Электрически активные гидрофильные биополимеры
Настоящее изобретение относится к способу образования сшитого электронно-активного гидрофильного сополимера, гомогенному, изотропному, электронно-активному, гидрофильному сополимеру и раствору сомономеров, используемому для его получения. Способ включает следующие стадии: предоставление раствора сомономеров, содержащего по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент; и полимеризация данного раствора сомономеров. Гидрофильный мономер выбран из метакриловой кислоты, 2-гидроксиэтилметакрилата, этилакрилата, винилпирролидона, метилового эфира акриловой кистоты, монометакрилоилоксиэтилфталата, сульфатоэтилметакрилата аммония, поливинилового спирта или их комбинации. Гидрофобный мономер выбран из метилметакрилата, аллилметакрилата, акрилонитрила, метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силана, 2,2,2-трифторэтилметакрилата или их комбинации. По меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина, триптофана, гистидина, этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) и тирозина или их комбинации. Полученный электронно-активный сшитый гидрофильный сополимер подходит для использования в биомедицинских целях благодаря своей биологической приемлемости, гидрофильным свойствам, гибкости и устойчивости к химической деградации. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил., 4 табл., 6 пр.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к электронно-активным гидрофильным полимерам и их получению.
Предшествующий уровень техники
Электрохимические биомедицинские устройства, такие как поверхности контакта между нервной тканью и электронными системами в протезных устройствах, зависят от передачи и контроля как ионов, так и электронов. В связи с этим, в случае биомедицинских применений, желательно наличие способности раздельно управлять свойствами ионопроводящих материалов и электронно-проводящих материалов.
Ионопроводящие полимеры (ICP, от англ. - ionic conducting polymers) представляют собой материалы, в которых процесс проводимости по существу зависит от ионного переноса. Типичным примером традиционных твердых ЮР является Nafion®, катионный (протонный) проводник на основе фторуглеродов, который в промышленности стал стандартным материалом для получения топливных элементов на основе твердых полимеров и электролизаторов.
Электронно-проводящие полимеры (ЕСР, от англ. - electronic conducting polymers) хорошо известны и, под данным термином следует понимать - материалы, в которых процесс проводимости по существу зависит от переноса электронов. ЕСР включают полиацетилен, который достиг электрических проводимостей 107 См/м, приближаясь к электрической проводимости типичных металлов, в то время как коммерческие материалы, доставляемые в виде дисперсий в воде, например, полиэтилендиокситиофен : полистиролсульфонат (PEDOT:PSS, имеющийся в продаже как Clevios 500®), обладают проводимостью 3×104 См/м и превышают проводимость графита, обычно используемого в качестве проводника в топливных элементах. Несмотря на то, что данные материалы обладают полезными свойствами электронной проводимости, их степени биологической приемлемости не были доказаны, и таким образом они имеют ограниченную применимость в биомедицинской области.
В GB 2479449 раскрыт мембранный материал, содержащий электронно-проводящий полимер (ЕСР) и ионопроводящий полимер (ICP) с взаимопроникающей областью на их стыке. Мембранный материал состоит из области электронно-проводящего полимера и области гидрофильного ионопроводящего полимера. Данный материал по существу обладает электронной проводимостью только в области электронно-проводящего полимера, и любая гидрофильность по существу ограничивается гидрофильной ионопроводящей областью данного полимера.
Краткое изложение сущности изобретения
Обнаружили, что полимеризация раствора сомономеров, содержащего по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент, приводит к получению нового электронно-активного гидрофильного сополимера. Данный материал является гомогенным и изотропным в своих свойствах проводимости и в своих свойствах воды. Он является гидрофильным, с электронной проводимостью по всей его структуре. Получаемые сополимерные материалы подходят для биомедицинских применений благодаря своей биологической приемлемости, гидрофильным свойствам, гибкости и устойчивости к химической деградации.
В первом аспекте согласно настоящему изобретению предложен способ образования электронно-активного гидрофильного сополимера, включающий следующие стадии:
- предоставление раствора сомономеров, содержащего по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент; и
- полимеризация данного раствора сомономеров.
Во втором аспекте согласно настоящему изобретению предложен гомогенный, изотропный электронно-активный, гидрофильный сополимер, получаемый способом согласно первому аспекту изобретения
В третьем аспекте согласно настоящему изобретению предложен раствор сомономеров, содержащий по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент,
Другие аспекты определены в независимых пунктах формулы и включают различные биосовместимые медицинские устройства. Одно такое биосовместимое медицинское устройство представляет собой медицинское устройство, которое содержит суперконденсатор. Благодаря своим улучшенным электронным свойствам, сополимеры, описанные в данном документе, можно использовать в качестве компонента-электролита в системе суперконденсатора. Когда сополимеры, описанные в данном документе, используют в данном контексте, полученный суперконденсатор достигает особенно больших значений емкости, обеспечивая улучшенную эффективность рассматриваемого медицинского устройства. Кроме того, благодаря механическим свойствам сополимеров, описанных в данном документе, получаемый суперконденсатор не требует дополнительного сепаратора.
Описание предпочтительных воплощений
В контексте настоящего документа термин «мономер» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к молекулярному соединению, которое может химически связываться с другим мономером с образованием полимера.
В контексте настоящего документа термин «раствор сомономеров» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к раствору смешиваемых мономеров, который при полимеризации образует сополимер.
В контексте настоящего документа термин «сшивающий агент» относится к молекулярному соединению, способному к образованию химических связей между полимерными цепями, и включает соединения, такие как метилен-бис-акриламид, N-(1-гидрокси-2,2-диметоксиэтил)акриламид, аллилметакрилат и этиленгликольдиметакрилат. Аллилметакрилат и этиленгликольдиметакрилат являются предпочтительными. Сшивающий агент может быть гидрофобным или гидрофильным.
В контексте настоящего документа термин «инициатор полимеризации» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к агенту, способному инициировать процесс химической полимеризации, например, свободнорадикальной полимеризации. Азобисизобутиронитрил (AIBN) и 2-гидрокси-2-метилприофенон являются примерами таких инициаторов. Азобисизобутиронитрил (AIBN) имеет ценность, когда полимеризация происходит за счет тепловых средств, а 2-гидрокси-2-метилприофенон подходит для применения в УФ (ультрафиолетовое излучение)-полимеризации.
В контексте настоящего документа термин «промежуточный раствор» относится к раствору, к которому добавляют дополнительные компоненты. Например, в контексте образования раствора сомономеров термин «промежуточный раствор» относится к раствору, включающему некоторые, но не все компоненты полного раствора сомономеров.
В контексте настоящего документа термин «сополимер» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к полимеру, чьи полимерные цепи содержат два или более чем два разных типа мономеров.
В контексте настоящего документа термин «свойства воды», при использовании в отношении полимерного материала, относится к свойствам и поведению того полимерного материала в отношении воды и других водных сред, таких как солевой раствор, то есть его гидрофильности и стабильности в водной среде.
В контексте настоящего документа термин «гомогенный», при использовании в отношении полимерного материала, относится к полимерному материалу, чьи физические свойства (например, свойства проводимости и свойства воды) по существу являются одинаковыми по всей его структуре, то есть они находятся в одной «фазе».
В контексте настоящего документа термин «изотропный», при использовании в отношении полимерного материала, относится к полимерному материалу, чьи свойства являются одинаковыми по всем направлениям.
В контексте настоящего документа термин «гомогенный», при использовании в отношении раствора сомономеров, относится к раствору сомономеров, содержащему смешиваемые мономеры, которые равномерно смешиваются.
В контексте настоящего документа термин «гидрофильный полимер» относится к полимеру, который растворяется в воде, когда он не сшит и поглощает воду и набухает с образованием стабильной упругой твердой фазы, будучи сшитым.
В контексте настоящего документа термин «гидрофильный мономер» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к мономеру с аффинностью в отношении молекул воды. Термин «гидрофобный мономер» также принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к мономеру, который отталкивает молекулы воды.
В контексте настоящего документа термин «аминокислота» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к органическому соединению с амино- и карбоксильными функциональными группами и боковой цепью, которая индивидуальна для каждой аминокислоты. Данный термин охватывает традиционные «природные» аминокислоты, а также любое соединение с аминокислотным каркасом (то есть с любой боковой цепью).
В контексте настоящего документа термин «электрически активный» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом может охватывать как электронно-активные, так и ионно-активные материалы.
В контексте настоящего документа термин «электронно-активный материал» принимает свое обычное значение в данной области техники и относится к материалу, в котором процесс проводимости по существу зависит от переноса электронов, или в котором электрон образуется в результате отдачи на границе контакта.
В контексте настоящего документа термин «ионно-активный материал» принимает свое обычное значение в данной области техники и относится к материалу, в котором процесс проводимости по существу зависит от переноса ионов.
В контексте настоящего документа термины «биосовместимый» и «биологически приемлемый» используются взаимозаменяемо и принимают свое обычное значение в данной области техники, а именно способность определенного материала контактировать с живой системой, не оказывая неблагоприятного действия.
В контексте настоящего документа термин «жидкий электролит» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к раствору катионов (таких как калий, натрий, кальций и магний) и анионов (таких как хлорид, карбонат и фосфат), растворенных в растворителе, таком как вода, ацетонитрил, пропиленкарбонат или тетрагидрофуран. В контексте настоящего документа термин «водный электролит» принимает свое обычное значение в данной области техники и таким образом относится к водному раствору, содержащему катионы (такие как калий, натрий, кальций и магний) и анионы (такие как хлорид, карбонат и фосфат).
В первом аспекте согласно настоящему изобретению предложен способ образования электронно-активного гидрофильного сополимера, включающий следующие стадии:
- предоставление раствора сомономеров, содержащего по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент, и
- полимеризация раствора сомономеров.
Предпочтительно, по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина, триптофана, гистидина, тирозина и этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) или их комбинации. Обнаружили, что использование данных аминокислот приводит к получению гидрофильного полимера с особенно хорошими электронными свойствами. Не желая быть связанными какой-либо теорией, полагают, что сопряжение электронов в ароматической системе или неподеленных парах делокализованных электронов благоприятно меняет электронные свойства полимерного материала. Предпочтительно, раствор сомономеров содержит одну аминокислоту или две разные аминокислоты.
Предпочтительно, аминокислота выбрана из природной аминокислоты. Более предпочтительно, аминокислота выбрана из аминокислоты (предпочтительно природной аминокислоты), содержащей в своей боковой цепи ароматическую группу. Более предпочтительно по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина, триптофана, гистидина и тирозина или их комбинации. Еще более предпочтительно по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина и триптофана или их комбинации. В некоторых воплощениях раствор сомономеров содержит фенилаланин и триптофан.
В предпочтительном воплощении аминокислоту добавляют в виде твердого вещества к существующим компонентам раствора сомономеров. Твердая аминокислота может находиться в форме порошка.
Предпочтительно, по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из метакриловой кислоты, гидроксиэтилметакрилата (например, 2-гидроксиэтилметакрилата), этилакрилата, винилпирролидона (например, н-винил-2-пирролидона), метилового эфира акриловой кислоты (например, 2-метилового эфира акриловой кислоты), монометакрилоилоксиэтилфталата, поливинилового спирта, сульфатоэтилметакрилата аммония или их комбинации. Предпочтительно раствор сомономеров содержит один гидрофильный мономер.
Более предпочтительно, по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из винил-2-пирролидона и 2-гидроксиэтилметакрилата или их комбинации. Более предпочтительно, по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из 1-винил-2-пирролидона (VP) и 2-гидроксиэтилметакрилата или их комбинации.
Предпочтительно, по меньшей мере один гидрофобный мономер выбран из метилметакрилата, акрилонитрила, метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силана, 2,2,2-трифторэтилметакрилата, аллилметакрилата или их комбинации. Предпочтительно, раствор сомономеров содержит один гидрофобный мономер.
Более предпочтительно, по меньшей мере один гидрофобный мономер выбран из акрилонитрила и метилметакрилата или их комбинации.
Предпочтительно, по меньшей мере один сшивающий агент выбран из аллилметакрилата или этилгликольдиметакрилата. Предпочтительно, раствор сомономеров содержит один гидрофильный мономер.
Из приведенных выше определений ясно, что термины, используемые выше, не обязательно являются взаимоисключающими. Например, термины «гидрофобный мономер» и «сшивающий агент» не обязательно являются взаимоисключающими. В настоящем изобретении гидрофобный мономер и сшивающий агент могут быть одним и тем же или разными.
Гидрофобный мономер может в определенных воплощениях быть тем же, что и сшивающий агент. Например, в определенных воплощениях, как сшивающий агент, так и гидрофобный мономер могут представлять собой аллилметакрилат.
В некоторых воплощения гидрофильный мономер и/или гидрофобный мономер являются несшивающими. Отсутствует перекрывание между терминами «несшивающий гидрофобный мономер», «несшивающий гидрофильный мономер» и «сшивающий агент». В данных воплощениях сшивающий агент, гидрофобный мономер и гидрофильный мономеры представляют собой разные химические соединения.
Предпочтительно стадию полимеризации проводят посредством теплового, УФ- или гамма-излучения.
Более предпочтительно, стадию полимеризации проводят посредством УФ- или гамма-излучения.
В предпочтительном воплощении раствор сомономеров дополнительно содержит инициатор полимеризации. Инициатор полимеризации может представлять собой азобисизобутиронитрил (AIBN) или 2-гидрокси-2-метилприофенон.
Наличие инициатора полимеризации является особенно предпочтительным, когда полимеризация осуществляется посредством теплового или УФ-излучения. В одном воплощении полимеризация осуществляется с помощью тепловых средств, и инициатор представляет собой азобисизобутиронитрил (AIBN). В другом воплощении полимеризацию осуществляют посредством УФ-излучения, и инициатор представляет собой 2-гидрокси-2-метилприофенон.
Отдельные компоненты раствора сомономеров должны быть включены в достаточных количествах, так чтобы они однородно смешивались с образованием, таким образом, гомогенного раствора. Гидрофобный мономер может находиться в количестве от 5% до 80 мас. %, предпочтительно от 5 до 60 мас. %, наиболее предпочтительно 40-60 мас. % от общей массы раствора сомономеров. Гидрофильный мономер может находиться в количестве от 5% до 90 мас. %, предпочтительно от 5% до 80 мас. %, наиболее предпочтительно 40-60 мас. % от общей массы раствора сомономеров. Сшивающий агент может присутствовать в растворе сомономеров в количестве от 1% до 25 мас. %, предпочтительно от 2 до 15 мас. %, наиболее предпочтительно от 2% до 10 мас. % от общей массы раствора сомономеров. Аминокислота может находиться в количестве от 0,05% до 30 мас. %, предпочтительно от 0,1% до 10 мас. %, наиболее предпочтительно от 0,5% до 1,5 мас. % от общей массы раствора сомономеров.
Количество воды в растворе сомономеров должно быть достаточным для обеспечения однородно смешанного гомогенного раствора и должно быть достаточным для растворения по меньшей мере одной аминокислоты, которая нерастворима в мономерных компонентах и сшивающем агенте. Количество воды в растворе сомономеров может составлять от 1% до 50 мас. %, предпочтительно от 5% до 50 мас. %, наиболее предпочтительно от 5% до 15 мас. % от общей массы раствора сомономеров.
В предпочтительном воплощении сополимер является гидратированным после полимеризации. Данную стадию гидратации можно проводить с использованием дистиллированной деионизированной (ДД) воды или водного раствора, такого как физиологический раствор. Когда для стадии гидратации используют физиологический раствор, физиологический раствор предпочтительно имеет от 0,002 г/см3 до 0,1 г/см3 NaCl в воде, более предпочтительно от 0,009 г/см3 NaCl в воде. Предпочтительно, чтобы данная стадия гидратации приводила к тому, чтобы количество воды в сополимере составляло по меньшей мере 10 мас. %, предпочтительно по меньшей мере 20 мас. % от общей массы гидратированного сополимера. Не желая быть связанными какой-либо теорией, когда вода присутствует в данном количестве, тогда она может действовать как «пластификатор» и делает возможным, чтобы другие компоненты сополимера обладали достаточной межмолекулярной подвижностью, так что конформация сомономера самоорганизуется с течением времени. Например, данная самоорганизация может происходить в период примерно 7-14 суток. Наблюдали, что после изготовления и/или дополнительной гидратации электрические свойства сополимера улучшаются со временем.
Раствор сомономеров может быть получен и полимеризован с использованием УФ-, гамма- или теплового излучения. УФ- или гамма-излучение можно проводить при температуре и давлении окружающей среды, в то время как термическую полимеризацию можно проводить при температурах вплоть до 70°С.
Раствор сомономеров может быть получен в результате смешивания компонентов раствора в целом ряде разных порядков. В одном воплощении сначала смешивают гидрофильные и гидрофобные мономеры, и затем добавляют воду с последующим добавлением аминокислоты и сшивающего агента. В другом воплощении аминокислота может быть растворена в воде, и полученный раствор аминокислоты добавляют к смеси гидрофильных мономеров, гидрофобных мономеров и сшивающего агента.
Предпочтительно раствор сомономеров получен посредством:
смешивания по меньшей мере одного гидрофобного мономера и по меньшей мере одного гидрофильного мономера в воде с образованием промежуточного раствора; и
добавления по меньшей мере одной аминокислоты и сшивающего агента к промежуточному раствору с образованием раствора сомономеров.
Это является особенно предпочтительным воплощением первого аспекта изобретения - неожиданно обнаружили, что смешивание компонентов полимера данным образом обеспечивало вплоть до вдвое большего растворения аминокислоты в растворе сомономеров, по сравнению с растворением иным образом в количестве воды, находящейся в растворе сомономеров. Растворение большего количества аминокислоты в растворе сомономеров является желательным, так как это приводит к включению большего числа аминокислот в полимер и таким образом обеспечивает особенно улучшенные электронные свойства. Это продемонстрировано в Примерах.
Предпочтительно, соотношение, по объему, гидрофильного мономера и гидрофобного мономера и воды в промежуточном растворе составляет 2:1 до 10:1. Более предпочтительно, соотношение, по объему, гидрофильного мономера и гидрофобного мономера и воды в промежуточном растворе составляет 4:1.
Предпочтительно, соотношение, по объему, гидрофильного мономера и гидрофобного мономера в промежуточном растворе составляет от 10:1 до 1:5. Более предпочтительно, соотношение, по объему, гидрофильного мономера и гидрофобного мономера в промежуточном растворе составляет 1:1.
Наиболее предпочтительно, соотношение, по объему, гидрофильного мономера, гидрофобного мономера и воды в промежуточном растворе составляет 1:1:0,5.
Предпочтительно, сополимер после полимеризации является гидратированным. Более предпочтительно, сополимер гидратирован, так что гидратированный сополимер содержит по меньшей мере 10 мас. % воды, предпочтительно по меньшей мере 20 мас. % воды от общей массы гидратированного сополимера.
Предпочтительно, сополимер хранят в течение по меньшей мере 7 суток, предпочтительно в течение по меньшей мере 14 суток после гидратации.
В предпочтительном воплощении способ образования электронно-активного гидрофильного сополимера включает следующие стадии:
предоставление раствора сомономеров, состоящего из гидрофобного мономера, гидрофильного мономера, воды, аминокислоты и сшивающего агента; и
полимеризация раствора сомономеров.
Во втором аспекте согласно настоящему изобретению предложен гомогенный и изотропный электронно-активный гидрофильный сополимер, получаемый способом по любому из воплощений, установленных в отношении первого аспекта изобретения. Полагают, что такой гомогенный сополимер является новым.
В третьем аспекте согласно настоящему изобретению предложен раствор сомономеров, содержащий по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент.
Предпочтительные гидрофобные мономеры, гидрофильные мономеры, аминокислоты и сшивающие агенты определены выше.
Упомянутые выше растворы сомономеров приводят к получению гомогенных, изотропных электронно-активных гидрофильных сополимеров согласно настоящей заявке.
Сополимеры по изобретению можно использовать в различных применениях, и они являются особенно полезными, когда желательным является биосовместимый материал. Например, сополимеры по изобретению можно использовать в биосовместимых медицинских устройствах, таких как поверхности контакта с нервами, кохлеарные имплантаты и искусственные водители ритма. Гидрофильные свойства материалов по изобретению делают их особенно подходящими в биомедицинских применениях.
В одном воплощении рассматриваемое биосовместимое медицинское устройство включает суперконденсатор, где сополимеры, раскрытые в данном документе, используются в качестве компонента-электролита в системе суперконденсатора. Как понятно специалисту, суперконденсатор обычно содержит два электрода и компонент-электролит, расположенный между ними. Максимальная величина емкости, достигаемая с помощью суперконденсатора, может зависеть от природы электролита, а также природы электродов. Как также понятно специалисту, существует множество разных видов систем суперконденсаторов. Данные системы суперконденсаторов включают двуслойные суперконденсаторы, псевдоемкостные суперконденсаторы и гибридные суперконденсаторы. Двуслойные суперконденсаторы обычно содержат углеродные электроды, которые обладают относительно низкой стоимостью. Емкость двуслойных суперконденсаторов представляет собой главным образом электростатическую емкость. Между тем, псевдоемкостные суперконденсаторы содержат относительно более дорогостоящие электроды, которые способны вступать в окислительно-восстановительную (редокс) реакцию с электролитом. Такие редокс-активные электроды могут содержать, например, лантан, рутений или ванадий. Емкость псевдоемкостных суперконденсаторов, вследствие этого, значительно возрастает (или увеличивается) на электрохимическую емкость. Гибридные суперконденсаторы содержат комбинацию электродов с различающимися характеристиками и могут, например, содержать один углеродный электрод и один электрод, способный вступать в редокс реакцию с электролитом. Емкость гибридных суперконденсаторов, таким образом, представляет собой сочетание электростатической емкости и электрохимической емкости. Обычно компонент-электролит в описанных выше системах суперконденсаторов представляет собой жидкий электролит, и такие жидкие электролиты обычно не являются биоприемлемыми и не могут, вследствие этого, использоваться in vivo без значительного риска и масштабных герметизирующих систем.
Когда вместо традиционного жидкого электролита суперконденсатора используют сополимеры, раскрытые в данном документе, полученный суперконденсатор достигает особенно высоких значений емкости. Когда сополимеры, раскрытые в данном документе, используют в двуслойном суперконденсаторе, достигаемые значения емкости на три порядка больше, по сравнению со значениями емкости, которые достигаются с помощью традиционного жидкого электролита. Когда сополимеры, раскрытые в данном документе, используют в псевдоемкостном суперконденсаторе, данные высокие значения емкости сохраняются. Хорошие значения емкости также достигаются в случае гибридных суперконденсаторов. В итоге, для данной системы суперконденсатора и с данным электродом максимальная емкость увеличивается при использовании сополимеров, раскрытых в данном документе, в качестве компонента-электролита в суперконденсаторе. Кроме того, электролитические свойства данных сополимеров остаются превосходными при гидратации в физиологическом растворе медицинского уровня качества, предоставляя, таким образом, электрические аккумулирующие устройства, особенно подходящие для медицинских применений. Кроме того, сополимеры остаются стабильными в коммерчески приемлемом диапазоне напряжений.
Кроме того, сополимеры, раскрытые в данном документе, являются механически стабильными. Благодаря данным улучшенным механическим свойствам, суперконденсатор, включающий сополимеры, раскрытые в данном документе, в качестве компонента-электролита, не требует дополнительного сепаратора. Обычно, когда в системе суперконденсатора используют жидкий электролит, необходимо, чтобы суперконденсатор дополнительно содержал дополнительный сепаратор для поддержания разделения между данными двумя электродами. Когда вместо традиционного жидкого электролита используют сополимеры, описанные в данном документе, их механические свойства и самоподдерживающаяся природа являются такими, что разделение между электродами поддерживается даже в отсутствии дополнительного сепаратора.
В другом воплощении сополимеры, раскрытые в данном документе, используют в биосовместимой сенсорной системе. Сенсорные системы могут включать один или более чем один химический компонент, где данные химические компоненты способны выявлять определенное соединение. Такие сенсорные системы имеют широкое применение в биомедицинском контексте. Преимущественно, данный один или более чем один химический компонент может быть диспергирован по всей структуре сополимеров, раскрытых в данном документе, и полученный сополимер включен в сенсорную систему. Сополимеры, раскрытые в данном документе, работают как поддерживающая матрица для химических компонентов, где химические компоненты стабильно удерживаются в структуре сополимера и их сенсорная способность сохраняется. Конкретные соединения, выявляемые такими сенсорными системами, могут включать глюкозу. Специалист будет хорошо знаком с химическими компонентами, способными выявлять глюкозу, и такие химические компоненты могут включать реактив Бенедикта (который содержит безводный карбонат натрия, цитрат натрия и пентагидрат сульфата меди(II)).
В другом воплощении сополимеры, раскрытые в данном документе, используют в фотовольтаической ячейке. Оптическая прозрачность сополимеров, раскрытых в данном документе, обеспечивает эффективное функционирование фотовольтаической ячейки.
В другом воплощении сополимеры, раскрытые в данном документе, можно использовать для образования электропроводящего адгезивного сочленения, где данное адгезивное сочленение расположено между соседними электропроводящими компонентами. Предпочтительно, соседние электропроводящие компоненты вместе с адгезивным сочлененем образуют стопку интегральных схем, например, стопку 2D (двумерных) электрических чипов, которая может быть включена в биомедицинские устройства.
Теперь настоящее изобретение будет продемонстрировано согласно следующим примерам.
Пример 1
Способ 1, в котором аминокислоты или кислоты растворяют в воде, причем полученный раствор добавляют к другим сомономерам
Раствор фенилаланина в воде получали растворением 0,32 г фенилаланина в 10 мл воды при 50°С при перемешивании с использованием магнитной мешалки. (Это являлось максимальной концентрацией, возможной при данной температуре, и согласовывалось с опубликованными данными, связывающими концентрацию с температурой). Затем 25% по объему (0,5 мл) водного раствора по каплям добавляли к перемешанной смеси, состоящей из 1 мл акрилонитрила и 1 мл 1-винил-2-пирролидона (всего 2 мл). Затем к данной смеси добавляли 0,075 мл аллилметакрилата в качестве сшивающего агента и 0,05 мл 2-гидрокис-2-метилприофенона в качестве инициатора. Затем ее отверждали под действием УФ-излучения в течение приблизительно 10 минут до тех пор, пока в результате не получали твердый сшитый сополимер. Для термической полимеризации можно использовать альтернативные инициаторы, такие как AIBN.
Проводимость тестировали, и результаты показаны в Таблице 1 (ниже) и на Фиг. 1.
Материал тестировали двумя путями:
(i) установить эффект циклического изменения температуры, поскольку в других тестах демонстрировали, что кристаллы аминокислот, образованные в результате циклического изменения температуры смеси мономеров (температуры от температуры окружающей среды до 50°С), и это было необходимым доказательством какого-либо эффекта роста кристаллов на электрические свойства.
Обеспечивая изменение коэффициента теплового расширения (что подразумевает изменение поглощения воды после циклического изменения температуры смеси мономеров), отсутствие корреляции с циклическим изменением температуры было очевидным.
(ii) установить изменение электрических свойств со временем после изготовления. Было ясно, что пиковое значение тока увеличивалось с течением времени, если образцы хранили при температуре окружающей среды и поддерживали гидратацию. В данном случае тесты прекращали после 7 суток, когда определяли 2-х - 4-х кратное возрастание исходного тока.
Пример 2
Способ 2, в котором аминокислоту или кислоты растворяют в предварительно смешанном растворе, состоящем из других сомономеров и воды
Раствор, полученный смешиванием 1 мл акрилонитрила и 1 мл 1-винил-2-пирролидона с 0,5 мл воды. Добавляли 0,02 г фенилаланина и смесь нагревали при 50°С и перемешивали магнитной мешалкой. Обнаружили, что количество аминокислоты, которое могло бы полностью раствориться в смеси мономер плюс вода, превышало максимальную концентрацию, возможную при данной температуре, осуществимой с помощью Способа 1, и значительно превышало количество, приведенное в опубликованных данных.
К смеси добавляли 0,075 мл аллилметакрилата в качестве сшивающего агента и 0,05 мл 2-гидрокси-2-метилприофенона в качестве инициатора. Затем ее отверждали под действием УФ-излучения в течение 10 минут с получением твердого сшитого сополимера.
Сшитые полимеры гидратируют в ДД воде до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, и электрические свойства периодически тестируют через 13 суток. Гидратированные образцы хранят герметично запечатанными так, чтобы минимизировать потерю воды и измеряют коэффициент теплового расширения для определения того, является ли дополнительная влага необходимой для поддержания уровня гидратации для данных измерений.
Электрические свойства показаны на Фиг. 2 и приведены в Таблице 2 (ниже). Как можно видеть, измеренный максимальный ток увеличивался в 30 раз за период тестирования.
Пример 3
Образцы, полученные из смеси двух аминокислот с использованием способа 2, в котором данные аминокислоты растворяют в предварительно смешанном растворе, состоящем из других сомономеров и воды
Раствор получали в результате смешивания 1 мл акрилонитрила и 1 мл 1-винил-2-пирролидона с 0,5 мл воды. Добавляли 0,02 г фенилаланина и 0,06 г триптофана и смесь перемешивали и нагревали при 50°C с магнитной мешалкой. К смеси добавляли 0,075 мл аллилметакрилата в качестве сшивающего агента и 0,05 мл 2-гидрокси-2-метилприофенона в качестве инициатора. Затем ее отверждали под действием УФ-излучения с получением сшитого сополимера.
Тестировали проводимость и результаты показаны на Фиг. 3. Электрические измерения опять же показывали увеличение максимального тока с течением времени после гидратации.
Примеры 4-5
Терминология в таблице ниже охватывает примеры 4-5:
В Примерах 4-5 получали разные сополимеры. Сополимеры в примерах 4-5 перечислены в таблице ниже и их получали с использованием методологии, похожей на методологию примеров 1-3: В примерах 4-5 будет использоваться сокращенный термин, приведенный в столбце «сополимер» нижеприведенной таблицы:
Электрические свойства сополимеров примеров 4-5 тестировали в потенциостатических условиях либо в цилиндрическом электродном устройстве, либо плоском электродном устройстве.
Цилиндрическое электродное устройство содержит рабочий и противоэлектроды, которые представляют собой стеклоуглеродные стержни с поперечным сечением 0,06 см2. Поверхности электродов являются макроскопически гладкими, таким образом, их поперечные сечения могут быть приняты за эффективную электроактивную область. Квази-электрод сравнения состоит из Ag проволоки, вставленной в активную полимерную пленку.
Плоское электродное устройство использовали для того, чтобы оценить пригодность данных материалов для больших геометрических площадей (больше 5 см2).
Все измерения записывали с помощью Ivium - Compactstat в условиях окружающей среды и влажности. Необратимые изменения в структуре сополимера (например, переокисление) отслеживали посредством систематического анализа потенциала разомкнутой цепи между рабочим электродом и электродом сравнения.
Пример 4
Два сополимера VP:EDTA:H2O получали, используя методологию, похожую на методологию примеров 1-3. Затем первый сополимер гидратировали в дважды дистиллированной воде, а второй сополимер гидратировали в физиологическом растворе (0,9 г NaCl в 100 мл дважды дистиллированной воды).
Два сополимера VP:PHENYL:H2O получали, используя методологию, похожую на методологию примеров 1-3. Затем первый сополимер гидратировали в дважды дистиллированной воде, а второй сополимер гидратировали в физиологическом растворе (0,9 г NaCl в 100 мл дважды дистиллированной воды).
Электрические свойства каждого из указанных выше четырех сополимеров тестировали, и результаты показаны на Фиг. 4 (VP:EDTA:H2O, гидратированный в дважды дистиллированной воде), Фиг. 5 (VP:EDTA:H2O, гидратированный в физиологическом растворе), Фиг. 6 (VP:PHENYL:H2O, гидратированный в дважды дистиллированной воде) и Фиг. 7 (VP:PHENYL:H2O, гидратированный в физиологическом растворе).
Фиг. 4-7 представляют собой циклические диаграммы вольтамперометрии при скоростях сканирования 50, 100, 150 и 200 мВ с-1. На данных графических материалах показано увеличение емкостного тока при гидратации в физиологическом растворе при данной потенциальной скорости сканирования. Данные графические материалы указывают на то, что после гидратации осуществляется пропитывание ионами сополимерной матрицы, которое обеспечивает образование более компактного электрохимического двойного слоя на поверхности электрода. Данные результаты, таким образом, доказывают возможность включения химических компонентов в полимерную матрицу для использования в применениях сенсорных систем.
Пример 5
Сополимер VP:PHENYL:H2O получали, используя методологию, похожую на методологию примеров 1-3. Затем сополимер гидратировали в физиологическом растворе.
Сополимер VP:EDTA:H2O получали, используя методологию, похожую на методологию примеров 1-3. Затем сополимер гидратировали в физиологическом растворе.
Электрические свойства каждого из указанных выше двух сополимеров тестировали, и результаты показаны на Фиг 8. На Фиг, 8 представлены в виде графика заряды, полученные посредством интеграции хроноамперометрического переходного процесса с 1 В до разных отрицательных потенциалов, как функция амплитуды скачка потенциала.
На данной фиг. показано, что каждый сополимер демонстрирует суперемкостное поведение. Емкость каждого сополимера составляет порядка 0,005 Ф см-2.
Пример 6
Сополимер VP:PHENYL получали, используя методологию, похожую на методологию примеров 1-3. Затем сополимер гидратировали в физиологическом растворе. Тестировали электрические свойства. Результаты показаны на Фиг. 9.
На Фиг. 9 показана частотная зависимость феноменологической удельной емкости сополимера. Значения емкости получали посредством изучения электрохимической импедансной спектроскопии при потенциале разомкнутой цепи. Удельная емкость достигает значений, близких к 0,004 Фг-1.
1. Способ образования сшитого электронно-активного гидрофильного сополимера, включающий следующие стадии: - предоставление раствора сомономеров, содержащего по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент, и - полимеризация данного раствора сомономеров; где по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из метакриловой кислоты, 2-гидроксиэтилметакрилата, этилакрилата, винилпирролидона, метилового эфира акриловой кислоты, монометакрилоилоксиэтилфталата, сульфатоэтилметакрилата аммония, поливинилового спирта или их комбинации; где по меньшей мере один гидрофобный мономер выбран из метилметакрилата, аллилметакрилата, акрилонитрила, метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силана, 2,2,2-трифторэтилметакрилата или их комбинации; где по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина, триптофана, гистидина, этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) и тирозина или их комбинации.
2. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина и триптофана или их комбинации.
3. Способ по любому из пп. 1, 2, в котором по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из винилпирролидона и гидроксиэтилметакрилата или их комбинации.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором по меньшей мере один гидрофобный мономер выбран из акрилонитрила и метилметакрилата или их комбинации.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором сшивающий агент представляет собой аллилметакрилат или этиленгликольдиметакрилат.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором как сшивающий агент, так и гидрофобный мономер представляет собой аллилметакрилат.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором стадию полимеризации проводят посредством теплового, УФ (ультрафиолетовое) или гамма-излучения.
8. Способ по п. 7, в котором стадию полимеризации проводят посредством УФ- или гамма-излучения.
9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором раствор сомономеров дополнительно содержит инициатор полимеризации.
10. Способ по п. 9, в котором инициатор полимеризации представляет собой азобисизобутиронитрил или 2-гидрокси-2-метилприофенон.
11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором раствор сомономеров получают посредством добавления аминокислоты в форме твердого вещества к по меньшей мере одному из остальных компонентов раствора сомономеров.
12. Способ по любому из пп. 1-5 и 7-11, в котором раствор сомономеров получают посредством: а. смешивания по меньшей мере одного гидрофобного мономера и по меньшей мере одного гидрофильного мономера в воде с образованием промежуточного раствора; и б. добавления по меньшей мере одной аминокислоты и сшивающего агента к промежуточному раствору с образованием раствора сомономеров.
13. Способ по любому из пп. 1-12, дополнительно включающий стадию гидратации сополимера после полимеризации.
14. Способ по п. 13, в котором сополимер хранится в течение по меньшей мере 7 суток после гидратации.
15. Способ по п. 13, в котором сополимер гидратируется таким образом, что гидратированный сополимер содержит по меньшей мере 10 мас. % воды от общей массы гидратированного сополимера.
16. Гомогенный, изотропный, электронно-активный, гидрофильный сополимер, получаемый способом по любому из пп. 1-15.
17. Раствор сомономеров, используемый в способе по п. 1, содержащий по меньшей мере один гидрофобный мономер, по меньшей мере один гидрофильный мономер, воду, по меньшей мере одну аминокислоту и по меньшей мере один сшивающий агент, где по меньшей мере один гидрофильный мономер выбран из метакриловой кислоты, 2-гидроксиэтилметакрилата, этилакрилата, винилпирролидона, метилового эфира акриловой кислоты, монометакрилоилоксиэтилфталата, сульфатоэтилметакрилата аммония, поливинилового спирта или их комбинации; где по меньшей мере один гидрофобный мономер выбран из метилметакрилата, аллилметакрилата, акрилонитрила, метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силана, 2,2,2-трифторэтилметакрилата или их комбинации; где по меньшей мере одна аминокислота выбрана из фенилаланина, триптофана, гистидина, этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) и тирозина или их комбинации.
18. Раствор сомономеров по п. 17, имеющий любую из дополнительных характеристик по пп. 2-6 или 9, 10.
