Полимерная композиция для получения криогелей поливинилового спирта и способ повышения их жесткости и теплостойкости
Владельцы патента RU 2678281:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) (RU)
Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений, а именно к полимерным криогелям и их получению с целью использования формируемых материалов в медицине, косметологии и технике. Полимерная композиция для получения криогеля поливинилового спирта включает поливиниловый спирт, диметилсульфоксид (ДМСО) и низкомолекулярную добавку, в качестве которой используют растворимые в ДМСО хаотропные вещества или их смеси. Способ повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС включает приготовление ДМСО-раствора полимера и низкомолекулярной добавки, 1-5- кратную криогенную обработку полученного раствора его замораживанием при температуре от -10 до -40ºС в течение 6-48 часов с последующим оттаиванием и, в случае необходимости, промывку водой для удаления водорастворимых веществ. Изобретение обеспечивает повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС при их формировании в среде ДМСО с добавками хаотропного вещества. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 10 пр.
Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений, а именно к полимерным криогелям и их получению с целью использования формируемых материалов в медицине, косметологии, технике и пр. Более конкретно изобретение относится к новой композиции для получения криогелей поливинилового спирта (ПВС), а также к способу повышения их жесткости и теплостойкости.
Полимерные криогели - это гетерофазные макропористые гели, сформированные в результате так называемого криоструктурирования после криогенной обработки, т.е. замораживания растворов или дисперсий мономерных и полимерных предшественников, выдерживания таких систем в замороженном состоянии и последующего оттаивания [V.I. Lozinsky, О. Okay. Basic principles of cryotropic gelation // Adv. Polym. Set, V. 263, p. 49-101 (2014)]. Сами же криогели бывают трех основных типов: а) химически-сшитые с ковалентными межмолекулярными связями пространственной полимерной сетки; б) физические, у которых узлы полимерной сетки стабилизированы нековалентными взаимодействиями (водородные связи, гидрофобные контакты); в) ионные и координационно-ионные, у которых узлы полимерной сетки стабилизированы ионными или координационными связями с низкой константой диссоциации. Криогели поливинилового спирта, являющиеся объектом предлагаемого изобретения, относятся ко второму (б) типу указанных систем. Для формирования таких криогелей готовят 5-20%-ные растворы полимера, их замораживают при -5…-196°С в течение различного времени и затем оттаивают, причем подобные циклы криогенной обработки могут быть повторены несколько раз [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии, Т. 67, №7, С. 641-655 (1998)].
В настоящее время криогели ПВС находят применение в медицине, например, как материалы для имплантатов [G. Donoziere, D. Tomko, A. Ghodadra. Methods and systems for forming implant with selectively exposed mesh for fixation and related implants // US Patent No. 7,879,100 (2011); M.I. Baker, S.P. Walsh, Z. Schwatz, B.D. Boyan. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications // J. Biomed. Mater. Res., V. 100B, p. 1451-1457 (2012)], в биотехнологии в качестве носителей иммобилизованных ферментов, иммуноаффинных лигандов и целых клеток [V.I. Lozinsky, I. Yu. Galaev, F.M. Plieva, I.N. Savina, H. Jungvid, B. Mattiasson. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest // Trends in Biotechnol., V. 21, No. 10, p. 445-451 (2003); В.И. Лозинский. Новое семейство макропористых и сверхмакропористых материалов биотехнологического назначения - полимерные криогели // Известия РАН, Сер. хим. №5. С. 996-1013 (2008)], строительной инженерии [N.K. Vasiliev, A.D.C. Pronk, I.N. Shatalina, F.H.M.E. Janssen, R.W.G. Houben. A review on the development of reinforced ice for use as a building material in cold regions // Cold Reg. Sci. Techn., V. 115, No. 1, p. 56-63 (2015)], экологии [В.И. Лозинский, Е.С. Вайнерман, С.В. Рогожин, Е.Н. Барковская, В.Н. Разбегин, А.А. Чапаев, Р.В. Максимяк. Способ закрепления оттаявшего грунта // А.с. СССР №1705500 (1990), Б.И. №2 (1992); Л.К. Алтунина, М.С. Фуфаева, Д.А. Филатов, Л.И. Сваровская, Е.А. Рождественский, Т. Ган-Эрдене. Влияние криогеля на свойства почвы // Почвоведение, №5, 563-570 (2014)] и др.
Наиболее часто в качестве дисперсионной среды при получении исходных растворов ПВС, подвергаемых затем криоструктурированию, используют водные среды [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии, Т. 67, №7, С. 641-655 (1998); C.M. Hassan, N.A. Peppas. Structure and application of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods // Adv. Polym. Sci., V. 153, p. 37-65 (2000); В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, Б.Л. Шаскольский, Т.А. Бабушкина, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 27. Физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта и особенности их макропористой морфологии // Колоидн. журн., Т. 69, №6, С. 798-816 (2007)], но известны примеры криогелей ПВС, сформированных из растворов этого полимера в органической среде, в частности в диметилсульфоксиде (ДМСО). Впервые возможность приготовления таких криогелей была продемонстрирована более 30 лет назад, когда было найдено, что 10-16%-ные растворы ПВС в ДМСО претерпевают золь-гель переход в результате замораживания при -20°С и последующего оттаивания [С.В. Рогожин, В.И. Лозинский, Е.С. Вайнерман, Л.В. Домотенко, A.M. Мамцис, С.А. Иванова, М.И. Штильман, В.В. Коршак. Нековалентное криоструктурирование в полимерных системах // Докл. АН СССР, Т. 278, №1, С. 129-133 (1984)]. При этом физико-химические свойства и микроструктура криогелей, сформированных из растворов ПВС в ДМСО (далее сокращенно называемых КГПВСДМСО), существенно отличаются от свойств эквиконцентрированных по полимеру криогелей ПВС, полученных в аналогичных условиях криогенной обработки водных растворов ПВС (далее сокращенно называемых ). В частности, КГПВСДМСО менее жесткие и теплостойкие по сравнению с .
Например, известен способ получения КГПВСДМСО замораживанием 15%-ного ДМСО-раствора ПВС при -20°С в течение 3 ч с последующим выдерживанием образца в воде при комнатной температуре в течение 4 суток для оттаивания и замещения ДМСО водой [S.H. Hyon, Y. Ikada. Porous and transparent poly(vinyl alcohol) gel and the method of manufacturing the same // US Patent No. 4,663,358 (1987)]. Прочность такого, сформированного в среде ДМСО криогеля ПВС, равная 13 кгс/см2, почти вдвое ниже прочности образца сравнения (25 кгс/см2), сформированного в аналогичном режиме из 15%-ного водного раствора ПВС [S.H.Hyon, W.I.Cha, Y.Ykada. Preparation of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogel // Polym. Bull., V. 22, No. 2, p. 119-122 (1989)], т.е. эквиконцентрированные В отношении полимера образцы КГПВСДМСО значительно уступают по прочностным показателям соответствующим криогелям, полученным в водной среде (т.е. ).
В то же время известно, что внесение добавок воды в исходный ДМСО-раствор ПВС перед его замораживанием приводит после криогенной обработки таких растворов к криогелям, обладающим еще меньшей жесткостью, чем эквиконцентрированные КГПВСДМСО, сформированные в отсутствие добавок. Причем, с повышением содержания воды с составе растворителя от 25 до 75% «ослабляющий» эффект усиливается [H. Trieu, S. Qutubuddin. Poly(vinyl alcohol) hydrogels. 2. Effects of processing parameters on structure and properties // Polymer, V. 36, No. 13, 2531-2539 (1995)]. Отсюда следует, что в смесях ДМСО с водой последняя в определенной степени снижает эффективность криотропного гелеобразования ПВС.
В свою очередь, известно, что при формировании различные низкомолекулярные добавки, в зависимости от их природы и концентрации, могут либо приводить к снижению жесткости и теплостойкости криогелей, препятствуя межмолекулярному водородному связыванию ПВС (подобные добавки называют хаотропными агентами), либо могут способствовать повышению жесткости и теплостойкости криогелей за счет промотирования водородного связывания между ОН-группами цепей ПВС (такие вещества называют космотропными или антихаотропными агентами), либо же определенные добавки могут не оказывать существенного влияния на характеристики получаемых гелевых матриц.
В этой связи, при формировании криогелей ПВС в водных средах повышение концентрации добавок хаотропных неорганических солей (в частности, хлористого лития или роданида натрия) в исходных растворах полимера вызывает прогрессивное падение жесткости и теплостойкости соответствующих вплоть до полного подавления гелеобразования, тогда как введение возрастающих количеств космотропных солей (например, фторида или сульфата натрия) приводит к формированию все более жестких и высокоплавких криогелей [V.I. Lozinsky, L.V. Domotenko, A.L. Zubov, I.A. Simenel. Study of cryostructuration of polymer systems. XII. Poly(vinyl alcohol) cryogels: influence of low-molecular electrolytes // J. Appl. Polym. Sci., V.61, No. 11, p. 1991-1998 (1996); B.И. Лозинский, Н.Г. Сахно, Л.Г. Дамшкалн, И.В. Бакеева, В.П. Зубов, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 31. Влияние добавок хлоридов щелочных металлов на физико-химические свойства и морфологию криогелей поливинилового спирта // Коллоидн. журн., Т. 73, №2, С. 225-234 (2011)].
Таким образом, известным способом повышения физико-механических и теплофизических характеристик криогелей ПВС является усиление эффективности водородного связывания при криотропном гелеобразовании ПВС за счет введения добавок космотропных агентов в исходный раствор полимера.
Однако большинство низкомолекулярных неорганических солей, проявляющих антихаотропные свойства в водных средах, плохо растворимы в ДМСО. Поэтому для повышения жесткости и теплостойкости КГПВСДМСО было бы желательно использовать низкомолекулярные органические космотропы, хорошо растворимые в ДМСО, тем более что для криогелей ПВС, сформированных криогенной обработкой водных растворов полимера, известны «усиливающие» эффекты таких космотропных органических веществ, как трегалоза или гидроксипролин, но «ослабляющее» влияние таких хаотропных органических веществ, как, например, мочевина или гидрохлорид гуанидина [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, Т. XXVII, №3, С. 73-77 (2013)]. Например, В результате замораживания в течение 12 ч при -20°С водных растворов ПВС (100 г/л), содержащих до 1 моль/л трегалозы или гидроксипролина, и последующего оттаивания замороженных образцов получались криогели, жесткость которых повышалась в 1.7-2 раза по сравнению с эквиконцентрированным криогелем, не содержащим низкомолекулярных добавок, а температура плавления возрастала на 7-8°С. В то же время, добавки хаотропных мочевины или хлоргидрата гуанидина существенным образом подавляли гелеобразование ПВС, поэтому соответствующие криогели удавалось сформировать при концентрациях этих низкомолекулярных веществ не выше 0.5 моль/л, при этом жесткость и теплостойкость полученных криогелей были значительно ниже, чем у , сформированных в отсутствие добавок (фиг. 1а и 1б соответственно).
Данные технические решения, известные из публикации [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, Т. XXVII, №3, С. 73-77 (2013)], т.е. композиция для получения криогелей поливинилового спирта, включающая ПВС, растворитель, в качестве которого используют воду, и низкомолекулярную добавку, способствующую образованию криогелей с повышенной жесткостью и теплостойкостью, а также способ повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС, включающий введение в исходный раствор полимера низкомолекулярной добавки, в качестве которой используют космотротропные органические вещества, например трегалозу или гидроксипролин наиболее близки к заявляемым техническим решениям по ряду существенных признаков и поэтому были выбраны в качестве прототипов.
В литературе не обнаружено данных о влиянии низкомолекулярных хаотропных добавок различной природы на свойства КГПВСДМСО, формируемых из ДМСО-растворов ПВС. В отношении же действия космотропных добавок, исходя из уровня техники можно было ожидать, что их введение в ДМСО-растворы ПВС (как и в случае водных растворов ПВС) тоже приведет к образованию криогелей с повышенной жесткостью и теплостойкостью после криогенной обработки, тогда как характер влияния хаотропных добавок, в принципе, не должен отличаться от указанных выше эффектов, известных для .
Задачей заявляемого изобретения является создание новой композиции для получения криогелей поливинилового спирта с повышенной жесткостью и теплостойкостью, формируемых криогенной обработкой ДМСО-растворов ПВС, и разработка способа повышения жесткости и теплостойкости таких криогелей.
Указанная задача решается:
а) составом полимерной композицией для получения криогелей поливинилового спирта, включающей поливиниловый спирт, растворитель и низкомолекулярную добавку, причем в качестве растворителя используют диметилсульфоксид, а в качестве низкомолекулярной добавки - растворимое в диметилсульфоксиде хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ при следующем содержании компонентов в 1 л композиции: поливиниловый спирт - 80-140 г, низкомолекулярная добавка - 0.5-4.0 моль, диметилсульфоксид - остальное; и
б) способом повышения жесткости и теплостойкости криогеля поливинилового спирта, включающим приготовление раствора полимера и низкомолекулярной добавки, представляющей собой хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ, в диметилсульфоксиде, 1-5-кратную криогенную обработку полученного раствора его замораживанием при -10…-40°С в течение 6-48 ч с последующим оттаиванием и, в случае необходимости, промывку водой для удаления водорастворимых веществ.
Получаемый из заявляемой композиции криогель ПВС может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, гранул, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока), трубок и др.
Авторы настоящего изобретения предполагали, что введение низкомолекулярных космотропных веществ в исходный ДМСО-раствор ПВС, как и в случае водных растворов этого полимера, приведет после криогенной обработки к образованию КГПВСДМСО с повышенной жесткостью и теплостойкостью. Предварительные эксперименты подтвердили правомерность сделанного предположения, а именно, введение добавок органических космотропов - трегалозы и гидроксипролина - в исходные ДМСО-растворы ПВС, позволили получить криогели с более высокими значениями модуля упругости и температуры плавления, по сравнению с КГПВСДМСО, сформированными в отсутствие таких добавок. Таким образом, растворимые в ДМСО органические космотропы оказывали на свойства образующихся криогелей такое же по своему характеру воздействие, что и на , т.е. из уровня техники такой способ повышения жесткости и теплостойкости КГПВСДМСО являлся вполне очевидным.
Принципиальным и совершенно неочевидным признаком заявляемого изобретения являет обнаруженный авторами ранее неизвестный и совершенно неожиданный «противоположный» водным средам эффект влияния добавок растворимых в ДМСО низкомолекулярных органических хаотропов на физико-химические характеристики образующих в их присутствии криогелей ПВС. Из уровня техники следовало, что в присутствии веществ, подавляющих водородное связывание между ОН-группами цепей ПВС, будет происходить ингибирование криотропного гелеобразования данного полимера, но оказалось, что наоборот: имеет место промотирование образования криогелей, причем образующиеся криогели обладают повышенной жесткостью и теплостойкостью по сравнению с эквиконцентрированными КГПВСДМСО, получаемыми в отсутствие добавок (см. таблицу примеров). Этот неожиданный результат, который не следует из уровня техники и не является очевидным для специалиста в данной области, подтверждает изобретательский уровень заявляемого изобретения.
Ниже рассматриваются основные факторы, определяющие конкретные параметры заявляемых технических решений.
Состав исходной полимерной композиции:
Ключевым и, как отмечено выше, неочевидным компонентом заявляемой композиции является низкомолекулярное хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ. Диапазон концентраций таких хаотропов в заявляемой композиции найден экспериментально, он находится в пределах от 0.5 до 4.0 моль/л. При концентрациях хаотропной добавки менее 0.5 моль/л наблюдаемые эффекты повышения жесткости и теплостойкости образующихся криогелей невелики (5-10%) по сравнению с образцами без добавок; при концентрациях заявляемой низкомолекулярной добавки выше 4 моль/л, во-первых, значителен ее расход, т.е. заметно возрастают материальные затраты на процесс в целом, и, во-вторых, резко понижается температура замерзания исходных ДМСО-растворов ПВС, что также нецелесообразно с экономической точки зрения из-за возрастающих энергозатрат. Максимальная концентрация добавки зависит также от предела ее растворимости в ДМСО.
Концентрация ПВС в заявляемой композиции зависит от двух основных факторов: при концентрациях этого гелеобразующего полимера ниже 80 г/л получаемые КГПВСДМСО имеют низкие прочностные характеристики (модуль упругости не выше 1-1.5 кПа), при концентрациях ПВС выше 140 г/л резко возрастает вязкость раствора полимера в ДМСО, что сильно затрудняет перемешивание системы и ее дозирование в формы для замораживания, т.е. ухудшается технологичность процесса в целом.
Режимы криотропного гелеобразования:
Приготовление исходного раствора ПВС в диметилсульфоксиде проводят обычными известными приемами, предпочтительнее при нагревании до 60-80°С, что, кроме того, способствует стерилизации получающегося раствора. Растворимые в диметилсульфоксиде низкомолекулярные добавки можно вводить либо непосредственно в полученный горячий раствор полимера, либо после его охлаждения до комнатной температуры.
Температурные режимы замораживания исходной полимерной композиции для формирования соответствующих криогелей ПВС определены экспериментально. Верхний предел температурного диапазона (-10°С) обусловлен тем, что при температуре выше -10°С из-за эффектов переохлаждения полимерные композиции заявляемого состава часто не замерзают, а нижний предел (т.е. -40°С) - тем, что замораживание исходного раствора ниже этого значения температуры, во-первых, не приводит к существенному повышению жесткости и теплостойкости конечных криогелей и, во-вторых, увеличивает энергозатраты. Поэтому использование более низких, чем -40°С, температур нецелесообразно.
Длительность криогенной обработки исходных ДМСО-растворов ПВС также найдена экспериментально и для заявляемого способа составляет от 6 до 48 ч.
Число циклов замораживания-оттаивания влияет на комплекс физико-химических показателей криогелей ПВС. Так, с ростом числа таких циклов, повышаются
прочностные характеристики [В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 28. Физико-химические свойства и морфология криогелей поливинилового спирта, сформированных многократным замораживанием-оттаиванием // Колоидн. журн., Т. 70, №2, 212-222 (2008)]. В отношении же криогелей ПВС, формируемых в среде ДМСО, да еще и в присутствии добавок низкомолекулярных хаотропов, такой информации не имеется. Эксперименты, проведенные авторами настоящего изобретения, продемонстрировали упрочняющие эффекты многократной криогенной обработки и для КГПВСДМСО (см. таблицу примеров). Поэтому в заявляемом способе предусмотрено осуществление не только одного цикла замораживания-оттаивания, но и нескольких таких циклов - до пяти. При этом определяющим число циклов моментом является соотношение стоимости процесса (многократная криогенная обработка в соответствующее число раз повышает энергозатраты) и достигаемого уровня повышения жесткости и теплостойкости получаемых криогелей.
Финальные обработки:
В случае необходимости, когда получаемые криогели ПВС должны функционировать в водном окружении, заявляемое техническое решение предусматривает промывку КГПВСДМСО водой известными приемами для удаления водорастворимых веществ, что также приводит к замещению ДМСО в образцах водой.
Заявляемая композиция для получения криогелей поливинилового спирта и способ повышения их жесткости и теплостойкости, а также заявляемая совокупность существенных признаков, ранее известны не были, то есть предлагаемые технические решения отвечают критерию «новизна».
Ниже описывается типичный пример осуществления изобретения, конкретные примеры в рамках заявляемых параметров суммированы в таблице под номерами 1-9; образцы сравнения (криогели ПВС, сформированные из ДМСО-растворов полимера без хаотропных добавок) даны под номером 10. Кроме того, приводятся рисунки, которые содержат следующую информацию:
Фиг. 1. Зависимости компрессионного модуля упругости Е (а) и температуры плавления Тпл (б) образцов от концентрации хаотропных добавок (1 - мочевина; 2 - хлоргидрат гуанидина) в исходном растворе ПВС (100 г/л) перед его криогенной обработкой (замораживание при -20°С в течение 12 ч) [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, T. XXVII, №3, 73-77 (2013)].
Фиг. 2. Зависимости компрессионного модуля упругости Е (а) и температуры плавления Тпл (б) образцов от концентрации биогенных хаотропных добавок (3 - аскорбиновая кислота; 4 - аргинин) в исходном растворе ПВС (100 г/л) перед его криогенной обработкой (замораживание при -20°С в течение 12 ч) [Е.С. Колесникова, О.Ю. Колосова, В.И. Лозинский. Криогели поливинилового спирта, содержащие добавки биологически активных веществ. // Успехи в химии и химической технологии, T. XXXI, №12, 21-23 (2017)].
Типичный пример осуществления изобретения:
Для приготовления исходного раствора ПВС сухой полимер диспергируют в расчетном объеме ДМСО и оставляют для набухания при комнатной температуре на 15 ч. Далее набухшую массу при постоянном перемешивании нагревают в течение часа на кипящей водяной бане до получения гомогенного раствора.
При получении криогелей ПВС в присутствии хаотропных добавок исходный ДМСО-раствор полимера термостатируют при 20°С в течение 30 мин и затем вносят расчетное количество добавки. Композицию интенсивно перемешивают до полного растворения внесенных компонентов, далее в течение 20 мин инкубируют в ультразвуковой бане для удаления пузырьков воздуха и дозируют в формы для замораживания. Образцы криогелей, предназначенные для измерения их физико-механических характеристик, формируют в разъемных дуралюминовых контейнерах с внутренним диаметром 15 мм и высотой 10 мм; для определения температур плавления криогелей образцы готовят в полиэтиленовых пробирках (внутренный диаметр - 10 мм), на дно которых помещают металлический шарик диаметром 3.5 мм и массой 0.275±0.050 г. Пробирки и/или контейнеры переносят в камеру программируемого криостата для криогенной обработки соответствующих растворов ПВС. Образцы замораживают при заданной отрицательной температуре в течение требуемого времени и затем производят их оттаивание.
Компрессионный модуль Юнга (Е) криогелей измеряют с помощью анализатора текстуры TA-Plus («Lloyd Instruments LTD», Великобритания) из прямолинейного участка зависимости напряжения от деформации при скорости одноосного приложения нагрузки 0.3 мм/мин. Измерения проводят до достижения 30%-ной деформации образца. Температуру плавления КГПВСДМСО определяют, помещая пробирки с криогелем, в нижней части столбика которого находится металлический шарик, вверх дном в водяную баню с мешалкой. Повышение температуры осуществляют со скоростью 0.4°С/мин. За точку плавления образца принимают температуру, при которой шарик, проходя через слой плавящегося геля, падает на пробку пробирки.
Измерение модулей упругости и температур плавления криогелей осуществляют для трех параллельных образцов, сами же криогели получают не менее чем в трех независимых экспериментах. Полученные результаты усредняют.
В случае необходимости замены ДМСО водой и удаления водорастворимых веществ образцы КГПВСДМСО погружают в сосуд с деионизованной водой и, периодически перемешивая, выдерживают при комнатной температуре в течение 7 суток с ежедневной сменой промывной воды.
Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества перед аналогами и прототипом:
1. В противоположность аналогам и прототипу, где добавки низкомолекулярных хаотропных веществ в водные растворы ПВС препятствуют формированию криогелей ПВС за счет ингибирования водородного связывания ОН-групп цепей полимера, в заявляемом техническом решении благодаря предложенному, причем совершенно неочевидному, составу исходной полимерной композиции, знак эффекта меняется на противоположный - добавки низкомолекулярных хаотропных веществ в ДМСО-растворы ПВС промотируют образование КГПВСДМСО. Таким образом, предлагаемое изобретение обладает существенно большей универсальностью в отношении возможностей получения этих полимерных материалов с разнообразными физико-химическими свойствами.
2. Существенным преимуществом заявляемого способа также является возможность достижения значительного повышения жесткости и теплостойкости получаемых криогелей ПВС. Так, модуль упругости образцов, сформированных однократной криогенной обработкой в присутствии 2-4 моль/л мочевины (примеры 1и - 1м в таблице), превышал аналогичный показатель для приготовленного в аналогичных условиях КГПВСДМСО в отсутствие добавок (пример 10и), в 4-22 раза. Температура плавления тех же образцов, т.е. их теплостойкость, повышалась с 47.1 до 53.5-66.5°С, т.е. примерно на 6-19 градусов, что для физических гелей, узлы пространственной сетки которых стабилизированы водородными связями, является очень сильным эффектом. В случае использования 3-кратного замораживания-оттаивания жесткость криогелей повышается в 11.5 раза (примеры 1н и 10л, соответственно), а температура плавления - почти на 20°С. Способностью повышать жесткость и теплостойкость криогелей ПВС обладают, как оказалось, не только незаряженные растворимые в ДМСО хаотропные органические вещества (примеры 1, 3, 4 в таблице), но и заряженные хаотропы (примеры 2 и 5), а также их смеси (примеры 6-9).
3. Также эксперименты показали, что после замены в сформированных криогелях диметилсульфоксида водой физико-механические характеристики образцов не ухудшались, а наоборот, жесткость образцов еще возрастала. Например, если для КГПВСДМСО, сформированного в присутствии 3.0 моль/л формамида, модуль упругости составлял около 100 кПа (пример 3е), то после промывки водой для удаления водорастворимых веществ (в данном случае ДМСО и формамида) у полученного в результате этот показатель оказался равным 170 кПа. В свою очередь, приготовленный практически в таких же условиях, но в водной среде в отсутствие добавок, криогель ПВС имел модуль упругости всего около 10.5 кПа (фиг. 1а и 2а). Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повышать жесткость не только КГПВСДМСО, но фактически и , что не реализуется техническими решениями аналогов и прототипа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
(а) ранее неизвестный и неочевидный эффект повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС при их формировании в среде ДМСО с добавками хаотропного вещества или смеси хаотропных веществ,
(б) возможность варьирования в широком диапазоне физико-химических характеристик криогелей ПВС технологически простым приемом введения в состав исходной композиции растворимых в ДМСО хаотропных агентов;
(в) достижение высоких значений жесткости и теплостойкости не только КГПВСДМСО, но и , получающихся после замены ДМСО водой в уже сформированном криогеле.
Наиболее эффективно заявляемые технические решения и получаемые по настоящему изобретению криогели ПВС могут быть использованы в биотехнологии, медицине, клеточной и тканевой инженерии, например при разработке искусственной хрящевой ткани
* Мольное соотношение.
** Суммарная мольная концентрация.
1. Полимерная композиция для получения криогеля поливинилового спирта, включающая поливиниловый спирт, низкомолекулярную добавку и диметилсульфоксид, отличающаяся тем, что в качестве низкомолекулярной добавки используют растворимое в диметисульфоксиде хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ при следующем содержании компонентов в 1 л композиции:
| поливиниловый спирт | 80-140 г |
| низкомолекулярная добавка | 0,5-4,0 моль |
| диметилсульфоксид | остальное |
2. Способ повышения жесткости и теплостойкости криогелей поливинилового спирта, включающий приготовление раствора полимера и низкомолекулярной добавки, представляющей собой хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ, в диметилсульфоксиде, 1-5-кратную криогенную обработку полученного раствора его замораживанием при температуре от -10 до -40°C в течение 6-48 ч с последующим оттаиванием и, в случае необходимости, промывку водой для удаления водорастворимых веществ.
