткое время деформирования (табл. 1), в отличие от традиционного процесса, где необходимо выделять образовавшийся продукт и повторять процедуру щелочного дезацетилирования для достижения степени конверсии ацетамидных групп выше 0.85. Таблица 1. Характеристики хитозана в зависимости от продолжительности деформирования при 180°С

Реакционная смесь (г:г) Продолжительность деформирования (мин) Растворимость в 0.1 М НС1 (%) М«,х 10"1 СД(%) титрование 'Н ЯМР

10 97.6 5.4 90.9 90.0

Хитин/ЫаОН 20 97.8 4.0 96.0 95.0

(500:500) 30» 98.0 1.8 97.3 95.0

•Процесс проводили в присутствии 5% ЫаВН4

Рост степени дезацетилирования хитина и снижение молекулярной массы образцов хитозана при увеличении продолжительности процесса - является общей закономерностью при обоих способах его проведения. С целью подбора условий синтеза целевого продукта с наименьшей вероятностью протекания побочных процессов проведен ряд экспериментов в присутствии добавок, в частности воды, ингибиторов радикальных процессов и акцепторов кислорода, который в сильнощелочной среде способствует деполимеризации хитина. Эксперименты показывают, что при добавлении воды в реакционную смесь, так и в ее отсутствие, повышение температуры процесса необходимо для получения хитозана во временных рамках проведения синтеза, но она может быть существенно ниже. Расход едкого натра при этом значительно выше (в 1.5-2 раза), чем при получении продукта с аналогичными характеристиками в отсутствие воды. По-видимому, снижение предела пластической деформации ниже определенного порога системы приводит к ускоренной релаксации внутренних напряжений, понижающей величину запасаемой системой энергии и, как следствие, к уменьшению эффективности протекания целевых реакций. Существенным отрицательным фактором присутствия воды при деформировании твердых полимеров, и особенно полисахаридов, является также сорбция воды на активных центрах, приводящая к гибели активных состояний. В то же время, проведение процесса в сравнительно «мягких» условиях деформирования приводит к меньшей деструкции полимерных цепей, и молекулярная масса образовавшегося хитозана находится в пределах 70-160 кДа при достижении СД хитина более 90%.

Использование восстановителей (ЫаЕНЦ и N828204) в качестве добавок привело к совершенно разным результатам при проведении дезацетилирования хитина твердофазным способом и в растворе щелочи. При суспензионном способе наблюдается повышение молекулярной массы хитозана в соответствии с ожидаемым подавлением окислительной деструкции полисахаридов в щелочной среде кислородом, растворенным в воде. Добавление восстановителей или ингибиторов радикальных процессов в реакционную смесь при твердофазном деформировании привело к снижению молекулярной массы образцов во всех случаях. По-видимому, влияние окисления несущественно из-за низкого содержания в твердой реакционной смеси кислорода, и главную роль в побочных процессах играет случайный разрыв макромолекул (механодеструкция). Объяснением роли восстановителей может служить предотвращение процессов ветвления относительно низкомолекулярного хитозана за счет реакции аминогрупп с концевой альдегидной группой. Взаимодействие полисахаридов с альдегидами и восстанавливающими сахарами - известный и достаточно широко применяемый при получении производных процесс, но протекает, как правило, в кислых средах. Однако, реакция образования альдиминов (аналог основания Шиффа), в отличие от реакций образования ацеталей, ускоряется и щелочами и может происходить в исследуемом процессе при достаточной его продолжительности.

Статистическую природу процессов разрыва цепи при механохимическом процессе получения хитозана подтверждают данные ГПХ и результаты фракционирования хитозана методом дробного осаждения растворов полимера добавлением изопропилового спирта. Это позволило выделить фракции, различающиеся по молекулярной массе, и оценить ММР образцов хитозана при суспензионном и твердофазном способе их получения. Обнаружено, что для образца, полученного гетерофазпым дезацетилированием в жидкой среде, характерно бимодальное ММР, а для образца твердофазного синтеза - унимодальное. Из данных ГПХ рассчитана ширина ММР, которая не превышала 2 для всех образцов твердофазного синтеза.

Исследование реологического поведения, фракционного состава и структуры образцов хитозана методами ЯМР и ИК-спектроскопии, РСА, ГПХ показывает, что реакция дезацетилирования хитина в условиях вынужденной пластической деформации приводит к образованию продуктов с высокой молекулярной однородностью, хотя исходные компоненты являются твердыми веществами. Отличительной характеристикой полученного твердофазным способом хитозана является низкое содержание остаточных ацетамидных групп при сравнительно небольшом содержании кристаллических областей (около 25%), что делает его привлекательным для ряда конкретных практических применений, а также для проведения дальнейшего химического модифицирования. Относительно низкая молекулярная масса получаемых твердофазным синтезом образцов (около 50 кДа) может являться преимуществом

при получении привитых сополимеров хитозана, поскольку будет способствовать диспергированию и растворению жесткоцепного полисахарида в не характерных для него растворителях даже при небольшой длине привитых цепей, что и является одной из основных задач исследования.

Глава 3. Реакции хитозана с концевыми альдегидными группами полимеров, привитые

сополимеры хитозана с поливиниловым спиртом, получение и перспективы применения

материалов

Глава посвящена исследованию специфической реакции аминогрупп хитозана с концевыми альдегидными группами полимеров: полисахаридов (целлюлоза и гаяактоманнаи -гуар) и поливинилового спирта. Эта реакция широко используется для селективного Ы-алкилирования хитозана и сшивания с помощью бифункциональных альдегидов. Использование твердофазного метода синтеза для проведения реакций активных концевых групп базируется на двух предпосылках: снятие диффузионных ограничений за счет пластического деформирования многокомпонентных твердых смесей и образование совмещенных на молекулярно-сегментальном уровне твердых растворов в ходе деформирования макромолекулярных и низкомолекулярных веществ. В реакции аминогрупп с альдегидными группами участвуют и концевые группы самого хитозана, как показывают наши эксперименты по получению твердофазным синтетическим путем протеин-полисахаридных конъюгатов, служащих прекрасными эмульгаторами и инкапсулирующими агентами. В диссертации рассмотрено влияние механического воздействия на природные белки и ферменты при введении их в полимерные матрицы методом деформирования под давлением. Изучены свойства композитов с белками и ферментами, а также процессы образования их комплексов и конъюгатов с хитозаном при деформировании. В частности, обнаружено, что при деформировании трипсина с хитозаном и целлюлозой белок взаимодействует с полисахаридами на молекулярном уровне, сохраняя способность полностью воспроизводить свою третичную структуру и, соответственно, биокаталитическую активность при возвращении в раствор. Метод позволяет вводить существенно большее количества белка в матрицу по сравнению с равновесной сорбцией из раствора. Иммобилизованный таким способом фермент обладает ярко выраженным пролонгированным действием (более трех часов). При этом обнаружено, что часть белка (около 30%) связана с хитозаном ковалентно.

Как следует из предыдущей главы, подвижность концевой группы полисахарида при пластическом деформировании приводит к ветвлению хитозана. Одним из главных факторов, облегчающих протекание такой реакции, является сильнощелочная среда при дезацетилировании хитина, ускоряющая реакцию образования альдиминов (рис. 5).

Хитозан, как полисахарид близкой структуры и аналогичного стереоизомерного состава, имеет высокое сродство к целлюлозе, даже небольшие добавки хитозана в бумажные и тканевые изделия на основе целлюлозы резко повышают их прочность, окрашиваемость, бактерицидность и другие свойства. Обработка смесей хитозана и целлюлозы на наковальнях Бриджмена способствует аморфизации структуры продуктов уже при давлении 1 ГПа по данным рентгеноструктурного анализа. Сравнение ИК-спектров смесей после деформирования под давлением со спектрами индивидуальных полисахаридов свидетельствует о существенном перераспределении системы водородных связей в пользу более сильных межмолекулярных, образованных функциональными группами обоих полисахаридов. Это приводит к неаддитивному измельчению обоих компонентов при деформировании смесей в экструдере. Так как молекулярная масса целлюлозы была значительно выше молекулярной массы хитозана, как выше и энергия когезии целлюлозных цепей, при ковапентном связывании наблюдается уменьшение доли растворимой в кислой водной среде фракции смеси (хитозан) по сравнению с исходным составом. Как и предполагали, большая часть хитозана связывается с целлюлозой ковалентно при добавлении целлюлозы в реакционную смесь в ходе дезацетилирования хитина, содержащую также и щелочь. В этом случае доля растворимых в кислоте фракций менее 10% при равном массовом соотношении обоих полисахаридов в исходных смесях.

Полученные полисахаридные смеси перспективны для получения сорбентов, более устойчивых в водных средах и эффективных по сравнению с исходным хитозаном. Показано, что скорость сорбции Си(П) целюлозно-хитозановыми пленками намного выше, чем сорбция целлофана и заметно превышает сорбцию пленками из чистого хитозана. Равновесное значение сорбции Си(Н) достигается за 5 часов против 24 часов для хитозановых пленок, и значительно выше величины, соответствующей аддитивной величине для хитозановых и целлофановых пленок. Установленная закономерность является следствием особенностей структуры пленок, сформованных из смесей полисахаридов, компоненты которых после совместного деформирования взаимно диспергированы и связаны адгезионно, и, возможно, ковалентно.

Возможность ковалентного связывания подтверждена экспериментами, в которых получены водорастворимые привитые сополимеры хитозана с галактоманнаном (гуар), содержащие от 30 до 50 мае. % хитозана. Деформирование полисахаридов осуществляли в присутствие щелочи добавлением гуара к реакционной смеси после дезацетилирования хитина.

Рис. 5. Образование азометиновых связей при реакции аминогрупп хитозана и концевых альдегидных групп полисахаридов

Выделены фракции сополимеров, растворимые в воде при нейтральных значениях рН (соотношение хитозан/гуар мольное 3/1, массовое 1/3), составляющие 75% от массы продукта реакции, и гель, сильно набухающий в воде (15%), с равным массовым соотношением полисахаридов. Очевидно, при меньшем количестве привитых цепей макромолекулы хитозанового «хребта» сильнее агрегированы и создают физическую сетку связей, ограничивающую растворимость таких фракций. Вязкость разбавленных растворов сополимеров очень высока, что говорит о малой механодеструкции цепей галактоманнана. Полученные полисахаридные конъюгаты перспективны для создания новых материалов медицинского назначения, в первую очередь в виде гидрогелей, содержащих иммобилизованные на полисахаридах чувствительные к кислотности среды терапевтические агенты, а также в пищевой и косметической промышленности. Однако, они неспособны к образованию волокон и пленок.

Идеальным кандидатом для придания хитозану растворимости в нейтральной водной среде при улучшении его физико-механических свойств является поливиниловый спирт. ПВС в качестве компонента хитозансодержащих материалов привлекает внимание огромного числа исследователей. Литературные данные свидетельствуют о частичной совместимости компонентов как следствия образования системы водородных связей, включающей функциональные группы обоих полимеров, что приводит к существенному улучшению физико-механических свойств смесевых пленок. Попытки создания привитых структур хитозана и ПВС в качестве систем для доставки терапевтических агентов, описанные в литературе, немногочисленны и связаны с использованием сшивающих агентов, приводящих к получению хорошо набухающих в воде нерастворимых полимерных композитов. Для получения сополимеров применяют прививочную полимеризацию винилацетата на хитозан с последующим щелочным дезацетилированием привитых олигомерных цепей. Этот процесс многостадийный и сложный, связанный с использованием катализаторов и различного типа растворителей на различных стадиях синтеза и очистки продукта.

Образование концевых альдегидных групп ПВС при механодеструкции за счет гемолитического разрыва С-С связей «голова к голове» с последующим диспропорционированием образовавшихся радикалов в клетке было предположено Н.К. Барамбоймом. Однако наши эксперименты показали, что в достаточно широком исследованном интервале температур и соотношений компонентов деформирование смесей чистых ПВС и хитозана не приводит к изменению растворимости обоих полимеров и образованию сополимерных продуктов. Поэтому для осуществления твердофазной прививки ПВС на хитозан совместили процессы дезацетилирования исходных полимеров - хитина и ПВА - и синтеза сополимеров при деформировании образовавшихся реакционных смесей. В этом случае

хитозан и ПВС неспособны к формированию собственной фазы при деформировании, и появляется возможность использовать концевые альдегидные группы ПВС, образование которых in situ в ходе механохимического воздействия на ПВА (рис. 6) повышает их реакционную способность по отношению к аминогруппам хитозана.

OCCHj

NaOH

4-CH2-CH-fcCH=C

HsCOCO

H

<?н

Ч-СНг-СН-ЬСН=С

I

н,сосо

н

+ CH.COONa

9Н

Ч-СНг-СН-Ь-СНзС Н3СОСО

н

Изомеризация -f-СН,- СН-Ь-СН,-

н.сосо н

Рис. 6. Схема образования концевой альдегидной группы ПВС вследствие гидролиза и изомеризации винилового спирта после обрыва цепи за счет диспропорционирования на стадии свободнорадикальной полимеризации винилацетата.

Представленные в табл. 2 данные показывают, что продукты синтеза практически не содержат нерастворимых в водных средах фракций, т.е. не содержат исходных хитина и поливинилацетата. Содержание остаточных ацетамидных и ацетатных звеньев в образовавшихся хитозане и ПВС во всех фракциях не превышает 2-5% по данным ИК-спектроскопии.

Таблица 2. Данные фракционного анализа продуктов твердофазного дезацетилирования хитина и ПВА

Код образца

Условия растворения

Содержание фракции(%)

Содержание гомополимера ПВС (г/г)

А Деионизованная вода, 60 мл/г, 20°С 14—28

В Деионизованная вода, 30 мл/г, 80°С 20-30

С 0.3 МАсОН, 30 мл/г, 20°С 40-60

Нерастворимая фракция 02-05

0.01—0.15 0.30-0.48

Согласно схеме на рис. 6 содержание макромолекул с концевой альдегидной группой после гидролиза сложного эфира не может превышать 50%. Следовательно, в продуктах должны присутствовать гомополимеры. Обнаружено, что доля свободного гомополимера ПВС в продуктах реакции возрастает при увеличении содержания ПВА в исходной смеси и при использовании полимера с относительно низкой молекулярной массой (60-100 кДа). В обоих случаях возрастает пластичность систем, т.е. снижается сопротивление материала при деформировании и, соответственно, эффективность механохимического воздействия. Кроме того, число «дефектов» полимерной цепи, приводящих к образованию дополнительных концевых альдегидных групп, уменьшается при снижении степени полимеризации исходного

ИВА. Поэтому закономерно, что наибольший выход растворимых при нейтральных значениях рН фракций и содержащих максимальное количество привитых на хитозан цепей ПВС получен при мольном соотношении ПВА/хитин в исходной смеси ниже 2 и при использовании относительно высокомолекулярных образцов ПВА. Для исследования состава и структуры продуктов во фракциях использовали ЯМР и ИК-спектроскопию, элементный анализ, РСА и ГПХ. Анализ интегральной интенсивности сигналов в спектре ЯМР 'Н позволяет наиболее точно оценить соотношение звеньев в сополимерных продуктах, поэтому расчет степени прививки проводили по данным ЯМР как отношение массы привитых звеньев ПВС к массе хитозана в сополимере с учетом содержания гомополимера ПВС в образцах. Поскольку в протонном спектре сигналы ПВС и хитозана частично перекрываются, то для уточнения вклада каждого компонента и корректного расчета соотношений снимали спектры HSCQ, которые показали хорошую корреляцию сигналов в спектрах ЯМР 'Н и |3С для всех образцов, что свидетельствует об отсутствии в них побочных продуктов. Спектр ЯМР 1Н (8, м.д.): 1.5-1.7 (м, 2 Н, Н2С, ПВС); 3.2 (д.д., 1 Н, НС(2), хитозан); 3.7-4.1 (м, 1Н, НС, ПВС, 5 Н, С(3, 4, 5, 6), хитозан); 4.9 (д, 1 Н, НС(1), хитозан). Спектр ЯМР 13С (8, м.д ): хитозан - 97.4, С(1); 55.7, С(2); 69.4, С(3); 76.2, С(4); 74.7, С(5); 59.9, С(6); ПВС - 67.6, 66.2, 65.9, 64.8, 64.7, 64.5 (СНОН); 44.7, 44.5, 44.1, 43.8, 43.4 (Н2С). Соотношение интегральных интенсивностей сигнала 5Н 3.2 м.д. к сигналу 8Н 1.5-1.7 м.д., найденное из ЯМР 1Н спектров фракций А, полученных с использованием ПВА-350 (А-350) и ПВА-500 (А-500), составляет 1 : 6 и 1 : 73 соответственно. Для фракций В эти соотношения составляют 1 : 71 (B-3S0) и 1: 45 (B-50Û). Данные, характеризующие состав фракций, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты расчетов соотношения звеньев полимеров в образцах. Соотношение звеньев ПВА/хитин в исходных смесях 1.4 (0.6 г/г)

Код образца Количество звеньев ПВС на осново-моль хитозана в сополимере по данным Степень прививки ПВС на хитозан (%)

элементного анализа ЯМР

ПВА-3501" ПВА-5001" ПВА-350 ПВА-500

А 1.5 22.8 3.0 36.5 82—600

В 15.7 11.0 35.5 22.5 430-600

С 0.1 0.4 - -

'"Бисерный ПВА с молекулярной массой 350000 (Пластполимер); (2'ПВА 500000 (Зщта-АІсІгісЬ).

Видно, что молекулярно-массовые характеристики исходных веществ оказывают существенное влияние на состав образующихся сополимеров, растворимых в воде при комнатной температуре, и в меньшей степени на состав фракций, растворимых при стандартной температуре растворения ПВС - 80-90°С. Молекулярная масса фракций, определенная с

помощью ГПХ, достигает 190 и 230 кДа для сополимеров из ПВА-350, фракции А и В соответственно.

Учитывая данные о растворимости и поведении образцов, а также молекулярную массу образцов сравнения, можно заключить, что образцы фракций В содержат сополимер хитозана и ПВС со структурой, в которой к хитозановой цепи присоединена одна цепь ПВС. Частичная кристаллизация относительно длинных привитых цепей ПВС не позволяет продуктам растворяться в воде при комнатной температуре. В случае фракций А, растворимость которых в нейтральной водной среде при комнатной температуре не характерна для обоих полимеров, привтые фрагменты ПВС более короткие, не способные к образованию кристаллической фазы.

Структуру полученных сополимеров сравнивали со структурой модельных смесевых систем того же состава. В ИК-спектрах образцов сополимеров полосы деформационных колебаний первичных аминогрупп (1600 см"1) и метиленовых групп (850 см"1) групп подтверждают наличие в них хитозана и ПВС с низкой степенью ацетилирования. Спектр модельной смеси практически идентичен спектру привитого сополимера фракции В, что близко к рассчитанному по данным ЯМР содержанию хитозана во фракции (3 мол. %). В свою очередь, ИК-спектр сополимера фракции А свидетельствуют о высоком содержании хитозана в исследуемом образце.

Сравнительное исследование

релаксационных свойств показывает, что при образовании привитого сополимера (ПСП) меняется (по отношению к механической смеси ПВС/хитозан) не только структура материала, но и условия сорбции и десорбции влаги в рассматриваемых системах относительно чистого ПВС. Для ПСП и механической смеси наблюдается изменение положения и интенсивности релаксационных пиков относительно чистого ПВС (рис, 7, кривые 2 и 3), что может происходить вследствие нескольких причин, таких как изменение молекулярной упаковки, изменение сорбционной способности сополимера, изменение условий образования межмолекулярных водородных связей. Совокупность полученных результатов указывает на интенсивное протекание в выбранных условиях процессов прививки, приводящих к образованию сополимеров различного состава. Состав фракций оставался неизменным после многократного переосаждения в ацетон, что

(а)

(б),

\ 2

І

%

і %

\\ ч

■А

Рис. 7. Температурная зависимость тангенса угла механических потерь lgS (а) и модуля упругости Е' (б) для образцов: I - ПВС; 2 - смесь ПВС/хитозан (85/15 г/г); і - привитой сополимер (содержание хитозана 15 мае. %)

также является характерным признаком образования сополимерных продуктов реакции. Предположительно, прививка ПВС на хитозан происходит за счет конденсации концевых альдегидных групп ПВС с аминогруппами хитозана с образованием азометиновых связей (-Ы=С-). Другие альтернативные пути образования привитых сополимеров хитозана и ПВС -реакция кетонных групп, продуктов окисления основной цепи ПВС, или радикальная прививка за счет рекомбинации механически инициированных свободных радикалов, исключены, так как должны приводить к образованию сшитых продуктов.

В диссертации приведены результаты исследования реологических и волокнообразующих свойств водных растворов синтезированных продуктов в условиях электроформования. Показано, что обе фракции образуют гомогенные текучие растворы с концентрацией вплоть до 15%, внешний вид и вязкость которых практически не меняется при хранении в течение 1 суток. Растворы фракций В после охлаждения до комнатной температуры не теряли своей текучести и однородности. По данным светорассеяния в 2%-ных растворах фракций А и В обнаружено унимодальное распределение частиц, размеры которых лежат в интервале 7-10 и 10-20 нм, соответственно. Больший размер частиц в растворах фракций В соответствует данным о характеристической вязкости и молекулярной массе. На основании анализа зависимостей приведенной вязкости растворов сополимеров в воде от концентрации рассчитаны значения постоянных ХаГгинса (табл. 4), сравнение которых со значениями для ПВС, полученного твердофазным способом и коммерческого образца со степенью гидролиза ацетатных групп 95 и 88% соответственно, показывает улучшение растворимости привитых цепей ПВС в воде даже при условии практически полной конверсии их ацетатных групп.

Таблица 4. Значения постоянных Хаггинса

Образец М* 1к а К.'

ПВС экстр. 0.516 0.701 2.63

ПВС комм. 0.749 0.128 0.23

ПСП А-500 0.340 0.066 0.57

ПСП В-500 0.395 0.064 0.41

* Начальная концентрация растворов 1.5 г/дл.

Кривые течения растворов всех образцов характеризуют их как неньютоновские жидкости и в исследованном интервале имеют лишь структурную ветвь. Динамическая вязкость растворов фракций ниже, чем вязкость растворов ПВС, и во всех случаях она не превышает 1Па с, что делает их приемлемыми для электроформования. За счет подбора условий получены достаточно равномерные и малодефектные нановолокнистые материалы с диаметром элементарных нитей 80 - 800 нм. Полимерные нановолокнистые материалы представляют интерес для использования в качестве фильтрационных, сорбционных и композиционных материалов. Однако сильное набухание и частичная растворимость сформованных нановолокон в воде ограничивает возможность их использования для указанных

целей. Снижение набухания и растворимости возможно путем сшивки полимера, а также безреагентным методом - термической обработкой, в ходе которой происходит частичная кристаллизация полимеров. Согласно полученным данным термообработка при 80°С в течение 1.5-2 часов приводит к нерастворимым, но существенно набухающим материалам. Эксперименты по оценке цитотоксичности стерилизованных УФ-излучением нановолокон ПВС/хитозан по отношению к фибробластам показал отсутствие токсичности и возможность их использования в качестве биодеградируемых имплантатов.

Привитые сополимеры хитозана и ПВС представляют интерес в качестве стабилизаторов водных дисперсий биоактивных молекул и наночастиц различной природы, учитывая хорошую комплексообразующую способность гидроксильных и аминогрупп. Была изучена возможность их применения в качестве микроконтейнеров для животных клеток и вакцин, для создания покрытий на раны с включенными в их структуру биологически активными веществами. Показано, что синтезированные привитые сополимеры хитозана с ПВС, которые легко растворяются в физиологическом интервале рН (6.5 - 7.2) при комнатной и умеренно повышенной температуре, являются идеальным компонентом полиэлектролитной мембраны. Полученные сополимеры обеих фракций А и В успешно использовали в лаборатории полимеров для биологии ИБХ РАН (группа дх.н. Е.А. Марквичевой) для создания оболочек микрокапсул и культивирования в них животных клеток (табл. 5, рис. 8).

Таблица 5. Толщина полиэлектролитных мембран альгинат/поликатион в зависимости от типа поликатиона и времени инкубации микрогранул СаА1ц в растворе поликатиона

Средний Концентрация Толщина мембраны в зависимости от времени диаметр поликатионав инкубации (мкм)

микрокапсул (мкм)

Поликатион

поликатиона в растворе (%)

5 мин

7 мин

10 мин

Олигохитозан 900±75

ПСП А-350 780±50

ПСП В-350

1150±80

0.1 0.2 0.2 0.25 0.50 0.75 1.15

78±5 89±5 27±5 51 ±5 81 ±5

112±6 135±6

76±5

37±5 42±5

и.о.* н.о. 54±5 н.о. но 66±5 87±5

' Отсутствие мембраны вследствие взаимодействия макромолекул по всему объему микрогранулы

Г Ийі (г)

Рис, 8. Рост клеток Зр2/0 в микрокапсулах на основе ПСП-А-350; время культивирования 1 день (а), 5 (б), 10 (в) и 14 (г) дней после иммобилизации; шкала 300 мкм

Таким образом, можно сделать вывод о перспективности полученных сополимеров для разработки новых капсулированных систем на основе животных клеток для решения широкого спектра биомедицинских задач: наработки различных, в том числе генноинженерных продуктов, секретируемых клетками; для создания имплантатов на основе белков, пептидов, клеток-продуцентов инсулина и других гормонов.

Обнаруженная способность хитозановых фрагментов в сополимерах к образованию механически прочных (не разрушающихся при центрифугировании в течение 10 мин при скорости 9000 об/мин) и стабильных даже в условиях повышения щелочности среды при культивировании в течение 4-х недель полиэлектролитных комплексов с альгинатом указывает на их достаточную длину. Об этом же свидетельствует и РСА фракции А, дифрактограмма которой отражает физическую структуру хитозана с высокой степенью кристалличности (рис. 9, кривая 1). Температурная обработка этого образца приводит к потере кристаллической структуры хитозана и появлению рефлексов кристаллической структуры ПВС при значениях угла дифракции 2в близких к 11 и 19° (рис. 9, кривая 2).

Эти изменения полностью обратимы, и картина возвращается к исходной при набухании образца при 100%-ной влажности (рис. 9, кривая 3). Описанные трансформации

дифрактограмм носят устойчивый характер и воспроизводятся при повторении цикла температурной обработки, что свидетельствует о наличии жесткой структурной организации в системе.

Физико-механические

исследования пленочных материалов на основе ПВС и хитозана показали, что все композитные пленки обладают хорошей механической прочностью (модуль упругости Е = 2200 МПа, предел текучести от = 98 МПа, разрывное удлинение ср = 5% для образца с содержанием хитозана 10% при относительной влажности 44% и Т = 20°С). Сравнение полученных данных с механическими характеристиками пленок из чистого ПВС (Е = 3100 МПа, от= 60 МПа, с,, = 3.5%) показывает значительное увеличение прочности и пластичности пленок, содержащих хитозан. Для сополимерных пленок с содержанием хитозана 10-15 мае, % (В-350) характерно увеличение модуля упругости (2500 МПа) при снижении прочности до 80 МПа по сравнению с

Рис. 9. Изменения в дифрактограммах образца ПСП-А-350 в ходе циклической обработки прогрев-набухание, содержание хитозана 25 мол, % (50 мае. %)

модельной композитной пленкой. Тем не менее, пленки превышают по прочности показатели для чистого ПВС В 1.5 раза.

Формование пленок из нейтральных водных растворов позволяет инкапсулировать в них биологически активные вещества (БАВ) без их деградации в требуемых для этого условиях (температура не выше 40°С, рН около 7). Такие системы представляют интерес в качестве полимерных покрытий на раны и должны обладать хорошей сорбционной способностью, адгезией к коже, обеспечивать защиту от инфицирования извне, обеспечивать возможность контролируемого освобождения лекарственных веществ. Хитозан традиционно применяют для этих целей. Исследование терапевтических эффектов сополимерных пленок, содержащих водорастворимые экстракты лекарственных трав, показало, что введение хитозана через нейтральные, а не кислотные растворы существенно улучшает как вышеупомянутые свойства пленок, так и позволяет избежать нежелательных аллергических реакций. Твердые растительные экстракты, содержащие фенольные группы, были предварительно адсорбированы на сополимеры хитозана и ПВС в условиях деформирования под давлением. Проведенные ш vitro и in vivo эксперименты показали, что включенные таким способом препараты не теряют биологическую активность. Механически инициированная сорбция позволила снизизъ скорость выхода БАВ из матрицы ПСГ1 в 2 раза.

Обнаружено также, что растворы ПСП стабилизируют водную дисперсию наноразмерных частиц ТЮг в течение длительного времени, в отличие от механических смесей гомополимеров. Проведены структурные исследования и получены механические

характеристики пленок из 5%-ных водных растворов ПСП с различным массовым содержанием ТЮ2 (ПСП-(8*56)). Сформованные пленки были механически прочными, визуально прозрачными и гомогенными. Информация о состоянии нанодисперсного ТЮг рентгеновского рассеяния (рис. ¡0). Образец ПСП является в этом случае "оптически прозрачным". Образцы ПСП-8 и ПСП-25 (рис. 10, кривые 3, 4) сохраняют уровень

Is1, отн. ед.

Рис. 10. Кривые малоуглового рентгеновского рассеяния для ПСП (1), исходного золя ТЮ2 (2), ПСП-8 (3) и ПСП-25 (4) 6 координатах -ч (а) и к2 - х (б)

в нанокомпозитах получена методом малоуглового

дисперсности исходного золя ТЮ2. Отсутствие какой-либо агломерации наночастиц в полимерной матрице следует из практически полного подобия кривых малоуглового рентгеновского рассеяния исходного золя и нанокомпозитов. Интенсивность рефлексов ТЮг на дифрактограммах увеличивается пропорционально степени наполнения, что соответствует нормальной системе композита. Обнаружена стабилизация уровня молекулярной подвижности в сополимере хитозан-ПВС в интервале температур 60-230°С при введении нанодисперсного "П02, что может быть использовано для изменения транспортных характеристик матрицы. На основании данных рентгенографического анализа установлено, что введение наноразмерного наполнителя затрудняет кристаллизацию матричного привитого сополимера, что связано со специфическим взаимодействием макромолекул ПВС с поверхностью частиц ТЮг. Введение ТЮг приводит к уменьшению кристалличности сополимера в 2 раза, степень кристалличности чистого сополимера составляет 30% против 15% для ПСП, содержащего 14 об. % наполнителя (56 мае. %). Статистическое распределение хитозана в модельной смеси также является фактором, затрудняющим кристаллизацию, кристалличность сополимера выше, чем модельной смеси (30 и 25% соответственно).

Глава 4. Синтез производных и привитых сополимеров хитозана за счет твердофазных реакций ацилирования. Получение, структура и свойства материалов, перспективы

применении

4.1 Взаимодействие хитозана с карбоновыми кислотами и их ангидридами Образование солей и комплексов хитозана в условиях твердофазного синтеза служит прекрасной демонстрацией возможности переноса заряда при деформировании твердых веществ под давлением. При синтезе в твердом состоянии солей хитозана и кристаллических карбоновых кислот установлено, что глубина протонизации аминогрупп хитозана не зависит от температурь! плавления кислоты, а чувствительна лишь к ее кислотности. Таким образом, процесс переноса протона между твердыми компонентами зависит лишь от склонности молекулы к отдаче протона, т. е. его подвижности. В работе описан твердофазный синтез солей и ацилпроизводных хитозана и ряда твердых насыщенных карбоновых кислот: двухосновных щавелевой, малоновой и янтарной; одноосновной стеариновой; гидроксикарбоновой 2,2-бис-(гидроксиметил)пропионовой; получены данные о структуре и свойствах материалов. Из сравнительного анализа данных потенциометрического титрования и элементного анализа можно сделать вывод о том, что деформирование твердых компонентов в экструдере при комнатной и умеренно повышенной температуре приводит к присоединению карбоновых кислот к аминогруппам хитозана по смешанному механизму, но преимущественно с образованием солей. В ИК-спектрах твердых продуктов полностью исчезает полоса валентных колебаний карбоксильных групп исходных кислот, появляются полосы кислот, связанных более слабыми водородными связями и валентных колебаний карбоксилат-ионов. Продукты

взаимодействия хитозана и дикарбоновых кислот в основном Только набухают в йодных средах за счет межмакромолекулярного сшивания, более выраженного При увеличении длины алкильной цепи (в данном случае - янтарная кислота). К потере растворимости приводит и введение в структуру хитозана ионносвязанных фрагментов одноосновной стеариновой (С18) кислоты. При исследовании процессов, сопровождающих деформирование хитозана с представителем ряда гидроксикарбоновых кислот - 2,2-бис-(гидроксиметил)пропионовой (ГМПК), обладающей ограниченной растворимостью в воде, получены водорастворимые соли. Для определения однородности распределения кислоты по всему объему образца брали пробы из разных мест порошкообразного продукта смешения и титровали потенциометрически. Абсолютное, в пределах ошибки опыта, схождение данных разных проб дает основание утверждать, что кислота и амин распределены гомогенно, как минимум на микроуровне.

Состояние реакционных систем после деформирования исследовали методом ДСК.

Дефектность твердых состояний компонентов и гомогенность их распределения в результате

деформирования при комнатной температуре приводят к изменению положения и

интенсивности эндопикоб плавления ГМПК. Доля кристаллической фазы кислоты закономерно

снижается (табл. 6). На термограмме первого нагревания смеси присутствуют лишь широкие

эндотермы в интервале ЮО-ЧЗСГС и 140^160°С, связанные с десорбцией воды из образца и

плавлением части ГМПК. При повторном нагревании образца на ДСК-термограмме

отсутствуют переходы, которые можно было бы приписать плавлению свободной кислоты.

Таблица 6. Основные теплофизические характеристики ГМПК дй и после деформирования с хитозаном при комнатной температуре

ГМПК, мас.% ДН,,1". Дж/г ДН,"'. Дж/г ДН2 , Дж/г Е/4', % Е2'Ч %

100 276.9 276.9 266.5 100 96.2

45 124.6 70.4 0 56.5 0

(|) Ожидаемая энтальпия плавления ГМПК, нормированная с учетом состава смеси;

" Нормированные с учетом состава смеси энтальпии плавления ГМПК, измеренные при первом (ДНО, втором нагревании образца (ДН2);

<4' " Нормированные с учетом состава смеси степени кристалличности ГМПК, измеренные при первом (Е|), втором нагревании образца (Е2).

При исследовании динамических механических характеристик пленочных материалов из солей хитозана и ГМПК обнаружена высокая температура второго релаксационного перехода (155°С) и сделан вывод об образовании ацилпроизводных в ходе нагревания солевых образцов, что согласуется с литературными данными и результатами ДСК анализа. Таким образом, низкие температуры деформирования хитозана с карбоновыми кислотами, приводящие к образованию их солей, способствуют распределению компонентов в максимально активированной твердой форме с высокой молекулярной подвижностью. Тем самым создаются условия для термического химического превращения в ацилированные продукты.

Установлено, что в условиях твердофазного синтеза в экструдере реакции ацилирования хитозана карбоновыми кислотами протекают преимущественно по пути Ы-ацилирования. Достигаемая степень замещения аминогрупп при взаимодействии с самой сильной из ряда рассматриваемых дикарбоновых кислот - щавелевой - в выбранных условиях не превышает 0.2. В случае ГМПК и янтарной кислоты, сопоставимых по химической активности, степень замещения составляет 0.18 и 0.05 соответственно, при проведении процесса в одинаковых условиях (эквимольное соотношение компонентов и температура деформирования 100°С). При изучении особенностей ацилирования хитозана дикарбоновыми кислотами нужно учитывать тот факт, что последние могут легко присоединяться к аминогруппам хитозана с образованием ионных связей как одной, так и двумя функциональными группами. При этом механизм реакции, строение и свойства образующихся продуктов существенно зависят от длины алкильной цепи дикарбоновой кислоты и кислотности ее карбоксильных групп. Активности вторых функциональных групп выравниваются в ряду дикарбоновых кислот: рКа1 и рКа2 щавелевой составляют 1.27 и 4.23 соответственно; малоновой - 2.87, 5.70, янтарной кислоты -4.16, 5.61. Это объясняет относительно низкую по сравнению с ГМПК степень превращения янтарной, наиболее слабой кислоты с самой длинной цепью. Степень ацилирования (СА) хитозана янтарной кислотой практически не зависит от условий проведения реакции, а получаемые продукты теряют растворимость в кислых водных средах на 60%. Выход продуктов реакции ацилирования хитозана с помощью ГМПК зависит в основном от содержания кислоты в исходных смесях и максимален при трехкратном мольном ее избытке (30 мае. % хитозана в смеси). В этом случае СА аминогрупп хитозана составляет 0.43. При этом степень полезного использования ацилирующего агента наиболее высока и достигает 52% при содержании хитозана в смесях выше 55 мае. %, т.е. при увеличении жесткости деформируемой системы. Выявлена оптимальная температура синтеза, которая составляет примерно 0.6 Тт (°С) ГМПК. При изучении влияния ацилирования на растворимость замещенного ГМПК хитозана установлено, что ввод одного заместителя - 2,2-(гидроксиметил)пропионила, на каждые 20-25 звеньев хитозановой цепи качественно изменяет растворимость полимера в нейтральной среде. Дальнейшее замещение разветвленным заместителем с двумя гидроксильными группами резко меняет характер упаковки хитозана, приводя к растворимости в основных и даже сильнощелочных средах.

Прямое ацилирование полисахаридов твердыми ангидридами дикарбоновых кислот является перспективным синтетическим направлением вследствие большой реакционной способности последних. Изучение структуры и выхода продуктов твердофазных реакций хитозана с ангидридами дикарбоновых кислот показывает, что реагенты связываются с молекулярной цепью хитозана амидными, эфирными или солевыми группами. При этом

аминогруппы хитозана намного реакционноспособнее гидроксильных групп в реакциях нуклеофильного замещения при карбонильной группе в отсутствие катализа. В отличие от продуктов взаимодействия с фталевым ангидридом целлюлозы, имеющей лишь один тип функциональных групп - гидроксильные, ИК-спектры производных хитозана и фталевого ангидрида содержат сильные характеристические полосы поглощения бензольного цикла (16101600 см"1) и карбоксильных Групп (1710-1680 см"1), а в случае малеинового и янтарного ангидридов - характеристические полосы поглощения СН при 2950 и 1640 см"', интенсивность которых закономерно возрастает при увеличении СА хитозана. Выход продуктов реакции зависит от температуры и содержания ангидрида в исходных смесях и слабо зависит от химической активности ангидрида. В выбранных условиях проведения реакции фтапевый ангидрид наиболее слабый ацилирующий агент, взаимодействие с ним происходит только при 100°С и степень его превращения не превышает 23%, что является неожиданным, поскольку при проведении жидкофазных реакций наблюдается иная закономерность. Можно предположить, что наличие бензольного кольца создает стерические затруднения для взаимодействия фталевого ангидрида с полисахаридом. Янтарный ангидрид занимает промежуточное положение, при этом, как и следовало ожидать, он значительно эффективнее в реакциях ацилирования, чем янтарная кислота. Наиболее активный реагент - малеиновый ангидрид (МА), содержащий помимо реакционноспособной ангидридной группы двойную связь. Взаимодействие хитозана с МА протекает количественно уже при комнатной температуре. Для продуктов их взаимодействия характерно образование гелеподобных растворов в кислых водных средах, что затрудняет точную оценку растворимости.

Следует отметить, что МА имеет самую низкую температуру плавления (52°С) в ряду рассмотренных низкомолекулярных реагентов. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что в выбранных условиях деформирования твердых смесей компонентов выход продуктов реакций ацилирования хитозана максимален при температурах, не превышающих 0.5-Ю.7 Т„„ (°С) кристаллических органических реагентов. Это соответствует существующим представлениям об эффективности твердофазных механохимических превращений при сравнительно низкой температуре механического воздействия, и подтверждается результатами исследования процесса дезацетилирования хитина.

Учитывая, что МА может служить интермедиатом при получении ряда композиционных материалов, содержащих хитозан, в работе выполнен анализ ИК-спектров образцов хитозана после деформирования с МА как на наковальнях Бриджмена, так и в экструдере. Установлено, что целевая реакция ацилирования хитозана МА сопровождается реакцией имидизации образовавшейся амидокислоты и реакциями нуклеофильного присоединения функциональных

групп хитозана к двойным связям фрагмента малеиновой кислоты, приводя, таким образом, к производным янтарного ангидрида (схема 1).

Для исследования особенностей механизма твердофазных превращений проведен сравнительный анализ ИК-спектров продуктов имидизации амидокислот, полученных в твердофазном и гомогенном синтезе в растворе. В качестве образцов сравнения использовали термически обработанные продукты исчерпывающего ацилирования аминогрупп хитозана малеиновым и янтарным ангидридами, обладающие степенью замещения близкой к единице. Достижимые конверсии амидокислоты в имид у ацилированного МА в условиях гомогенного синтеза хитозана составляют 40-45%, у амидокислоты из янтарного ангидрида - 15%. Выход нмидных групп при термической циклизации продукта твердофазного синтеза необычайно высок и достигает количественного при расчете на исходные амидокарбоксильные группы. Столь высокая способность к циклизации отличается от поведения аналогичных продуктов гомогенного синтеза. Можно предположить, что это связано с начальной упаковкой элементов боковых групп макромолекул в твердом состоянии. При деформации твердого тела под давлением свободный объем полимерной системы минимален несмотря на его флуктуации. Поэтому боковые группы полисахарида стремятся занять минимальный объем, а свернутая конформация с внутримолекулярной водородной связью СООН—ЫН или N-4—0=С- в наибольшей степени удовлетворяет условиям циклизации. О том, насколько это условие соблюдается, свидетельствует легкость реакции термического превращения исследованной системы по сравнению с продуктами гомогенного синтеза. Сделанное предположение подтверждается увеличением выхода продуктов имидизации при повышении давления при деформировании.

(1)

(X = N4, О;

Р - давление, Т - температура, б - сдвиговая деформация).

4.2 Получение композитных привитых систем xumoiatta и полиэтилена с использованием

Взаимодействие производных хитозана и МА с полиэтиленом (ПЭ) может протекать на обеих Стадиях: ацилирования и имидизации, поскольку для ПЭ известна реакция присоединения двойной связи МА свободного радикала, генерируемого при механическом воздействии на макроцепи (схема 2).

Спектр продуктов реакций в смеси полимеров содержит характерные полосы валентных колебаний СНг: антисимметричных при 2920 и симметричных при 2850 см"1; деформационных ножничных колебаний той же группы в области 1470-1460 см"' и маятниковых колебаний в

свидетельствуют об отсутствии каких-либо деструкционных и прочих изменений в структуре обоих полимеров. Рентгеноструктурный анализ образцов смесей в равном массовом соотношении ПЭ и хитозана после деформирования показал, что после снятия напряжения компоненты образца не восстанавливают своей кристаллической структуры, что говорит об их сильном взаимодействии. Таким образом, хитозан распределяется в гидрофобной среде ПЭ, при этом внутримолекулярные реакции дают больший вклад. Интенсивность полос имида при 1775 и 1715 см"1 в спектрах образцов выше по сравнению с продуктами ацилирования хитозана МА в отсутствие ПЭ.

Для получения материалов ПЭ/хитозан й экструдере компоненты подвергали деформированию в присутствии 5 мае. % МА при 60-80°С. Массовое содержание хитозана в смесях варьировали от 10 до 50%. Обнаружено, что продукты после деформирования частично теряют способность к растворению в я-ксилоле и разбавленной уксусной кислоте. Анализ фракций показывает, что все они содержат хитозан и ПЭ, что означает наличие прививки в выбранных условиях проведения эксперимента. В отличие от механических смесей композитные системы образуют стабильные суспензии в кислых водных средах с однородным распределением ПЭ и пленки с микрогетерогенной структурой, в которых непрерывной фазой является хитозан. Получены композиционные литьевые материалы, состоящие из наполненной

производных хитозана и МА как интермедиатов

(2)

области 730-720 см"'. Форма контура Полос и идентичность их положения на всех спектрах

хитозаном ПЭ матрицы, и изучены их физико-механические свойства. Обнаружено увеличение пластичности материалов по сравнению с механическими смесями при сохранении прочностных характеристик ПЭ.

4.3 Реакции привитой полимеризации лактида и акриламида на хитозан, структура и

свойства продуктов

• Определена эффективность некаталитической реакции ацилирования функциональных групп полисахарида при взаимодействии с дилактоном в условиях твердофазного синтеза (схема 3).

Рассчитана степень полимеризации олигомерных цепей лактида, привитых на хитозан, и рассмотрено влияние прививки на растворимость и физико-механические характеристики продуктов. Согласно полученным данным (табл. 7), относительное количество вступившего в реакцию лактида достигает 96% и зависит от условий проведения процесса.

Таблица 7. Условия проведения процесса и выход продуктов реакции при деформировании смесей хитозан/лактид

Образец, № Мольное/ (г/г) соотношение лактид: хитозан Г ("С) Относительное количество связанного лактида (%) CA аминогрупп хитозана Средняя степень полимеризации привитых цепей лактида

1 0.5/(31:69) 90 95.8 0.19 5.0

2 0.5/(31:69) 120 57.1 0.19 3.0

3 1 /(47:53) 80 76.0 0.19 7.8

4 1 /(47:53) 90 85.3 0.41 4.1

5 1 /(47:53) 100 85.7 041 4.2

6 3/(73:27) 120 59.3 0.37 9.7

Увеличение интенсивности полос Амид I и II в ИК-спекграх очищенных хлороформом от остатков мономера образцов говорит об эффективном протекании реакции аминолиза сложноэфирных связей лактидного цикла. Об образовании ацилированных производных хитозана свидетельствует и изменение соотношения С/Ы согласно данными элементного анализа образцов. Присутствие в спектрах образцов интенсивной полосы поглощения

сложноэфирных групп при 1740 см"1, указывает на то, что связанный с хитозаном лактид находится в виде как минимум димера, что подтверждается расчетом средней степени полимеризации привитых цепей. Из данных табл. 7 видно, что повышение температуры обработки всего на 10° (образцы 3 и 4) приводит к увеличению выхода продуктов реакции Ы-ацилирования в два раза, что согласуется с анализом ИК-спектров образцов. Такое же влияние оказывает увеличение концентрации лактида в реакционной смеси при одинаковой температуре деформирования (образцы 1 и 4). При этом увеличение содержания лактида до трехкратного мольного избытка (образец б) не приводит к дальнейшему росту СА аминогрупп хитозана. Повышение температуры синтеза выше 90-100°С снижает выход продуктов целевой реакции и степень полезного использования реагента, как следует из сравнения образцов 1 и 2; 4, 5 и 6 в табл. 7. Можно сделать вывод, что, как и в случае твердофазного ацилирования хитозана гидроксикарбоновой кислотой, Эффективность механохимического процесса снижается при относительно высоком содержании «механически мягкого» и термопластичного компонента (в данном случае лактида). Эффективная температура синтеза составляет примерно 0.7 Тт (°С) реагента.

Полученные результаты показали, что взаимодействие в выбранных условиях твердофазного синтеза хитозана и Цй-лактида приводит к ацилированию аминогрупп хитозана со степенью замещения от 0.19 до 0.41 и сопровождается полимеризацией дилактона за счет присоединения образующейся при раскрытии цикла гидроксильной группы заместителя к энергетически напряженному циклу мономера. Степень прививки олиголактида в сополимерах достигает 160% при средней степени полимеризации привитых цепей от 3-х до 10-ти звеньев. Введение в химическую структуру хитозана коротких привитых цепей лактида обеспечивает бифильность системы. Общая выявленная закономерность - это увеличение липофильности при росте длины и числа привитых на хитозан цепей олиголактида. Однако, вследствие того, что система привитых цепей сополимера имеет сложное статистическое распределение по длинам основных и привитых молекул, осложненное распределением по узлам прививки в макромолекулах основы, свойства полученных молекулярных систем весьма разнообразны. Растворимость в воде по аналогии с реакциями ацилирования мономерной гидроксикарбоновой кислотой говорит об образовании относительно коротких цепей хитозана, содержащих остаток молочной кислоты - не менее гидрофильный заместитель, чем остаток ГМПК. Согласно данным ГПХ, средневесовая молекулярная масса продуктов равна или меньше таковой у исходного полимера (около 50 кДа).

Прямая полимеризация виниловых мономеров на хитозан является достаточно распространенным методом его модифицирования. Несмотря на использование широкого набора инициирующих систем и мономеров, реакция протекает сложно, а бимолекулярный

обрыв приводит к образованию сшитых форм. Однако сополимеры такого типа показывают высокую активность и селективность в качестве сорбентов. Радиационное инициирование снимает проблемы очистки от инициатора и позволят избежать образования гомополимера в значительных количествах. Исследование продуктов твердофазных химических реакций, протекающих в смесях акриламида с хитозаном при деформировании на наковальнях Бриджмена и в экструдере в отсутствие катализаторов и инициаторов процесса, показывает, что взаимодействие возможно по двум направлениям (схема 4): радикальной полимеризации акриламида, приводящей к прививке цепей полиакриламида (ПАА) на хитозан, и нуклеофильному присоединению аминогруппы к двойной связи мономера с последующей реакцией полиприсоединения с образованием привитых полиамидных цепей. Возможность протекания второй из описанных реакций, приводящей к образованию вторичного амина, в условиях твердофазного синтеза рассмотрена выше при исследовании реакций хитозана и МА.

В работе (Жаров A.A., Чистотина Н.П. Превращения акриламида и полиакриламида при высоких давлениях и больших деформациях сдвига // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1992. № 5. С. 1197-1203) показано, что параллельно с радикальной полимеризацией акриламида при деформировании под высоким давлением протекает реакция нукпеофильного присоединения амидной группы к двойной связи и продукты содержат полиакриламид и поли-р-аланин (полипропиолактам). В жидких средах при действии сильных оснований акриламид образует исключительно поли-р-аланин.

Исследование образцов, полученных на наковальнях Бриджмена при 4 ГПа, показывает, что основная доля этих продуктов (более 80%) растворима в воде, а ИК-спектры содержат полосы поглощения ПАА и хитозана На образование алкилпроизводных хитозана в условиях проведенного эксперимента указывает наличие сигнала при 5.1 м.д. Н-1 N-СНг группы и 2.82 м.д. СНгСО группы в 'Н ЯМР спектрах образцов. Наличие полос вторичных амидных групп в разностном спектре полученного в этих условиях образца и ПАА: 1550 см'1 -деформационных

(Амид II), 3290 см'1 - валентных колебаний Ы-Н, а также 3090 см"', являющейся

комбинационной полосой колебаний ЬГ-Н- связей; говорит о присутствии в образцах следовых

количеств полиамидных продуктов.

Синтез при умеренно повышенной температуре в экструдере приводит к образованию

продуктов, растворимых как в кислой, так и в нейтральной водной среде. Обнаружено, что

растворимость в тех или иных условиях зависит от содержания привитых цепей ПАА (рис. 11).

Сравнение соотношений интенсивности полос поглощения пиранозного цикла 6 области 1100

см"1 и основных полос ПАА для фракций продуктов показывает, что в воде при нейтральных

значениях рН растворимы сополимеры с соотношением звеньев акриламид/хитозан не менее 2

(30 мол. % или 50 мае. % хитозана). Увеличение

температуры синтеза до 100°С приводит к

практически полной конверсии мономера в

полимер, но образуются в основном сополимеры

хитозана с привитыми цепями поли-р-аланина.

Данные ГПХ показывают различное поведение

хитозана и образовавшихся продуктов в

солянокислом растворе, зависимость - Г (Уе|)

и характер ММР различны. Двумерный ЯМР-

спектроскопический анализ указывает на

присутствие мономера акриламида, гомополимера

ПАА и привитых на хйТозан цепей полиамида. Рис- И- ИК-спектры фракций образца

хитозан/ПАА: мольное соотношение Таким образом, процесс твердофазной хитозан/акриламид Ю; температура

привитой сополимеризации акриламида с деформирования 70°С; выход ПАА 70 %

хитозаном зависит от Давления и температуры синтеза, при этом изменяются свойства

полученных сополимеров. Степень превращения акриламида на наковальнях Бриджмена

достигает 90% в вышеуказанных условиях, в экструдере остаточное содержание мономера в

продуктах составляет 30% при умеренно повышенной температуре синтеза.

4.4 Структура и свойства пленочных и губчатых материалов из солевых форм и

ацилированных производных хитозана, перспективы применения

Получение твердых солей хитозана, которые в литературе рассматривают как его

водорастворимые формы, несомненно, имеет существенные преимущества при твердофазном

синтезе, связанные с отсутствием растворителей, упрощением процесса и снижением расхода

агрессивных низкомолекулярных реагентов. Кроме того, в условиях реакционного смешения в

твердом состоянии можно получать смешанные соли хитозана и нескольких органических

кислот одновременно, которые являются эффективными фотозащитными препаратами.

\AJJW.

и Д. И

V \/

г

1 - растворимая в воде фракция;

2 — растворимая в кислоте фракции;

3 - нерастворимая б воде фракция

I

ПАА

Обнаружено, что деформационно-прочностные характеристики пленок модифицированного таким образом хитозана зависят от структуры вводимого противоиона. Пленки с ГМПК и лактидом обладают плотной и однородной структурой, а их механические характеристики (<гг = 54±2.5 и 106±4 МПа соответственно) сопоставимы со свойствами пленок хитозана с относительно высокой молекулярной массой (300-350 кДа), и превышают прочность соответствующих ацетатных пленок почти в два раза. Для ацилпроизводных хитозана и ГМПК обнаружено почти линейное увеличение сорбционной способности образцов по отношению к воде в зависимости от степени ацилирования. При увеличении СА до 0.43 сорбционная способность возрастает почти в три раза (105%) относительно пленок из исходного хитозана.

Получены макропористые гидрогели кристаллизационного типа. Изучение срезов сухих и набухших образцов методами сканирующей электронной и конфокальной микроскопии показало, что полученные гидрогели ацилированного ГМПК и лактидом хитозана обладают трехмерной макропористой структурой со средним размером пор 50-150 мкм. Подобные гидрогели на основе биосовместимых полимерных материалов перспективны как носители иммобилизованных ферментов и клеток, замещаемые имплантаты. Кинетика и равновесная степень набухания гидрогелей зависит от типа используемого полимера. Образцы, полученные из исходного хитозана, набухали только при приложении циклической механической нагрузки, в то время как образцы, полученные из производных хитозана, достигали равновесной степени набухания в течение 1-2-х минут. Максимальная степень набухания (43%) характерна для образцов, полученных из ацилированного лактидом хитозана. При деградации гидрогелей in vitro при 37°С в присутствии лизоцима обнаружено полное разрушение образца в течение двух недель, тогда как для исходного хитозана потеря массы составила около 90% в течение одного месяца. Гидрогели на основе хитозана, модифицированного ГМПК, не подвергаются ферментативному гидролизу в течение месяца, что может быть связано со стерическими затруднениями, создаваемыми объемными разветвленными заместителями.

Способность полученных гидрогелей поддерживать рост животных клеток была протестирована на модельной клеточной линии мышиных фибробластов (L929). Для оценки количества жизнеспособных клеток проводили МТТ-тест образцов после культивирования клеток (2х104 кл/образец) в течение 1 недели. Жизнеспособность клеток в исследуемых гидрогелях выше чем в контроле (в монослое) и в гидрогелях исходного хитозана на 20-80%. Показано, что клетки способны распластываться на стенках гидрогелей и расти по всему объему образца. Это означает, что размер пор гидрогелей обеспечивает нормальный транспорт питательных веществ и свободную миграцию клеток. Таким образом, получение гидрогелей из водорастворимых ацилпроизводных хитозана, синтезированных твердофазным методом,

является эффективным подходом при создании материалов для тканевой инженерии с заданной скоростью деградации и высокой биосовместимостью. ~

4.5 Прививка на хитозан алифатических сложных полиэфиров

Для получения композитов полисахаридов с алифатическими сложными полиэфирами часто применяют модифицирование в расплаве. Однако высокая вязкость таких наполненных систем и отсутствие совместимости компонентов не позволяют достичь желаемых синтетических результатов, в частности прививки фрагментов полиэфирных цепей на хитозан. В качестве объектов исследования для проведения твердофазной сополимеризации выбраны аморфно-кристаллический поли(Ъ-лактид) с ТП„ 160°С и аморфный поли(лактид-со-гликолид) со сравнительно низкой молекулярной массой. В получаемых материалах все компоненты способны к биодеградации и могут быть использованы для разработки функциональных материалов биомедицинского назначения. Основным лимитирующим фактором в расширении областей применения полимеров и сополимеров лактида в биомедицине является гидрофобность поверхности и отсутствие специфичных функциональных групп для прикрепления и роста клеток. Синтез привитых сополимеров с биополимерами (например, хитозан, коллаген) позволит объединить полезные свойства синтетических и природных полимеров и получать материалы с высокими механическими свойствами, способностью к формованию различных матричных форм на их основе и аффинностью к биологически активным компонентам и различным клеточным культурам.

Образцы получали В экструдере при содержании хитозана в смесях 40 или 60 мае. %. Для гомогенизации компоненты предварительно смешивали в экструдере при 50°С. Наибольшие структурные изменения в смесях, выражающиеся в частичной аморфизации системы, согласно данным ДСК происходят при этой, сравнительно низкой, температуре деформирования. Повышение темперагуры способствует как процессам рекристаллизации, так и химическому межмолекулярному взаимодействию. Последнее утверждение сделано на основании данных фракционного анализа, элементного состава фракций и изучения растворимости исследуемых образцов в кислой водной и органической средах. Прививка может протекать как за счет образования амидных связей в реакции концевых карбоксильных групп полиэфиров с аминогруппами хитозана, так и за счет реакций алкоголиза и аминолиза сложноэфирных связей полимеров функциональными группами хитозана. Исследование растворимости образцов в хлороформе и дихлорметане показало, что полученные материалы обладают амфифильными свойствами со склонностью к диспергированию в органических растворителях на коллоидном уровне. Дисперсная фаза представляет собой набор мицеллоподобных структур типа «ядро-оболочка», состоящих из агрегатов полисахарида, стабилизированных в гидрофобной среде привитыми цепями полиэфиров, на что указывают

данные Н ЯМР спектров. На ПМР спектрах образцов в СОСЬ наблюдается значительное уширение пиков полиэфиров по сравнению со спектрами исходных полимеров. По-видимому, малая подвижность цепей хитозана в ассоциатах препятствует разрешению сигнала ПМР полисахаридной (гидрофильной) компоненты сополимеров, пики которой на спектрах отсутствуют.

Размер частиц дисперсной фазы определяли с помощью метода динамического светорассеяния. Согласно полученным данным, образцы хитозана и поли(Ь-лактида) при избытке полиэфирного компонента образуют ассоциаты со средним размером основной доли 200-250 нм после ультразвуковой обработки, которая приводит к уменьшению их первоначального размера (рис. 12а). При избытке хитозана независимо от природы полиэфира для систем характерно увеличение размера ассоциатов после обработки ультразвуком и унимодальное распределение частиц дисперсной фазы по размеру со средним размером частиц 2.7 мкм для поли(Ь-лактид)а (рис. 126) и 350-400 нм для поли(лактид-со-гликолид)а. Во всех случаях эффект ультразвуковой обработки обратим, и дисперсии возвращаются к исходному состоянию.

Рис. 12. Среднечисленное распределение макромолекулярных ассоциатов в хлороформе для образцов хитозан/поли(Ь-лактид) 40/60 г/г (а) и 60/40 г/г (б) после деформирования при 130°С

Наблюдаемое поведение систем является, вероятно, специфическим для привитых сополимеров, сочетающих цепи с различной длиной и гидрофильностью. Учитывая высокую молекулярную массу поли(Ь-лактид)а и низкое относительное содержание концевых функциональных групп по отношению к сложноэфирным связям, более вероятными реакциями становятся аминолиз и алкоголиз сложноэфирных связей аминогруппами хитозана. Образование сополимеров по данному пути объясняет бимодальную функцию распределения ассоциатов по размерам, наиболее ярко выраженную для образцов хитозан-поли(1_-лактид) и для образцов, полученных при избытке полиэфира в реакционной смеси. При увеличении механической жесткости системы больший вклад, очевидно, дают процессы механодеструкции макромолекул и реакции концевых групп. Данные ДСК анализа показывают, что в смесях, полученных при большем содержании хитозана, наблюдается существенное снижение

температуры (до 155°С) и энтальпии плавления (до 20 кДж/г) полиэфирной компоненты по сравнению с исходным поли(ЦЬ-лактидом), плавление кристаллической фазы которого наблюдается при Т= 165.5°С (ДЯ = 40.6 Дж/г).

Получены данные о релаксационных переходах, динамике кристаллизации и механических свойствах таких сополимеров. Установлены высокие механические характеристики полученных из расплава сополимерных пленок хитозана и поли(Ь-лактид)а. Из данных табл. 8 видно, что прочность таких пленок при разрыве даже при содержании хитозана 60 мае. % сопоставима с прочностью пленок исходного полиэфира. Повышение температуры синтеза до 130°С приводит к снижению прочности пленок. Очевидно, это является следствием деполимеризации полиэфирных цепей и интенсификации процессов прививки фрагментов полилактида к хитозану, что подтверждают данные фракционного анализа продуктов. Содержание хитозана в нерастворимых в кислой водной среде фракциях максимально при проведении синтеза в температурном интервале 100-130°С. Однако сам факт отсутствия растворимости в воде указывает на достаточную длину привитых полиэфирных цепей. По данным РСА, медленное охлаждение композитных пленок приводит к кристаллизации полилактидных цепей. Прочностные характеристики материалов при этом закономерно возрастают.

Таблица 8. Сравнительные характеристики (модуль упругости Е, предел текучести ат и разрывное

удлинение >:г) пленочных материалов хитозан-поли(Ь-лактид)

Образец* £, ГПа гтт, МПа е„ %

Исходный поли(Ь-лактид), М„=160000, 7',Ш=160°С 2.3 48.0 2.4

Композит (деформирование при 50°С, 40 мае. % хитозана), закалка 2.9 51.0 2.0

Композит (деформирование при 130°С, 40 мае. % хитозана), закалка 2.7 18.3 0.7

Композит (деформирование при !30°С, 40 мае. % хитозана), отжиг 3.0 21.3 0.7

Композит (деформирование при 100°С, 60 мае. % хитозана), закалка 2.6 40.0 1.6

•Пленки толщиной 100 цм получены прессованием при температуре 180°С.

Травление кислородом в плазме высокочастотного тлеющего разряда поверхностного слоя образцов показало, что для пленок характерна двухфазная структура с размером включений в диапазоне 200-400 нм в случае закалки образца (рис. 13). Это согласуется с данными динамического светорассеяния дисперсий образцов в хлороформе и указывает на то, что включения представляют собой иммобилизованные в матрице полилактида, являющегося непрерывной фазой, ассоциаты цепей хитозана.

Медленное охлаждение пленочного материала

приводит к формированию гетерогенной структуры,

состоящей из кристаллических областей полиэфира

(около 2 мкм) и включений хитозана на их периферии.

По данным ДМА, для обеих пленок переход в

состояние вязкого течения не выполняется до конца.

Выше температуры стеклования полилактида

механические свойства пленки в таких образцах

определяются исключительно хитозановой матрицей.

Следует отметить, что физико-механические свойства

пленок с аналогичным содержанием хитозана,

полученных в качестве систем сравнения в расплаве

полилактида, невозможно измерить из-за их высокой Рис. 13. Микрофотографии пленочных

образцов хитозан/поли(Ь-лактид) хрупкости и неоднородности. Размер частиц хитозана в 40/60 г/г (130°С) после травления в

этом случае не изменялся (около 100 |^м) и был плазме: «-закалка, б-отжиг

сопоставим с толщиной пленочных образцов.

4. в Перспективы применения материалов на основе привитых сополимеров хитозана

и полилактида для тканевой инженерии

Электроформованием коллоидных растворов образцов хитозан/полилактид в хлороформе

получены микроволокона со средним диаметром 2 мкм и нановолокна толщиной от 50 до 450

нм, в том числе содержащие введенный в образцы при деформировании гидролизат природного

белка коллагена - желатин. При диспергировании органических растворов образцов в водной

фазе получены сферические микрочастицы без использования эмульгатора, обычно

применяемого при формовании микрочастиц классическим эмульсионным методом. Согласно

микроскопическим наблюдениям эволюции системы в процессе образования микрочастиц

скорость формирования границы раздела фаз значительно меньше, чем в случае классической

методики с использованием поливинилового спирта. Замедленная скорость формирования

микрочастиц связана с диффузией цепей хитозана на поверхность границы раздела с водной

фазой, что подтверждено качественной реакцией на аминогруппы с нингидрином.

Жизнеспособность клеток при росте на таких нетканых волокнистых материалах и

микрочастицах почти в два раза выше по сравнению с материалами из чистого поли(Ь-лактида).

Исследованы поверхностные свойства пленочных материалов, содержащих полилактид,

хитозан и желатин, и их изменение при воздействии низкотемпературной плазмы. Обнаружено,

что при формовании пленок из коллоидных дисперсий образцов в органических растворителях

сухим методом поверхностные слои обогащены полиэфирной составляющей. Обработка пленок

в разряде постоянного тока приводит к существенному уменьшению краевого угла смачивания (вплоть до полного растекания) и появлению азотсодержащих Групп в поверхностных слоях пленки согласно данным рентгенофотоэлектронной спектроскопии. Проведенные исследования выявили формирование гомогенной поверхности материалов на основе синтезированных твердофазным методом привитых сополимеров хитозана и полилактида с точки зрения морфологии и распределения заряда. В отличие от полиэфирных пленок, которые обладают по данным электронной микроскопии неоднородной аморфно-кристаллической структурой, состоящей из сферолитов диаметром от 50 до 100 мкм с дефектными областями между ними, для поверхности пленок синтезированных твердофазным методом Трехкомпонентных систем характерна однородная структура без выраженных крупных кристаллических образований. Измерения поверхностного заряда показало, что во всех случаях для исходных пленок характерно наличие отрицательного заряда. Однако амплитуда колебаний значения заряда в различных областях пленки существенно ниже для композитных образцов по сравнению с пленкой из поли(Ь-лактида) как до, так и после плазмохимической обработки. Очевидно, что оба этих фактора, наряду с увеличением адгезии полиэфирных материалов к клеточным культурам за счет модифицирования природными полимерами, способствуют значительному увеличению биосовместимости, наблюдаемому для всех исследованных матричных форм композитов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методология твердофазного синтеза производных и привитых сополимеров хитозана путем воздействия давления и сдвиговых напряжений на твердые реакционные смеси хитозана с органическими мономерами и полимерами. Показана возможность проведения этих реакций в опытно-промышленном экструдере, определены выходы продуктов. В результате получены новые материалы на основе биополимера хитозана, синтез которых осложнен или невозможен с применением жидкофазных растворных и расплавных технологий.

2. Установлено, чго совместное пластическое деформирование исследованных Твердых смесей, содержащих хитозан и органические реагенты, при температурах ниже их температур размягчения или плавления, преимущественно в диапазоне 0.5+0.7 Тт (°С), приводит к диспергированию компонентов смеси на сегментально-молекулярном уровне, и сопровождается их взаимодействием с образованием водородных, ионных и ковалентных связей. Преодоление диффузионных ограничений за счет приложенного механического воздействия в выбранных условиях проведения процессов приводит к высокой степени конверсии функциональных групп реагентов. Это показано на примере многих пар реагентов -хитина со щелочью, хитозана с карбоновыми кислотами, лактидом, трипсином и др., и согласуется с существующими представлениями в области теории механохимического синтеза

о предпочтительности низких температур для эффективного протекания твердофазных химических реакций.

3. Показано, что условия проведения процессов: давление, величина приложенной сдвиговой деформации (время обработки), температура и соотношение компонентов оказывают существенное влияние на степень конверсии функциональных групп реагентов и подбираются индивидуально для каждой реакционной системы в зависимости от ее механических свойств. Степень полезного использования низкомолекулярных реагентов и степень прививки цепей синтетических полимеров максимальны при массовом содержании полисахарида в интервале 40-60%.

4. Определены условия деформирования твердых смесей хитозана с низкомолекулярными реагентами, приводящие к образованию ацилпроизводных хитозана с высоким выходом. Рассмотрено влияние степени ацилирования на растворимость хитозана в водной среде, определены физико-механические и сорбционные характеристики пленочных и губчатых макропористых материалов из ацилированных и солевых форм хитозана в зависимости от введенного противоиона или заместителя.

5. Установлено, что степень превращения реагентов и направление реакции при твердофазном синтезе зависят от химической активности функциональных групп реагентов в выбранных условиях реакции. Так, реакции ацилирования хитозана протекают преимущественно по аминогруппам, а не по гидроксильным группам полимера, согласуясь с различием в их нуклеофильности в отсутствие катализа. Изучение структуры хитозана и его производных показало высокую химическую однородность продуктов твердофазных реакций. При этом время и температура, необходимые для получения продуктов с высоким выходом, при воздействии давления и сдвига существенно меньше, чем в соответствующих жидкофазных процессах.

6. Впервые проведены процессы твердофазной привитой полимеризации дилактона молочной кислоты - лактида, и мономера винилового ряда - акриламида, на хитозан. Обнаружена высокая активность аминогрупп хитозана в твердофазных реакциях нуклеофильного присоединения к лактидному циклу и способность дилактона к привитой полимеризации за счет присоединения образующейся при раскрытии цикла гидроксильной группы заместителя к энергетически напряженному циклу мономера. Установлено, что реакция привитой полимеризации акриламида на хитозан происходит двумя путями: радикальной полимеризации мономера, приводящей к прививке цепей полиакриламида на хитозан за счет реакции аминолиза амидной группы, и нуклеофильного присоединения аминогруппы к двойной связи мономера с последующей реакцией полиприсоединения акриламида и образованием привитых полиамидных цепей. Структура привитых на хитозан цепей зависит от давления и температуры

проведения процесса. Определены условия реакций, позволяющие достигать высокой степени прививки олигомеров лактида и акриламида нахитозан и способности привитых сополимеров к растворению в воде при нейтральных значениях рН.

7. Впервые получены привитые сополимеры хитозана с поливиниловым спиртом, растворимые в воде при нейтральных значениях рН. Показана эффективность разработанного подхода к образованию целевой смесевой композиции хитозана и ПВС, являющейся реакционной средой для получения привитых сополимеров в процессе деформирования хитина и поливинилацетата в присутствии щелочи. Предложен и обоснован механизм реакции привитой сополимеризации, заключающийся в образовании в ходе механохимического воздействия на ПВА концевых альдегидных групп ПВС и их активации к взаимодействию с аминогруппами хитозана при пластическом Деформировании полимерных смесей. Исследованы состав и структура продуктов в зависимости от молекулярно-массовых характеристик исходных веществ и условий проведения процесса. Проведены сравнительные исследования поведения сополимеров и модельных смесевых систем в растворе и в твердом состоянии. Обнаружена способность сополимеров выполнять роль стабилизаторов разбавленных и концентрированных водных дисперсий неорганических наночастиц и биологически активных субстанций, в отличие от смесевых систем того же состава.

8. Впервые получены привитые сополимеры хитозана и полиэтилена, образующие стабильные суспензии в кислой водной среде и способные к образованию микрогетерогенных композитных материалов при литье из расплава. Изучен механизм твердофазных реакций ацилирования хитозана малеиновым ангидридом, продукты взаимодействия которых являются интермедиатами при образовании привитых сополимеров, и особенности протекания реакции в присутствии полиэтилена. Выявлено активирующее влияние деформирования реагентов под давлением на химические процессы, проявляющееся в повышении способности заместителя (амидокислоты) к циклизации и участии ненасыщенных групп фрагмента малеиновой кислоты в реакциях, приводящих к прививке механорадикалов полиэтилена на хитозан.

9. Получены привитые сополимеры хитозана с алифатическими сложными полиэфирами, обладающие амфифильными свойствами со склонностью к диспергированию в органических растворителях на коллоидном уровне. Установлено, что дисперсная фаза представляет собой набор мицеллоподобных структур типа «ядро-оболочка», состоящих из агрегатов Полисахарида, стабилизированных в гидрофобной среде привитыми цепями полиэфиров. Предложен и обоснован механизм прививки за счет реакций аминолиза сложноэфирных связей полимеров и реакций их концевых карбоксильных групп с аминогруппами хитозана. Получены данные о релаксационных переходах, динамике кристаллизации и механических свойствах таких сополимеров. Показано, что указанные привитые сополимеры обладают высокими

механическими характеристиками при получении пленок из расплава образцов, содержащих до 60 мас.% поли(Ь-лактид)а.

10. Установлено, что твердофазные реакции образования аммониевых солей хитозана с карбоновыми кислотами и комплексов хитозана с белками при деформировании под давлением протекают с количественным выходом уже при комнатной температуре. На примере фермента трипсина впервые показано, что при пластическом деформировании под давлением твердых смесей, содержащих хитозан и фермент, последний взаимодействует с полисахаридом на молекулярном уровне, сохраняя биокаталитическую активность при выделении из матрицы в раствор. Иммобилизованный таким способом фермент обладает ярко выраженным пролонгированным действием.

11. Разработаны способы преобразования синтезированных производных и сополимеров хитозана в полимерные матричные формы с применением не традиционных для исходного хитозана технологий. Получены материалы, в том числе гибридные нанокомпозитные и содержащие белки и ферменты, в виде пленок, микро- и нановолокон, микрогранул, макропористых губок, микрокапсул; проведено исследование их структуры и свойств и предложены области применения. Проведено сравнительное исследование биологической активности и скорости биодеградации хитозана и его производных и привитых сополимеров, синтезированных в условиях приложения давления со сдвигом. Обнаружена зависимость скорости биодеградации от структуры продуктов и повышение биосовместимости материалов по сравнению с исходными гомополимерами.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

Главы в коллектийных монографиях:

1. Akopova, Т А. Solid State Synthesis and Modification of Chitosan / T.A. Akopova, A.N. Zelenetskii, A.N. Ozerin. In: Focus on Chitosan Research, A.N. Ferguson, A G. O'Neill (Eds) // NY : Nova Science Publishers, ISBN: 978-1-61324-454-8, 2011. - Ch. 8. - P. 223-254.

2. Акопова, T.A. Применение твердофазного метода синтеза для получения материалов на основе хитозана с улучшенной растворимостью в водной и органической средах / Т А. Акопова, в кн. «Хитозан», под ред. К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова // М. : Центр «Биоинженерия» РАН, 2013.-С. 185-221.

Статьи:

3. Демина, Т.С. Твердофазная сополимеризация L.D-лактида с хитозаном / Т.С. Демина, Т.А. Акопова, А Н. Зеленецкий // Химия в интересах устойчивого развития. - 2013. - В печати.

4. Акопова, Т А. Амфифильные системы на основе полисахаридов, полученные методом твердофазного синтеза (обзор) / Акопова Т. А., Демина Т.С., Зеленецкий А.Н. //Хим. волокна. -2012. -№4. - С. 18-22.

5. Akopova, T.A. A novel approach to design chitosan-polyester materials for biomedical applications / T.A. Akopova, T.S. Demina, A.N. Shchegolikhin, T S. Kurkin, Ch, Grandfils, N.S. Perov, A.S. Kechek'yan, A.N. Zelenetskii // Int. J. Polym Sei. -2012. - Article ID 827967. - 10 p. - DOI: 10.1155/2012/827967.

6. Леснякова, JI B. Влияние условий твердофазного получения привитых сополимеров хитозана и поливинилового спирта на их строение и растворимость / Леснякова Л.В., Акопова Т.А., Вихорева Г.А., Перов Н.С., Зеленецкий А.Н. //Композиты и наноструктуры. -2012. -№ 1. - С. 44-55.

7. Леснякова, Л.В. Исследование твердотельного щелочного дезацетилирования поливинилацетата в условиях воздействия давления и сдвиговых деформаций / Леснякова Л.В., Чернышенко А.О., Акопова Т.А., Владимиров Л.В., Вихорева Г.А., Зеленецкий А.Н., Гапьбрайх Л.С. // Пластические массы. - 2012. - № 1. - С. 24-27.

8. Леснякова, Л.В. Электроформование нановолокон из водорастворимых продуктов твердофазной прививки поливинилового спирта на хитозан / Леснякова Л.В., Акопова Т.А., Вихорева Г.А, Зеленецкий А.Н., Гапьбрайх Л.С. // Хим. волокна. - 2012. - № 3. - С. 12-15.

9. Демина, Т.С. Влияние обработки в разряде постоянного тока на свойства поверхности композитных пленок хнтозан/поли(Ь,Ь-лактид)/желатина / Демина Т.С., Яблоков М.Ю., Гильман A.B., Акопова Т А., Зеленецкий АН. //Химия высоких энергий. -2012. - Т. 46. - № 1. - С. 64-69.

10. Demina, T.S. DC discharge plasma modification of chitosan/gelatin/PLLA films: surface properties, chemical structure and cell affinity / Démina T., Zaytseva-Zotova D., Yablokov M., Gilman A., Akopova T., Markvicheva E., Zelenetskii A. // Surf. Coat. Tech. - 2012. - V. 207. - P. 508-516.

11. Zaytseva-Zotova, D.S. Biocompatible smart microcapsules based on chitosan-poly(vinyl alcohol) copolymers for cultivation of animal cells / Zaytseva-Zotova D., Balysheva V., Tsoy A., Drozdova M„ Akopova T., Vladimirov L., Сhevalot I., Marc A., Goergen J.-L., Markvicheva E. // Adv. Eftg. Mater. - 2011. -V. 13. - № 12. - P. B493-B503.-DOI: 10.1002/adem.201180014.

12. Демина, Т.С. Исследование взаимодействия хитозана и 2,2-бис(гидроксиметил)пропионовой кислоты в условиях твердофазного синтеза / Т.С. Демина, Т А. Акопова, Л.В. Владимиров, А Н. Щеголихин, A.C. Кечекьян, Н С. Перов, А О. Чернышенко, А Н. Зеленецкий // Высокомолек. соед. Сер. Б. - 2011. - Т. 53. - № 6. - С. 995-1008.

11 Жорин, В.А.Термостимулированные процессы в смесях крахмала с диоксиметилпропионовой кислотой после пластического деформирования под высоким давлением / Жорин В.А., Киселев М.Р., Зеленецкий А Н., Акопова Т. А. // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2010. - Т. 52. -№ S. - С. 1444-1450.

14. Оэерин, А.Н. Гибридные нанокомпозиты на основе привитого сополимера хитозана с поливиниловым спиртом и оксида титана / А Н. Озерин, Н С. Перов, А.Н. Зеленецкий, Т А. Акопова, Л.А. Озерина, A.C. Кечекьян, НМ. Сурин, Л.В. Владимиров, В.Д Юловская // Российские нанотехнологии. - 2009. - Т. 4. - № 5-6. - С. 107-113.

15. Акопова, Т А. Твердофазный синтез амфифильных систем хитозан-полиэтилен малеинизацией обоих компонентов / Т А. Акопова, Л.В. Владимиров, В.А. Жорин, А.Н. Зеленецкий // Высокомолек. соед. Сер. Б - 2009. - Т. 51. - № 4. - С. 693-704.

16. Акопова, ТА. Механохимический синтез новых материалов на основе модифицированных полисахаридов / Т.А. Акопова, Е.Л. Могилевская, Л.В. Владимиров, А.Н. Зеленецкий, В.А. Жорин, С.Н. Зеленецкий, A.A. Кузнецов, А.Н. Озерин // Химия в интересах устойчивого развития. - 2007. - Т. 15. -№2.-С. 15-21.

17. Озерин, А.Н. Нанокомпозиты на основе модифицированного хитозана и оксида титана / А.Н. Озерин, А.Н. Зеленецкий, Т.А. Акопова, ОБ. Павлова-Веревкина, Л.А. Озерина, Н.М. Сурин, A.C. Кечекьян // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2006. - Т. 48. - № 6. - С. 983-989.

18. Чернышенко, А О. Реакционное смешение хитина и поливинилацетата в твердом агрегатном состоянии / А О. Чернышенко, Т А. Акопова, Е.Л. Могилевская, С.Н. Зеленецкий, Г.А. Вихорева, А.Н. Зеленецкий // Хим. технология. - 2006. - № 2. - С. 20-24.

19. Могилевская, Е.Л. О кристаллической структуре хитина и хитозана / Е.Л. Могилевская, Т.А. Акопова, А.Н. Зеленецкий, А.Н. Озерин // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2006. - Т. 48. - № 2. - С. 216226.

20. Зеленецкий, А.Н. Иммобилизация трипсина на полисахаридах при интенсивном механическом воздействии / А.Н. Зеленецкий, Т. А. Акопова, Н.Р. Кильдеева, Г. А. Вихорева, Е С. Оболонкова, A.A. Жаров // Изв. АН. Сер. хим. - 2003. -№9. - С. 1963-1967.

21. Горбачева, И.Н. Свойства полимерных композиций на основе полисахаридов и их получение в условиях твердофазного деформирования под давлением / И.Н. Горбачева, Т.В. Смотрина, А.К. Смирнов, Г.А. Вихорева, Ю.Б. Грунин, Т.А. Акопова // Хим. волокна. - 2003. - № 1. - С. 18-23.

22. Вихорева, Г А. Структурные и химические превращения хитина при экструзионной обработке и оптимизация условий получения хитозана / Г.А. Вихорева, А О. Чернышенко, Т.А. Акопова, С.Н. Зеленецкий, Е С. Оболонкова, А.Н. Зеленецкий // Хим. технология. - 2003. - №5. - С. 25-28.

23. Роговина, С.З Полимерные композиции на основе полисахаридов и их получение в условиях сдвиговых деформаций (обзор) / С.З. Роговина, Г.А. Вихорева, И.Н. Горбачева, Т.А. Акопова // Хим. технология. - 2002. - № 12. - С. 15-21.

24. Роговина, С.З. Модификация композиций хитин-хитозан-целлюлоза сшивающими агентами / Роговина С.З., Акопова Т.А., Вихорева Г А., Зеленецкий С.Н., Горбачева И.Н., Суслова Н.В. // Высокомолек. соед. Сер. Б. -2001. -Т. 43. -№ 9. -С. 1582-1585.

25. Rogovina, S.Z. Solid state production of cellulose-chitosan blends and their modification with the diglycidyl ether of oligo(ethylene oxide) / S.Z. Rogovina, T.A. Akopova, G.A. Vikhoreva, I.N.Gorbacheva // Polym. Degrad. Stab. - 2001. - V. 73. - Iss. 3. - P. 557-560.

26. Роговина, С.З. Исследование целлюлозно-хитозановых смесей, полученных в условиях сдвиговых деформаций / Роговина С.З., Акопова Т.А., Вихорева Г.А., Горбачева И.Н., Жаров A.A., Зеленецкий А Н. //Высокомолек. соед. Сер. А. -2000. - Т. 42.1.-С. 10-15.

27. Роговина, С.З. Исследование взаимодействия хитозана с твердыми органическими кислотами в условиях сдвиговых деформаций / Роговина С.З., Вихорева Г.А., Акопова Т.А., Горбачева ИН., Зеленецкий С.Н. //Высокомолек. соед. Сер. А. - 1997. - Т. 39. - № 6. - С. 941-946.

28. Роговина, С.З. Модификация хитозана ангидридами дикарбоновых кислот в условиях сдвиговых деформаций / Роговина С.З., Акопова Т А., Вихорева Г.А., Горбачева И.Н., Зеленецкий С.Н. // Высокомолек. соед. Сер. А. - 1998. - Т. 40. -№ 8. - С. 1389-1393.

29. Rogovina, S.Z. Reaction of chitosan with solid carbonil-containing compounds under shearing deformation conditions / S Z. Rogovina, G.A. Vikhoreva, T.A. Akopova, I.N. Gorbacheva, S.N. Zelenetskii. // Mend. Com. - 1998.-№ 6 - P. 107-109.

30. Rogovina, S .Z. Investigation of Properties of Chitosan Obtained by Solid-Phase and Suspension Methods / S.Z. Rogovina, T.A. Akopova, G.A. Vikhoreva // J. Appl. Polym. Sei. - 1998. - V. 70. - P. 927-933.

31. Акопова, Т А. Влияние размола на структуру и свойства хитозана / Акопова Т А., Роговина С.З., Горбачева И.Н., Вихорева Г.А., Зеленецкий С.Н. // Высокомолек. соед. Сер. А. - 1996. - Т. 38. - № 2. -С. 263-268.

32. Роговина, С.З. Модификация полисахаридов в условиях сдвиговых деформаций (обзор) / Роговина С.З., Акопова Т.А. // Высокомолек. соед. Сер. А. - 1994. - Т. 36. - № 4. - С. 593-600.

33. Акопова, Т.А. Образование хитозана из хитина в условиях сдвиговых деформаций / Акопова Т А., Роговина С.З, ВихореваГ.А., Зеленецкий С.Н., Гальбрайх Л.С., Ениколопов Н С. // Высокомолек. соед. Сер. Б. -1991,- Т. 32.10.-С. 735-737.

Патенты:

34. Озерин А Н., Зеленецкий А Н., Акопова Т.А., Зеленецкий С.Н., Владимиров Л.В., Жорин В.А., Могилевская Е.Л., Чернышенко А О., Вихорева Г.А. Способ получения привитых сополимеров хитина и хитозана с синтетическими полимерами / Пат. 22У2354 РФ, 27.01.2007.

35. Роговина С.З., Вихорева Г,А., Горбачева И.Н., Зеленецкий С.Н., Акопова Т.А. Способ получения карбоксилсодержащих производных хитозана/Пат. 2/003731'Ф, 27.12.1997.

36. Ениколопов Н.С., Гальбрайх Л.С., Роговина С.З., Вихорева Г.А., Акопова Т.А., Сахоненко Л.С., Зеленецкий С.Н. Способ получения хитозана / Пат. П6074У РФ, 1993.

Отдельные результаты работы опубликованы в виде более 50 тезисов докладов на российских и

международных конференциях. Полный список работ автора с 1990 года включает 135 печатных работ

по твердофазному модифицированию полисахаридов, из них 38 оригинальных статей и 3 статьи

обзорного характера в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 2 главы в коллективных

монографиях, 2 статьи в научных сборниках, 27 статей в сборниках трудов конференций и 7 патентов

Подписано в печать:

23.10.2013

Заказ № 8953 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Объем: 2 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН

05201351971 На пРавах Рукописи

Акопова Татьяна Анатольевна

Твердофазный синтез, структура, свойства и перспективы применения материалов на основе полисахарида хитозана

Специальность 02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.................................................................................. ^

1. Реакции в твердых телах при механическом воздействии. Состояние проблемы. Общие закономерности (литературный обзор)...................... 12

1.1 Изменение физических и химических свойств твердых тел при механических воздействиях.......................................................... 12

1.2 Органические твердофазные реакции в условиях приложения высокого давления и сдвиговых напряжений..................................... 21

1.3 Реакции полисахаридов при механохимических воздействиях........... 35

1.4 Оборудование для проведения органических твердофазных реакций.

Обоснование выбора типа оборудования и условий механохимического

, 43 воздействия для модифицирования полисахаридов.............................

1.5 Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования............................................................................ 48

2. Твердофазный синтез, структура и свойства хитозана, перспективы применения метода для дальнейшего химического модифицирования

51

полисахарида................................................................................................

2.1 Особенности структуры и области применения хитина и хитозана (анализ литературных данных).................................................................... 51

2.2 Твердофазный синтез хитозана.................................................. 57

2.3 Особенности структуры и свойств хитозана, полученного в условиях ^ твердофазного синтеза.................................................................

2.3.1 Исследование структуры хитозана методами 'Н ЯМР и ^ инфракрасной спектроскопии.........................................................

2.3.2 Исследование структуры хитозана методом рентгеноструктурного ^ анализа....................................................................................

2.3.3 Исследования фракционного состава, молекулярно-массовых характеристик и реологического поведения синтезированных 85 образцов...................................................................................

2.4 Перспективы применения твердофазного метода синтеза хитозана

для проведения дальнейшего химического модифицирования полимера и ^ создания новых материалов...........................................................

3. Реакции хитозана с концевыми альдегидными группами полимеров, привитые сополимеры хитозана с поливиниловым спиртом, получение и перспективы применения материалов............................................. 93

3.1 Реакции аминогрупп хитозана с концевыми альдегидными группами полисахаридов........................................................................... 93

3.2 Комплексы хитозана с белками.................................................. 98

3.3 Прививка на хитозан поливинилового спирта................................ 107

3.3.1 Синтез, структура и свойства привитых сополимеров хитозана с поливиниловым спиртом.............................................................. 107

3.3.2 Исследование реологических свойств сополимеров и особенностей их взаимодействия с водой, структура и физико-механические свойства пленочных материалов из сополимеров и модельных смесевых ^ систем.....................................................................................

3.4 Перспективы применения привитых сополимеров хитозана с поливиниловым спиртом для стабилизации водных дисперсий

128

неорганических наночастиц и биологически активных субстанций.........

3.4.1 Нановолокнистые материалы и пленки для покрытий на раны,

128

содержащие биологически активные растительные экстракты...............

3.4.2 Микрокапсулы для инкапсулирования и культивирования животных клеток.......................................................................... 132

3.4.3 Гибридные нанокомпозиты, содержащие диоксид титана............... 135

4. Синтез производных и привитых сополимеров хитозана за счет твердофазных реакций ацилирования. Получение, структура и свойства

141

материалов, перспективы применения............................................

4.1 Взаимодействие хитозана с карбоновыми кислотами и их

141

ангидридами...............................................................................

4.1.1 Образование солей................................................................. 141

4.1.2 Реакции ацилирования........................................................... 149

4.1.2.1 Особенности структуры и свойств продуктов твердофазного ацилирования хитозана малеиновым ангидридом................................ 153

4.1.2.2 Реакции хитозана с гидроксикарбоновыми кислотами, особенности структуры и свойств продуктов твердофазного ацилирования хитозана 2,2-бис-(гидроксиметил)пропионовой

кислотой...................................................................................

4.2 Получение композитных привитых систем хитозана и полиэтилена с

1 73

использованием производных хитозана и МА как интермедиатов.............

4.3 Реакции привитой полимеризации акриламида и лактида на хитозан,

179

структура и свойства продуктов...........................................................

4.3.1 Прививка на хитозан олигомерных цепей лактида......................... 179

4.3.2 Прививка на хитозан олигомерных цепей акриламида................... 190

4.4 Структура и свойства пленочных и губчатых материалов из солевых форм и ацилированных производных хитозана, перспективы применения...............................................................................

4.5 Прививка на хитозан алифатических сложных полиэфиров............... 203

4.5.1 Исследование растворимости и особенностей поведения сополимеров в органической среде..................................................

4.5.2 Физико-механические свойства сополимеров хитозана и

214

полилактида, структура пленочных материалов..................................

4.6 Перспективы применения материалов на основе привитых сополимеров хитозана и полилактида для тканевой

218

инженерии......................................................................................................

4.6.1 Получение волокнистых материалов и микрогранул из коллоидных органических растворов сополимеров хитозана и

218

полилактида...............................................................................

4.6.2 Материалы на основе сополимеров хитозана и полилактида, содержащие белки. Влияние обработки в разряде постоянного тока на их

224

поверхностные свойства...............................................................

5. Экспериментальная часть........................................................... 228

5.1 Основные характеристики исходных веществ................................ 228

5.2 Выделение продуктов синтеза из реакционных смесей..................... 229

5.3 Проведение твердофазных реакций............................................. 230

5.4 Основные методы исследований................................................ 232

Заключение.............................................................................. 245

Список сокращений и условных обозначений...................................... 251

Список литературы..................................................................... 252

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена важностью разработки новых экономически и технологически эффективных безопасных для окружающей среды методов получения материалов на основе биополимеров, в частности, полисахарида хитозана, обладающего широким комплексом ценных свойств. Полисахариды ввиду очень высокой энергии когезии практически все неплавки, а наиболее распространенные, целлюлоза и хитин, нерастворимы в воде и практически во всех органических растворителях. Поэтому методы их модифицирования сопряжены с рядом трудностей, в частности, требуют предварительной активации реакционных систем. Процессы обычно длительные, многостадийные и занимают не менее нескольких часов, а то и суток. Температура плавления полисахаридов выше температуры их разложения, и при создании полимерных композитов традиционными расплавными методами реакционной экструзии они могут служить лишь наполнителями. Как свидетельствуют литературные данные, химическое взаимодействие в этом случае незначительно и не играет существенной роли в свойствах получаемых материалов. При этом необходимость рационального использования биовозобновляемого сырья и возможность создания на основе полисахаридов новых полимерных материалов с ценными прикладными характеристиками обусловливает интерес к ним в этой области. Неудивительно, что именно процессы модифицирования целлюлозы и хитина - обладающих огромным потребительским потенциалом полисахаридов, стали началом интенсивных исследований в области твердофазных превращений полимеров, проводившихся под руководством академика Н.С. Ениколопова и продолжающихся в настоящее время.

Преимущества твердофазного метода синтеза для химического модифицирования полисахаридов очевидны. Отсутствие растворителей и разбавителей для реакционных систем предполагает возможность разработки экологически чистых безрастворных технологий. Механическая активация

реагентов позволяет избежать необходимости их расплавления и отказаться от использования катализаторов и инициаторов процессов, что также повышает экологическую чистоту метода и является важным фактором при создании безопасных материалов биомедицинского назначения, для разработки которых хитин и продукт его дезацетилирования - хитозан - представляют наибольший интерес.

В диссертации изложены результаты исследований структуры и свойств полученного твердофазным способом хитозана и продуктов его взаимодействия с органическими мономерами и полимерами при механическом воздействии, механизмов и закономерностей процессов, приводящих к получению хитозансодержащих материалов с новыми свойствами. Хитозан - единственный катионный полисахарид, имеющий практически в каждом элементарном звене первичную аминогруппу, что определяет его биологическую активность, а также делает его наиболее интересным объектом в ряду полисахаридов для проведения химического модифицирования. Благодаря способности к образованию пленок и волокон, уникальным сорбционным и комплексообразующим свойствам хитозан и его производные перспективны для создания ионообменных мембран, используемых при ультрафильтрации и диализе, в качестве специальных сорбентов и флокулянтов, имплантатов и носителей лекарственных веществ в виде гелей, нано- и микрочастиц, волокон, губок и других матричных форм. При использовании в биотехнологиях с применением иммобилизованных ферментов и чувствительных к кислотности среды терапевтических агентов желательна улучшенная растворимость полимерной матрицы в физиологически приемлемых условиях. Наиболее эффективным способом придать хитозану растворимость как в водной, так и в органической средах, позволяющим при этом сохранить его биохимические свойства, является прививка на цепь-основу полисахарида синтетических полимеров с различной гидрофильностью. Традиционные технологии в этом случае ограничены сложностью поиска совместного растворителя, низкой совместимостью компонентов и высокой вязкостью растворов, что приводит к низкой концентрации реагирующих веществ, не

обеспечивающей проведение процессов с высоким выходом продуктов. Поэтому создание новых эффективных экологически чистых способов переработки и модифицирования свойств биополимеров привлекает в последнее время пристальное внимание исследователей в самых разнообразных областях науки и промышленности, и интерес к разработке механохимических процессов с участием полисахаридов значительно возрастает. Однако чаще всего их рассматривают только как компоненты композиционных материалов, обеспечивающие способность к биодеградации, или как матрицы для активации биологически активных веществ в условиях механического воздействия. По сравнению с твердофазными реакциями неорганических веществ и низкомолекулярных органических соединений механизмы твердофазных превращений полисахаридов еще мало изучены. Прививка на полисахариды фрагментов синтетических полимеров в условиях механохимического воздействия не проводилась вообще. В то же время, твердофазный синтез таких систем представляется наиболее приемлемым методом для решения проблемы термодинамической несовместимости природных и синтетических полимеров. Систематическое изучение таких процессов является актуальной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для нахождения и развития новых возможностей создания биосовместимых полимерных материалов с помощью эффективных и экологически чистых методов.

Цель работы заключалась в разработке твердофазных способов синтеза производных и сополимеров полисахарида хитозана под воздействием давления и сдвиговых напряжений, получении новых полимерных материалов на их основе, установлении закономерностей и механизмов твердофазных процессов и влияния условий проведения этих процессов на структуру и свойства полученных материалов.

Основные задачи работы: подбор условий твердофазного модифицирования хитозана органическими мономерами и полимерами и получение соответствующих производных и привитых сополимеров; исследование структуры и свойств новых полимерных материалов и установление

влияния на них условий проведения твердофазных процессов; разработка способов формирования матричных форм на основе новых материалов и оценка перспектив их применения.

Теоретическая и практическая значимость работы связана с разработкой методологии твердофазного синтеза производных и привитых сополимеров хитозана, которая носит общий характер и применима ко всем реагентам, способным взаимодействовать с функциональными группами полисахаридов. Впервые разработаны оригинальные твердофазные методы синтеза привитых сополимеров хитозана и синтетических полимеров: поливинилового спирта, полиакриламида, полимеров и сополимеров лактида, полиэтилена. Впервые изучены твердофазные реакции привитой полимеризации мономеров различного типа на хитозан и установлен их механизм. Выявлены закономерности реакций полимераналогичных превращений хитина и хитозана в твердых реакционных системах и предложены механизмы взаимодействий, приводящих к образованию производных и привитых сополимеров хитозана. Исследованы физико-механические и сорбционные свойства сополимеров, их способность к растворению и набуханию в разных средах, к образованию пленок и волокон, к стабилизации нанодисперсных неорганических частиц и биологически активных субстанций, биосовместимость и способность к биодеградации. Проведенные исследования важны для понимания механизмов и закономерностей твердофазных химических процессов модифицирования полисахаридов и восполняют существующие представления о реакционной способности твердых органических веществ под влиянием механической активации.

В результате разработки и оптимизации оригинальных твердофазных методов синтеза получены новые производные и привитые сополимеры хитозана с синтетическими полимерами и олигомерами, синтез которых осложнен или невозможен с помощью жидкофазных растворных и расплавных технологий. Показана высокая эффективность твердофазной прививки на хитозан синтетических полимеров и мономеров: высокие степени превращения и селективность процессов при значительном сокращении их продолжительности и

расхода реагентов. Разработка процессов модифицирования на опытно-промышленном экструдере предполагает быстрый переход к масштабированию процессов и созданию безрастворных технологий получения полимерных материалов на основе биополимеров. Проведенное химическое модифицирование структуры и физико-химических свойств хитозана позволяет применять не традиционные для полисахаридов технологии переработки и получать ряд полимерных матричных форм (пленки, микрогранулы, нано- и микроволокона, др.), что будет способствовать существенному расширению возможностей и областей его использования. Установлено, что при модифицировании сохраняются ценные биохимические свойства хитозана, позволяющие улучшать биосовместимость материалов и придавать им способность к контролируемой био деградации.

Результаты работы были неоднократно доложены и обсуждены на российских и международных конференциях. Материалы диссертации изложены в 30 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 2-х главах в коллективных монографиях, 3-х патентах РФ на изобретения, а также в тезисах более 50 докладов.

Структура диссертации.

Глава 1 содержит обзор основных представлений об изменении физических и химических свойств твердых тел при механических воздействиях, методов проведения механохимических процессов и особенностей протекания органических твердофазных реакций в условиях приложения высокого давления и сдвиговых напряжений. Отдельное внимание уделено в литературном обзоре реакциям полисахаридов при механохимическом воздействии. Рассмотрены особенности различных типов оборудования для проведения твердофазных реакций и обоснован