ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СОПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ МАКРОМОНОМЕРА ПОЛИЭТИЛЕНГЛИКОЛЬМЕТИЛМЕТАКРИЛАТ

Термочувствительные полимеры представляют важный класс стимулчувствительных физических материалов, в которых наблюдаются фазовые переходы, когда температура превышает нижнюю критическую температуру растворения (НКТР). Макромолекулы термочувствительных полимеров содержат в своей структуре функциональные гидрофильные группы, позволяющие набухать в воде, и гидрофобные фрагменты. С повышением температуры усиливаются внутри- и межмолекулярные гидрофобные взаимодействия. Как следствие, ухудшается термодинамическое сродство к растворителю – воде. В системе полимер-вода могут возникать различные критические явления, которые выражаются в резком сжатии объема геля в десятки или сотни раз при достижении определенной температуры. Это объясняется тем, что ниже НКТР образуются сильные водородные связи между гидрофильными группами и окружающей водой, образуется структурированный слой воды вокруг полимерных цепей. В гидрогелях эти полимерные цепи сохраняют развернутую конформацию хотя цепи сшиты, в результате чего полимерная сетка находится в набухшем состоянии. С увеличением температуры водородные связи слабеют, что приводит к уменьшению структурирования воды вокруг гидрофобных групп. Как только структурированная вода высвобождается гидрофобное взаимодействие между гидрофобными группами усиливается. Выше НКТР гидрофобные взаимодействия доминируют, что приводит к коллапсу сшитых полимеров. Благодаря своим свойствам термочувствительные полимеры повсеместно используются в контролировании бактериальной агрегации [4], адсорбции и высвобождении белков [2], клеточной адгезии и контролируемой доставке лекарственных веществ [1,5].

На сегодняшний день полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его производные, в том числе метиловый эфир полиэтиленгликольметакрилат (ПЭГММА), наиболее популярные биосовместимые полимеры, так как обладают множеством достоинств: широкий диапазон растворимости в органических и водных средах, не проявление токсичности и иммуногенности, высокая полидисперсность и коммерческая доступность на рынке, относительная структурная простота.

Для полученных сополимеров на основе макромономера ПЭГММА с мономерами метилакрилат (МА) и этилакрилат (ЭА) исследовано их набухающее поведение при воздействии температуры. Как видно из данных, представленных на рисунках 1 и 2 с повышением температуры наблюдается уменьшение объема полимерных сеток гидрогелей как ПЭГММА-МА, так и ПЭГММА-ЭА, что обусловлено, очевидно, повышением гидрофобных взаимодействий с участием звеньев мономеров МА и ЭА и стабилизацией в результате этого компактных конформаций макроцепей сополимера. С повышением содержания мономеров в составе полимерных сеток увеличивается амплитуда термоиндуцированной контракции, уменьшается температура перехода полимерной сетки из набухшего в сжатое состояние. Из литерературных данных известно, что гомополимер ПЭГММА обладает нижней критической температурой растворения и лежит в интервале 85-120^ОС [3].

Как видно из данных, представленных на рисунке 1 (а, б), с повышением содержания мономеров МА и ЭА в составе сополимеров уменьшается температурный переход полимерной сетки из набухшего состояния в сжатое, т.е. происходит смещение температурного перехода в область более низких значений. Значение критических температур растворения можно регулировать в широких пределах изменения содержания гидрофобного сомономера в составе сополимера на основе ПЭГММА. Таким образом, полученные данные по фазовым диаграммам представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения температур фазового перехода для сополимеров на основе ПЭГММА-МА и ПЭГММА-ЭА

В работе также было изучено влияние концентрации сшивающего агента на термочувствительное поведение сополимеров ПЭГММА-МА и ПЭГММА-ЭА. Как показывает рисунок 2 (а, б) с уменьшением содержания СА в составе сополимеров НКТР смещается в область более высоких значений, тогда как для сополимеров с максимальной концентрацией СА 1% температурный переход находится в интервале 35-50^ОС.

При увеличении температуры часть водородных связей разрушается, а гидрофобные взаимодействия усиливаются, что приводит к дестабилизации сольватной оболочки полимера и фазовому расслоению с образованием гетерогенной системы. Поэтому для сополимеров ПЭГММА-МА при температуре 40 ^ОС наблюдается резкое повышение мутности системы, что обусловлено формированием более компактной структуры полимерной матрицы. С повышением температуры усиливаются внутри- и межмакромолекулярные гидрофобные взаимодействия, и, как следствие, наблюдается коллапс полимерных гидрогелей.

Рисунок 1. Зависимость набухающего поведения гидрогелей на основе ПЭГММА-МА (а) и ПЭГММА-ЭА (б) от температуры

Рисунок 2. Зависимость набухающего поведения гидрогелей на основе ПЭГММА-МА (а) и ПЭГММА-ЭА (б) от концентрации сшивающего агента

Таким образом, установлено, что полученные сшитые сополимеры на основе ПЭГММА-МА и ПЭГММА-ЭА проявляют термочувствительные свойства, а именно при повышении температуры наблюдается резкое сжатие полимерной сетки гидрогеля. При этом интервал температурного перехода можно регулировать варьированием содержания гидрофобного компонента МА и ЭА в составе сополимера, где их увеличение в ИМС приводит к уменьшению температурных переходов, при которых наблюдается коллапс.

Список литературы:

1. Furgeson D.Y., Dreher M.R., Chilkoti A. Structural optimization of a “smart” doxorubicinpolypeptide conjugate for thermally targeted delivery to solid tumors // J. Control. Release. – 2006. – Vol.110, №2. – P. 362–369.
2. Huber D.L., Manginell R.P., Samara M.A., Kim B.I., Bunker B.C. Programmed adsorption and release of proteins in a microfluidic device // Scie. - 2003. - Vol.301, №5631. - P. 352–354.
3. Koh A. Y. C., Saunders B. R. Thermally induced gelation of an oil-in-water emulsion stabilised by a graft copolymer //Chemical Communications. – 2000. – №. 24. – С. 2461-2462.
4. Pasparakis G., Cockayne, A., Alexander C. Control of bacterial aggregation by thermoresponsive glycopolymers // J. Am. Chem. Soc. - 2007. - Vol.129, №36. - P. 11014–11015.
5. Stayton P.S., Shimoboji T., Long C., Chilkoti A., Chen G., Harris J.M., Hoffman A.S. Control of protein-ligand recognition using a stimuli-responsive polymer // Nat. - 1995. - Vol. 378. - P. 472–475.