VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ЧАСТИЦ МИКРОГЕЛЕЙ С ДВОЙНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Гидрогели представляют собой сшитый полимерные цепи, которые являются водорастворимыми (гидрофильными). Химическая природа полимерной сети гидрогеля диктует их поведение. Гидрогели, состоящие из такого материала как N-изопропилакриламид (НИПАМ) является температурно-чувствительным, следовательно набухают/сжимаются с изменением температуры[2]; гели поли (2-винилпиридина) и полиакриловой кислоты являются рН-чувствительными, поэтому они реагируют на изменения рН окружающей среды [3].
Кроме того, модифицированные частицы микрогеля поли (N-изопропилакриламида) [PNIPAM] могут быть синтезированы с другими функциональностями, что делает полученные микрогели чувствительными не только к температуре, но и к другим воздействиям [4], [5]. Такие микрогели могут иметь потенциал для применения как в экологической, так и фармацевтической промышленности.
Кроме того, микрогели также могут быть разработаны, чтобы быть чувствительными для определенных молекул, в результате чего они набухают, илинаоборот, в их присутствии. В этой работе приготовленымикрогели чувствительные к меди или глюкозе. Таким образом, микрогели обладают потенциалом для использования в качестве датчиков, экстрагентов или систем доставки лекарственных веществ. Поэтому исследование свойств приготовленных микрогелей в зависимости от таких факторов как температура, рН и др., является наиболее актуальным.
Динамическое светорассеяние (DynamicLightScattering)
Анализатор BrookhavenZetaPALS был использован для измерения дзета-потенциала и размера частиц микрогелей.
Сублимационная сушка (Freeze-drying). Для того, чтобы образцы для СЭМ были сухими, микрогели были подвергнуты сублимационной сушке в приборе HetoPowerDryLL1500 (ThermoScientfic) на одну неделю.
Сканирующая электронная микроскопия (ScanningElectronMicroscopy). Изображения высокого разрешения были получены при помощи электронной микроскопии, что дает информацию о морфологии, химического состава и кристаллической структуре образцов.
Результаты и обсуждение
Размер частиц микрогеля поли N-изопропилакриламида с Акриловой кислотой P(NIPAM-co-AA) были определены как функция температуры при рН 6,0. Эти исследования были проведены на ZetaPALS инструменте, который имеет внутреннее нагревательное устройство. Образцы были исследованы в ряду температур между 250 и 500C. Рисунок 1 показывает изменение размеров и последующее набухание/сжатие частиц микрогеля. Значения диаметров частиц представлены в таблице 1.
Рисунок 1. Диаметр частиц микрогеля с различными концентрациями групп акриловой кислоты как функция температуры при рН 6.0 (концентрация электролита 2∙10-5 моль/л)
Таблица 1. Диаметр частиц (в нм) образцов с различными концентрациями включенной акриловой кислоты как функция температуры в ряду 25-500С при рН 6.0 (концентрация электролита 2∙10-5 моль/л).
|
Соотношение NIPAM/АА |
100% NIPAM/0%AA |
90% NIPAM/10% AA |
80% NIPAM/20% AA |
70% NIPAM/30% AA |
|
Температура, 0С |
||||
|
25 |
430 |
645 |
900 |
1170 |
|
30 |
470 |
570 |
785 |
930 |
|
35 |
365 |
525 |
720 |
875 |
|
40 |
315 |
410 |
555 |
545 |
|
45 |
300 |
310 |
490 |
455 |
|
50 |
285 |
305 |
475 |
435 |
Полидисперсный индекс (PI) ниже, чем 0,1 для всех представленных значений
Рисунок 1 показывает влияние температуры на размер частиц микрогелей, содержащих различные концентрации акриловой кислоты. При 250С размер частиц равен 425±20 нм, при повышении температуры до 300С размер частиц остается постоянным, но при высоких температурах до 500С размер частиц сокращается до 285±20 нм, большинство сокращений происходит между 30 и 400С. Эти данные согласуются с рядом исследований по микрогелямPNIPAM [6], [5]. Набухание частиц происходит потому, что при понижении температуры PNIPAM растворяется далее в воде, так как нижняя критическая температура раствора (НКТР) равна 320С, как сообщается в литературе[7]. Хотя набухание происходит выше НКТР, следует помнить, что НКТР – это температура фазового перехода для бесконечного молекулярного веса полимера и что растворение может быть достигнуто до НКТР.Также N,N’-метиленбисакриламид является более гидрофильным, чем NIPAM, и поэтому ожидается, что они имеют температуру объемного фазового перехода немного выше, чем 320С.
Инструмент ZetaPALS измеряет не только размер частиц, но и дает данные о полидисперсностимикрогелей. Для всех образцов полидисперсность ниже, чем 0,1, следовательно, не изменяются значительно с температурой.
Влияние рН на размер частиц микрогелей, состоящие из NIPAM и частиц акриловой кислоты, было исследовано, используя ZetaPALS инструмент.
Рисунок 2. Диаметр микрогелей с различными концентрациями групп акриловой кислоты как функция рН при 250С.
Рисунок 2 показывает, что концентрация акриловой кислоты влияет на размер частиц, то есть размер частиц при РН 1.0. Диаметр коллапсированных частиц увеличивается с увеличением концентрации включенной акриловой кислоты. Например, диаметр микрогелей, содержащий 30% акриловой кислоты, приблизительно700±50 нм, в то время как для 10% и 0% акриловой кислоты соответственно 540±50 нм и 360±30 нм.рН 1.0 ниже pKa акриловой кислоты, поэтому это концентрация электролита, приблизительно 0.1 моль/л при рН 1.0, что вызывает этот эффект путем уменьшения качества растворителя для N-изопропилакриламида, то есть гидрофобная гидратация вокруг полимерной цепи ослабляется сольватацией ионов соли, в то же самое время электростатическое отталкивание уменьшается.
Концентрация анионных карбоксильных групп возрастает с возрастанием рН благодаря диссоциации и это приводит к электростатическому отталкиванию, который разрушает водородные связи между карбоксильными группами акриловой кислоты и амидными группами NIPAM.
Выводы. Анализ реакции микрогелей при различных рН показывает, что являясь и рН- и температурно-чувствительными с определенными концентрациями групп акриловой кислоты в цепи, полученные частицы микрогелей имеют двойную чувствительность. Однако, микрогелиаггрегируют при рН 1,0 при высоких температурах. Хотя при рН 3,0 микрогели, содержащие 10% групп акриловой кислоты аггрегируют, содержащие в цепи 20% и 30% групп акриловой кислоты – не аггрегируют. Это привело к попытке синтезировать частицы микрогелей с повышенной концентрацией акриловой кислоты, однако эти попытки были неуспешными, так как микрогели не могли быть получены с концентрацией акриловой кислоты выше 30%, поскольку повышение концентрации акриловой кислоты вызывает скорее линейную полимеризацию, чем синтез микрогелей. Таким образом, было решено получить частицы микрогелей как рН-и температурно-чувствительные агенты.
Литература
[1] Ferry, J.D., Viscoelastic properties of polymers. 1980, New York: Wiley.
2 Ruel-Gariepy, E. and Leroux, J.-C., In situ-forming hydrogels - review of temperature-sensitive systems. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2004.58(2): p. 409-426.
[3] Ali, A., Shawky, H., el Rehim, H.A., and Hegazy, E., Synthesis and characterization of PVP/AAc copolymer hydrogel and its applications in the removal of heavy metals from aqueous solution. European polymer journal, 2003.39(12): p. 2337-2344.
[4] Cornelius, V., Snowden, M., and Mitchell, J., The use of colloidal microgels for the controlled delivery of proteins and peptides.Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2007.6413: p. Y4130-Y4130.
[5] Khan, A., Preparation and characterization of N-isopropylacrylamide/acrylic acid copolymer core-shell microgel particles.Journal of Colloid and Interface Science, 2007.313(2): p. 697-704.
[6] Snowden, M., Chowdhry, B.Z., Vincent, B., and Morris, G., Colloidal copolymer microgels of N-isopropylacrylamide and acrylic acid: pH, ionic strength and temperature effects. Journal of the Chemical Society.Faraday Transactions, 1996.92(24): p. 5013-5016.
[7] Heskins, M. and Guillet, J.E., Solution properties of poly(N-isopropylacrylamide). Journal of Macromolecular Science, 1968.2(8): p. 1441-1455.