способ получения макропористого полимерного материала
Классы МПК: | C08J9/26 удалением твердой фазы из высокомолекулярной композиции или изделия, например выщелачивание C08B37/06 пектин; его производные |
Автор(ы): | Лозинский В.И., Зубов А.Л. |
Патентообладатель(и): | Институт пищевых веществ РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-02-10 публикация патента:
27.04.1997 |
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно, к получению макропористых материалов, состоящих из полимерных оснований. Изобретение может быть использовано в традиционных для полимерных оснований областях применения, например, для адсорбции, ионного обмена, в аналитических процессах, для иммобилизации молекул и клеток и т.п., а также в биотехнологии, медицине и др. Задачей предлагаемого изобретения является преодоление недостатков известных технических решений, т.е. повышение универсальности способа в отношении типа полимерных оснований, из которых можно сформировать целевой продукт, и улучшение технологичности способа получения макропористых полимерных оснований. Указанная задача решается тем, что получение пористого полимерного материала осуществляют путем приготовления раствора полимерного основания с последующим замораживанием полученного раствора и удалением исходного растворителя из системы. При этом удаление растворителя осуществляют без размораживания системы с последующей фиксацией макропористой структуры полимерного каркаса. Удаление исходного растворителя из замороженной системы осуществляют лиофильной сушкой или криоэкстракцией, или криоэкстракцией с одновременной обработкой (модификацией) низкомолекулярным основанием. После этого проводят либо обработку полимера раствором низкомолекулярного основания или сшивающего агента в органическом растворителе, являющимся нерастворителем полимера, с последующим удалением обрабатывающего раствора, либо полимер обрабатывают раствором низкомолекулярного основания с последующим сшиванием и удалением обрабатываемых растворов. Затем в зависимости от того, где и как будет применяться получаемый пористый материал, его можно использовать без высушивания или без промывки, или использовать промывку до нейтральных промывных вод, или использовать промывку и сушку известными приемами. В зависимости от предназначения целевой материал может быть изготовлен в любой форме - в виде пластин, дисков, блока, гранул, трубок и т.д. 1 з.п. ф-лы.
Формула изобретения
1. Способ получения макропористого полимерного материала путем приготовления раствора полимерного основания, его замораживания и удаления исходного растворителя, отличающийся тем, что удаление исходного растворителя проводят без размораживания системы с последующей фиксацией макропористой структуры полимерного каркаса в среде нерастворителя полимера обработкой раствором низкомолекулярного основания, или раствором сшивающего агента, или раствором низкомолекулярного основания с последующим сшиванием и удалением обрабатывающего раствора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление исходного растворителя осуществляют лиофилизацией, или криоэкстракцией, или криоэкстракцией с одновременной обработкой низкомолекулярным основанием.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно, к получению макропористых материалов, состоящих из полимерных оснований. Изобретение может быть использовано в традиционных для полимерных оснований областях применения, например, для адсорбции, ионного обмена, в аналитических процессах, для иммобилизации молекул и клеток и т.п. а также в биотехнологии, медицине и др. Известны различные методы получения пористых полимерных материалов [1] в том числе и макропористых. Например, известен способ получения пористых гранул из полимерного основания хитозана [поли(1,4-
1. Способ позволяет получать целевой материал только в виде гранул, таким методом нельзя приготовить материал в виде пластины, трубки, блока и др. т. е. способ имеет недостаточную универсальность в отношении формы, которую можно придать пористому полимерному основанию, каковым является хитозан. 2. Способ предусматривает получение целевого материала только из хитозана, т.е. характеризуется малой универсальностью в отношении химической природы полимерного основания, из которого формируется указанный материал. 3. Известный способ не позволяет получать целевой материал с порами более 0,2 мкм, не дает возможность приготовить материал, пригодный, например, для работы с клетками (животными, растительными и др.), имеющими размеры, значительно превышающие 0,2 мкм. Иными словами, способ не позволяет сформировать целевой материал макропористой ячеистой структуры. Одним из путей, позволяющих получать макропористые полимерные материалы, является так называемое криоструктурирование [5] метод формирования гелеобразных полимерных систем в среде замороженного растворителя, замерзшие поликристаллы которого выполняют функцию порообразователя. Так, известен принимаемый за прототип способ [6] получения макропористых полимерных материалов взаимодействием отверждаемого соединения и сшивающего агента в присутствии кристаллического вещества, причем в качестве кристаллического вещества используют закристаллизованный растворитель и взаимодействие проводят при температуре на 1-60oC ниже температуры кристаллизации растворителя в течение 4-72 ч, т.е. структурирование протекает в замороженной среде. После оттаивания системы и промывки полученного макропористого полимерного геля растворитель из него может быть, в случае необходимости, удален высушиванием. С помощью этого способа можно получить целевой макропористый материал и из мономерных, и из высокомолекулярных предшественников, включая и полимерные основания (например, хитиозан, полиэтиленимин и др.). Однако, способ-прототип имеет определенные недостатки:
Во-первых, он позволяет приготовить только химически-сшитые макропористые полимерные материалы, поскольку в отсутствии сшивающих агентов криогенная обработка раствора предшественника не приводит после оттаивания к получению структурированных продуктов раствор после замораживания-оттаивания остается жидким. Иными словами, известное техническое решение не позволяет сформировать нековалентные макропористые полимерные материалы, т.е. обладает недостаточной универсальностью. Во-вторых, способ-прототип характеризуется также недостаточной технологичностью из-за того, что исходная композиция обязательно содержит кросс-агент. В этом случае смешение исходных ингредиентов автоматически запускает процесс сшивания макромолекулярных цепей в трехмерную пространственную сетку, поэтому вязкость системы, если ее раствор сразу же не начать замораживать, быстро нарастает вплоть до потери текучести. Такое поведение создает серьезные технические трудности получения, например, гранулированных форм целевого макропористого материала, когда наработка партий гранул общим объемом в несколько мл уже становится сложной задачей система быстро густеет и ее точное дозирование становится невозможным. Задачей изобретения является преодоление недостатков известных технических решений, т.е. повышение универсальности способа в отношении типа полимерных оснований, из которых можно сформировать целевой продукт, и улучшение технологичности способа получения макропористых полимерных материалов. Указанная задача решается тем, что получение пористого полимерного материала осуществляется путем приготовления исходного раствора полимерного основания с последующим замораживанием полученного раствора и удалением исходного растворителя из системы. При этом удаление растворителя осуществляется без размораживания системы с последующей фиксацией макропористой структуры полимерного каркаса. Удаление исходного растворителя из замороженной системы осуществляют лиофильной сушкой или криоэкстракцией, или криоэкстракцией с одновременной обработкой (фиксацией) низкомолекулярным основанием, а фиксацию макропористой структуры проводят либо обработкой полимера раствором низкомолекулярного основания или сшивающего агента в органическом растворителе, являющимся нерастворителем полимера, с последующим удалением обрабатывающего раствора, либо полимер обрабатывают раствором низкомолекулярного основания с последующим сшиванием и удаление обрабатывающего раствора. Затем в зависимости от того, где и как будет применяться получаемый пористый материал, его можно использовать без высушивания или без промывки, или использовать промывку до нейтральных промывных вод, или использовать промывку и сушку известными приемами. В эависимости от предназначения целевой материал может быть изготовлен в любой форме в виде пластин, дисков, блока, гранул, трубок и т.д. Способ применим к самым различным полимерным основаниям, таким как хитозан, полиаргинин, полилизин, кислотная желатина (т.е. желатина с изоэлектрической точкой выше 7), поли(4-аминостирол), сополимер акриламида с акрилгидразидом и другие. Предусматриваемая последовательность операций позволяет:
замораживать водорастворимую форму полиэлектролита даже в виде высококонцентрированнной по полимеру системы, не опасаясь потери ею текучести из-за гелеобразования, как в случае способа-прототипа, что дает возможность в широких пределах регулировать механические свойства конечного материала
равномерно смачивать обрабатывающими растворами пористый каркас структурированного замораживанием полимера, что обеспечивает однородную обработку препарата при фиксации макропористой структуры полимерного каркаса по всему его объему;
готовить замороженный "полуфабрикат" в любой необходимой форме: плоской, цилиндрической, трубчатой, гранулированной, не опасаясь застудневания исходного раствора. После удаления водного растворителя фиксация макропористой структуры полимерного каркаса в среде нерастворителя полимерного компонента осуществляется либо перезарядкой (депронированием) ионогенных группировок для переведения полимерного основания в нерастворимую форму (примеры NN 1,4,6,9,10), либо депротонированием основных группировок с последующим химическим сшиванием полимерных цепей для придания сетке нерастворимости (примеры NN 5,12), либо сразу химическим сшиванием в подходящей среде (примеры NN 7,8,11); также возможно совмещение удаления замороженного исходного растворителя с перезарядкой ионогенных группировок полимера (примеры NN 2 и 3). Способ иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Готовят 2%-ный раствор хитозана в 2%-ной уксусной кислоте. Полученный раствор разливают в пластиковые чашки Петри диаметром 40 мм при толщине слоя 3 мм. Чашки помещают на полку камеры сублимационной сушилки, замораживают при -15oC и удаляют водный растворитель лиофилизацией. Полученные пористые полимерные диски погружают на 2,5 часа в насыщенный раствор NaOH в метилэтилкетон, а затем промывают метанолом до нейтральной реакции, сушат на воздухе, а затем до постоянного веса в вакууме (0,1 мм рт.ст.). Получают пористые диски хитозана-основания плотностью 0,06 г/см3 с порами размером 0,3-0,4 мм (определено оптической микроскопией); содержание основных (аминных) группировок 5,1 ммоль/г сухого полимера. Пример 2. Готовят 3%-ный раствор хитозана в 2,5%-ной уксусной кислоте. Раствор фильтруют под вакуумом через стеклянный фильтр для удаления механических примесей, затем заливают в полиэтиленовый цилиндр, смазанный изнутри низкотемпературной вакуумной смазкой. Внутренний диаметр цилиндра 20 мм. Далее в него коаксиально погружают также смазанный аналогичной смазкой полый металлический палец с внешним диаметром 10 мм. Затем в полость пальца заливают жидкий азот (Т -196oC), подливая его по мере расходования до тех пор, пока жидкое содержание формы не замерзнет. После этого извлекают охлажденный палец из формы, а затем уже извлекают оттуда замерзшую трубку, которую на 30 минут помещают в охлажденный до -50oC пентан, чтобы отмыть от вакуумной смазки не размораживая. Далее препарат переносят в сосуд с охлажденным до -50oC насыщенным раствором KOH в ацетоне, где в течении 18 ч проводят криоэкстракцию водного растворителя с одновременной перезарядкой ионогенных групп хитозана путем их депротонирования. Полученную пористую полимерную трубку затем переносят в водную ванну, где промывают деионизированной водой до нейтральной реакции. Промытую трубку далее используют без высушивания: она имеет толщину стенок порядка 5 мм, плотность материала стенок в набухшем состоянии 1,03 г/см3, поры размером 10-15 мкм (определенно сканирующий электронной микроскопией), содержание основных (аминных) группировок 4,9 ммоль/г сухого полимера. Пример 3. Готовят 2,5%-ный раствор хитозана в 2,5%-ной муравьиной кислоте. Полученный раствор фильтруют под вакуумом через стеклянный фильтр для удаления механических примесей, а затем каплями объемом 0,4-0,8 мкл вводят в столб охлажденного до -8oC петролинейного эфира. За время седиментации на дно сосуда сфереческие капли водной фазы замерзают. Полученные таким образом замороженные гранулы переносят в снабженный погружной мешалкой цилиндрический сосуд, содержащий криоэкстрагент-модификатор насыщенный раствор NaOH в ацетоне, охлажденный до -20oC. Перемешивают 6 ч. затем сливают обрабатываемый раствор, гранулы промывают до pH

Класс C08J9/26 удалением твердой фазы из высокомолекулярной композиции или изделия, например выщелачивание
Класс C08B37/06 пектин; его производные