ПОДБОР СШИВАЮЩИХ АГЕНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ СШИВКИ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ГИДРОЛИЗОВАННЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПОЛИ(2-ЭТИЛ-2-ОКСАЗОЛИНА)

SELECTION OF CROSSLINKING AGENTS AND DETERMINATION OF THE DEGREE OF CROSSLINKING OF HYDROGELS BASED ON HYDROLYZED DERIVATIVES OF POLY(2-ETHYL-2-OXAZOLINE)

Otetileu Zhansaya Amanbekovna

Master's student, Department of Oil and Gas Engineering, Aktobe Regional University named after K. Zhubanov,

Kazakhstan, Aktobe

Abilova Guzel Kabyletovna

Scientific supervisor, PhD, associate professor, Aktobe Regional University named after K. Zhubanov,

Kazakhstan, Aktobe

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются подходы к подбору сшивающих агентов и определению степени сшивки гидрогелей, полученных на основе гидролизованных производных поли(2-этил-2-оксазолина) (ПЭТО). Особое внимание уделено влиянию химической природы сшивателя, его концентрации и условий реакции на формирование трехмерной сетки гидрогеля. Описаны наиболее распространённые сшивающие агенты, включая N,N’-метиленбисакриламид, глутаральдегид, ди- и полифункциональные эпоксиды, а также их совместимость с гидролизованными полиоксазолинами. Приведены методы оценки степени сшивки, такие как определение степени набухания, гравиметрический анализ, ИК-спектроскопия, термогравиметрический анализ и реологические исследования. Установлено, что степень гидролиза и структура исходного полимера оказывают значительное влияние на реакционную способность и морфологию сформированной сетки. Результаты исследования позволяют оптимизировать процесс получения гидрогелей с заданными механическими свойствами, степенью набухания и биосовместимостью, что делает их перспективными для применения в биомедицине, сорбционных технологиях и умных материалах.

ABSTRACT

This work examines the selection of crosslinking agents and the determination of the crosslinking degree of hydrogels based on hydrolyzed derivatives of poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEtOx). Special attention is given to the influence of the chemical nature of the crosslinker, its concentration, and reaction conditions on the formation of the three-dimensional hydrogel network. The most common crosslinking agents are described, including N,N′-methylenebisacrylamide, glutaraldehyde, and di- and polyfunctional epoxides, as well as their compatibility with hydrolyzed polyoxazolines. Methods for evaluating the degree of crosslinking are presented, such as swelling degree measurements, gravimetric analysis, FTIR spectroscopy, thermogravimetric analysis, and rheological studies. It is shown that both the degree of hydrolysis and the structure of the initial polymer significantly influence the reactivity and morphology of the resulting network. The findings of this study make it possible to optimize the production of hydrogels with tailored mechanical properties, swelling behavior, and biocompatibility, making them promising for applications in biomedicine, sorption technologies, and smart materials.

Ключевые слова: гидрогели; поли(2-этил-2-оксазолин); гидролизованные производные; сшивающие агенты; степень сшивки; трехмерная полимерная сеть; набухание; механические свойства; биосовместимость; эпоксидные сшиватели; глутаральдегид; метиленбисакриламид.

Keywords: hydrogels; poly(2-ethyl-2-oxazoline); hydrolyzed derivatives; crosslinking agents; crosslinking degree; three-dimensional polymer network; swelling; mechanical properties; biocompatibility; epoxy crosslinkers; glutaraldehyde; methylenebisacrylamide.

Эффективный подбор сшивающих агентов и точное определение степени сшивки представляют собой фундаментальные этапы при создании гидрогелей на основе гидролизованных производных поли(2-этил-2-оксазолина) (ПЭТО), обладающих регулируемыми структурно-механическими характеристиками. Гидролиз ПЭТО приводит к образованию функциональных групп, способных вступать в реакции сшивания с различными ди- и полифункциональными реагентами, что позволяет варьировать плотность сетки и её морфологию. Наиболее широко применяемые сшиватели — глутаральдегид, N,N′-метиленбисакриламид, эпоксидные соединения — отличаются реакционной способностью и дают возможность формировать как жесткие, так и в проницаемость ысокоэластичные гидрогелевые структуры.

Степень сшивки является определяющим параметром, влияющим на набухание, механическую прочность и биосовместимость получаемого материала. Для её оценки используются гравиметрические методы, определение равновесного набухания, инфракрасная спектроскопия, термогравиметрический анализ и реологические исследования, что позволяет комплексно охарактеризовать сеточную структуру гидрогеля. Установлено, что изменение концентрации сшивающего агента и степени предварительного гидролиза ПЭТО приводит к значительным различиям в плотности сетки и механическом поведении системы.

Полученные данные демонстрируют, что рациональный выбор сшивателя и оптимизация условий реакции обеспечивают возможность синтезировать гидрогели с прогнозируемыми свойствами для конкретных областей применения. Такие материалы являются перспективными для использования в тканевой инженерии, системах контролируемого высвобождения биологически активных веществ, сорбционных технологиях и создании интеллектуальных материалов нового поколения.

Особое внимание уделено подбору условий синтеза гидрогелей: температуре, времени реакции и рН среды, которые существенно влияют на кинетику сшивания и формирование трехмерной сети. Выбор оптимального сшивающего агента и его концентрации позволяет управлять плотностью сетки гидрогеля, а следовательно, регулировать его физико-химические свойства. В частности, установлено, что гидрогели с более высокой степенью сшивки демонстрируют меньшую способность к набуханию, но обладают повышенной механической прочностью и стабильностью в водных средах.

Полученные результаты показывают, что целенаправленное изменение условий гидролиза и сшивания позволяет создавать гидрогели с заранее заданными характеристиками, такими как уровень набухания, прочность, стабильность и биосовместимость. Это открывает возможности для применения данных гидрогелей в биомедицинских системах доставки лекарственных веществ, тканевой инженерии, сорбционных и фильтрационных технологиях, а также в разработке «умных» материалов, реагирующих на внешние стимулы.

Таким образом, исследование демонстрирует научно обоснованную методику подбора сшивающих агентов и контроля степени сшивки гидрогелей на основе гидролизованных производных поли(2-этил-2-оксазолина, что позволяет прогнозировать и управлять их структурно-функциональными свойствами для практических приложений.

Список литературы:

1. Hoogenboom, R., Schlaad, H. Поли(2-оксазолины): класс полимеров с многочисленными потенциальными применениями. Macromolecular Rapid Communications, 2017, 38, 1700412.
2. Luxenhofer, R., Jordan, R. Поли(2-оксазолины) как амфифильные полимерные носители лекарств. Advanced Drug Delivery Reviews, 2013, 65(1), 135–149.
3. Sedlacek, O., Hoogenboom, R. Гидрогели на основе поли(2-этил-2-оксазолина): синтез, свойства и применение. Polymer Chemistry, 2018, 9, 4082–4095.
4. Mainetti, L., и др. Гидрогели на основе производных поли(2-этил-2-оксазолина): сшивание и биомедицинские применения. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2020, 58(12), 1523–1535.
5. Peppas, N.A., и др. Гидрогели в биологии и медицине: от молекулярных принципов к применению. Advanced Materials, 2006, 18(11), 1345–1360.
6. Li, J., Mooney, D.J. Разработка гидрогелей для контролируемой доставки лекарств. Nature Reviews Materials, 2016, 1, 16071.
7. Rami, E., и др. Влияние типа сшивателя на физические свойства гидрогелей на основе поли(2-этил-2-оксазолина). European Polymer Journal, 2021, 143, 110171.
8. Yang, Y., и др. Сетчатые гидрогели из предшественников поли(2-оксазолина): синтез и механическая характеристика. Biomacromolecules, 2019, 20, 2306–2317.
9. Zhang, Y., и др. Стратегии сшивания на основе глутаральдегида и эпоксидных соединений при подготовке гидрогелей. Journal of Applied Polymer Science, 2020, 137(27), 48921.
10. Ahmed, E.M. Гидрогели: подготовка, характеристика и применение. Обзор. Journal of Advanced Research, 2015, 6(2), 105–121.