полимерная композиция для получения криогеля поливинилового спирта

Формула изобретения

Полимерная композиция для получения имеющего взаимосвязанные макропоры криогеля поливинилового спирта, содержащая поливиниловый спирт, воду и водорастворимую добавку, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимой добавки композиция содержит ионогенное - катионное, анионное или амфотерное, или неионогенное поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, мас. %:

поливиниловый спирт 3-25

указанное поверхностно-активное вещество 0,001-1

вода до 100

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии высокомолекулярных соединений, а именно к полимерным композициям, используемым для приготовления гелевых материалов. Более конкретно изобретение касается полимерных композиций для приготовления криогелей на основе поливинилового спирта (ПВС).

Наиболее эффективно заявляемые материалы могут быть использованы в биотехнологии в качестве гелевой матрицы для работы с биологическими наночастицами (например, вирусами) [В.И.Лозинский, Ф.М.Плиева, Е.И.Исаева, А.Л.Зубов. Способ концентрирования вируса.// Пат. РФ №2130069 (1997)] или для иммобилизации микробных, растительных или животных клеток [V.I.Lozinsky, F.M.Plieva. Poly(vinyl alcohol) cryogels employed as matrices for cell immobilization. 3. Overview of recent research and developments.// Enzyme Microb. Technol., V.23, No 3/4, P.227-242 (1998)].

Известно, что криогели ПВС получают из полимерных композиций, включающих ПВС и воду, на основе которых готовят 3-25% водные растворы ПВС, которые замораживают при -5...-196°С в течение различного времени с последующим оттаиванием (размораживанием) соответствующих препаратов [В.И.Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта.// Усп.химии, т.67, №7, с.641-655 (1998)]. Подобная криогенная обработка приводит к превращению растворов ПВС в гели, обладающие специфической структурой и выделяемые в особую группу, называемую криогелями (гелями, образование которых вызвано криогенным воздействием). Криогели ПВС относятся к макропористым гелям, максимальное сечение пор которых находится в пределах 1-2 мкм. Роль порообразователей при формировании криогелей ПВС выполняют поликристаллы замороженного растворителя, после плавления которых в материале остаются полости, заполненные растаявшей жидкостью [В.И.Лозинский, Е.С.Вайнерман, Л.В.Домотенко, А.Л.Блюменфельд, В.В.Рогов, Е.Н.Барковская, Э.И.Федин, С.В.Рогожин. Характерные особенности замерзания концентрированных водных растворов поливинилового спирта; взаимосвязь со свойствами гидрогелей, получающихся после оттаивания.// Коллоидн. журн., т.51, №4, с.685-690 (1989)]. Физические свойства получаемого из известной композиции исходного водного раствора ПВС таковы, что из-за присутствия полимера замерзание системы всегда сопровождается переохлаждением с последующим быстрым образованием большого количества мелких кристаллов льда, поэтому просто изменением режимов криогенной обработки (т.е. температурными режимами замораживания, выдерживания в замороженном состоянии и оттаивания) не удается получить более крупнопористые криогели ПВС. Сечение макропор в таких криогелях ПВС не превышает, как уже указывалось, 1-2 мкм. В этой связи при использовании криогелей ПВС в биотехнологии в качестве гелевой матрицы для работы с биологическими наночастицами (крупные плазмиды, белковые мицеллы или тела включения, вирусы, клеточные органеллы типа митохондрий или хлоропластов) размер макропор гелевой матрицы оказывается недостаточным для эффективной диффузии указанных объектов в криогель и из него.

Известны способы увеличения размеров макропор в криогелях ПВС за счет введения в состав исходной композиции определенных водорастворимых добавок, например хлористого натрия или полиэтиленгликоля. Использование таких композиций ПВС - вода - водорастворимая добавка (взятой в определенной концентрации) позволяет получать более крупнопористые криогели ПВС, чем те, что образуются при одинаковых режимах гелеобразования из композиций ПВС - вода.

Например, известна полимерная композиция [C.M.Hassan, N.A.Peppas. Cellular PVA hydrogels produced by freeze/thawing.// J. Appl. Polym. Sci., V.76, No 14, P.2075-2079 (2000)] следующего состава (мас.%): ПВС 10; хлористый натрий 25; вода - остальное (т.е. 65%).

После получения раствора указанного состава и последующих трех циклов замораживания (-20°С/8 ч) и оттаивания (25°С/4 ч) получается криогель ПВС, обладающий в 1,2-1,5 раза более высокой объемной набухаемостью в воде по сравнению с контрольным образцом криогеля, полученного при тех же условиях, но без введения хлористого натрия в состав исходной композиции. Причиной указанного повышения объемной набухаемости является увеличение размеров макропор в полученном криогеле. Поскольку никаких данных о прямых измерениях пористости подобных криогелей в известной публикации приведено не было, авторами предлагаемого изобретения с помощью световой микроскопии были измерены размеры макропор в подобных криогелях ПВС, которые оказались всего на 30-50% больше в своем сечении, чем у криогеля без добавок хлористого натрия. Таким образом, полимерная композиция состава, отвечающего известному техническому решению, не позволяет получить криогель ПВС со значительно увеличенными макропорами. Кроме того, к недостаткам этого технического решения относится очень высокое содержание водорастворимой добавки - хлористого натрия (25% или примерно 4,7 моль/л) в составе полимерной композиции, поэтому после формирования криогеля необходимо промыть его большими объемами чистой воды, чтобы снизить ионную силу среды внутри геля до уровня физиологических значений (примерно 0,15 моль/л), если в дальнейшем криогель будет использоваться для работы с биологическими объектами.

Известна полимерная композиция [F.Fergg, F.J.Keil, H.Quader. Investigations of the microscopic structure of poly(vinyl alcohol) hydrogels by confocal laser scanning microscopy.// Colloid & Polymer Sci., V.279, No 1, P.61-67 (2001)], содержащая ПВС, полиэтиленгликоль с молекулярной массой 600 Да (ПЭГ-600) и воду при следующем весовом соотношении указанных компонентов: 8-16:10:90, что в пересчете на мас.% составляет: ПВС 7,4-13,8; ПЭГ-600 8,3-8,9; вода 77,6-84,3.

После получения раствора указанного состава систему подвергают криогенной обработке (замораживание при -15°С в течение 24 ч и оттаивание при комнатной температуре в течение 3 ч), отмывают водорастворимые компоненты (в основном ПЭГ-600) чистой водой, а затем определяют характер пористости криогеля с помощью оптического конфокального лазерного сканирующего микроскопа. Согласно этим измерениям размеры макропор в криогелях ПВС, получаемых из этой известной композиции, лежат в пределах от 2 до 7 мкм, т.е. эти макропоры в 2-3,5 раза больше, чем у криогелей ПВС без добавок ПЭГ-600.

Данное техническое решение как наиболее близкое к заявляемому по достигаемому эффекту (размерам макропор в криогеле ПВС, формируемом из исходной полимерной композиции) принято за прототип. Прототип имеет следующие недостатки.

1. Расход водорастворимой добавки, вводимой помимо ПВС и воды в состав исходной полимерной композиции для получения криогеля ПВС, довольно высокий (8,3-8,9% или примерно 0,15-0,16 моль/л). То есть концентрация ПЭГ-600 соизмерима с концентрацией гелеобразующего полимера (ПВС), но расходуется более дорогой, чем, например, хлористый натрий, ПЭГ-600 (его стоимость согласно данным фирмы “ХимМед” (www.khimmed.ru) 62,4 руб/кг) лишь однократно; он не встраивается в структуру криогеля ПВС, последний после формирования отмывают от водорастворимых компонентов.

2. Микроскопические исследования показывают, что структура макропор в криогеле ПВС, получаемого из полимерной композиции, отвечающей прототипу, отличается от характера пористости "обычных" криогелей ПВС, формируемых из водных растворов ПВС без дополнительных добавок. Если у "обычных" криогелей ПВС 1-2 - микрометровые в сечении макропоры взаимосвязаны, они анизодиаметричны и представляют собой систему сообщающихся микрокапилляров [В.И.Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения.// Успехи химии, 71, №6, 559-585 (2002)], то у криогелей, полученных из композиций ПВС - вода - ПЭГ-600, макропоры сечением в 2-7 мкм представляют собой изолированные сферические образования. Такое строение криогелей, получаемых в присутствии ПЭГ-600, обусловлено эффектами жидкофазного расслоения, имеющего место наряду с разделением фаз жидкое - твердое в ходе замораживания водного раствора ПВС и ПЭГ-600. Изолированный характер пористости подобных криогелей ПВС является недостатком прототипа, поскольку при использовании криогелей ПВС в биотехнологии в качестве гелевой матрицы для работы с биологическими наночастицами (крупные плазмиды, белковые мицеллы или тела включения, вирусы, клеточные органеллы типа митохондрий или хлоропластов) указанные объекты не смогут беспрепятственно диффундировать в такие разделенные гелевыми стенками макропоры, т.е. несмотря на увеличенный размер макропор, в целом гелевый материал оказывается малоэффективен.

Задачей предлагаемого изобретения является полимерная композиция для получения криогелей ПВС с увеличенным размером макропор при сохранении взаимосвязанного характера пористости криогелей в целом.

Указанная задача решается тем, что в качестве водорастворимой добавки композиция содержит ионогенное - катионное, анионное, амфотерное - или неионогенное поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%:

поливиниловый спирт 3-25;

указанное поверхностно-активное вещество 0,001-1;

вода до 100.

На основе полимерной композиции указанного состава готовится содержащий ПАВ раствор ПВС, который подвергается криогенной обработке в известных режимах замораживания, выдерживания в замороженном состоянии и оттаивания. Получаемый в результате макропористый криогель имеет макропоры размером от 2 до 10 мкм, при этом макропоры взаимосвязаны. Такой криогель может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, гранул, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока), трубок и др. При необходимости удаления ПАВ из сформированного криогеля последний промывается водой или разбавленным водно-спиртовым раствором, причем расход промывной жидкости невелик из-за малых концентраций ПВА в системе.

Выбор типа ПАВ (ионогенные - катионные, анионные, амфотерные/амфолитные - или неионогенные) определяется конкретным предназначением криогеля ПВС, сформированного в присутствии ПАВ, доступностью и стоимостью ПАВ. Оказалось, что для решения задачи изобретения - увеличения размеров макропор при сохранении взаимосвязанного характера пористости криогелей ПВС в целом - такой фактор, как тип применяемого ПАВ, не является определяющим, поскольку желаемый эффект достигается при использовании ПАВ любого из вышеуказанных типов. Это является неожиданным, ранее не известным феноменом, характеризующим новизну заявляемого технического решения не только в отношении состава полимерной композиции, но получаемого результата. Содержание же компонентов в заявляемой композиции выбрано на основании экспериментов.

Конкретные примеры заявляемых составов и характер пористости криогелей ПВС, получаемых из этих составов, приведены в таблице.

Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества перед прототипом.

1. Композиция для получения криогеля ПВС содержит существенно меньшие концентрации водорастворимой добавки, способствующей увеличению размеров макропор, чем в композициях, описанных в аналогах и прототипе. Поэтому при промывке криогелей, сформированных из заявляемых композиций, расходуется меньшее количество соответствующего растворителя.

2. Главное преимущество заявляемого технического решения заключается в том, что при использовании заявляемой полимерной композиции достигается эффект увеличения размеров макропор при сохранении взаимосвязанного характера пористости, свойственного криогелям ПВС, формируемым без использования водорастворимых добавок, т.е. просто из водных растворов данного полимера. В результате появляется возможность с помощью заявляемой полимерной композиции получать криогели ПВС с пористостью (размеры макропор и их взаимосвязанная морфология), отвечающей требованиям, предъявляемым к гелевым матрицам, предназначенным для работы с биологическими наночастицами.

3. Заявляемая композиция характеризуется высокой универсальностью, поскольку водорастворимая добавка, способствующая увеличению размеров макропор, т.е. ПАВ, может быть выбрана из широкого круга подобных соединений, относящихся и к ионогенным, и неионогенным поверхностно-активным веществам.

Поэтому наиболее эффективно заявляемое техническое решение может быть использовано при получении криогелей ПВС для биотехнологии материалов биомедицинского назначения.