Исследование физико-химических свойств гидрогелей, полученных на основе акриламида-акриловой кислоты
Автор: Алмабеков О.А., Ибрашева Р.К., Нралы А.М.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Естественные науки
Статья в выпуске: 1 (91), 2012 года.
Бесплатный доступ
В последние годы большое внимание исследователей привлекают так называемые «умные материалы» (smart or intelligent materials). Под этим названием объединяют материалы, способные реагировать на небольшие изменения во внешней среде заранее запрограммированным образом. Среди водорастворимых полимеров - гидрогелей «умными» могут быть названы системы, которые обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды (рН, температура, присутствие определенных веществ, время), причем ответ системы легко виден невооруженным глазом (образование новой фазы в гомогенном до этого растворе, резкое набухание или сжатие гидрогеля).
Пак (полиакриловая кислота), пэи (полиэтиленимин), суперабсорбция, гидрогель, свойства
Короткий адрес: https://sciup.org/140204528
IDR: 140204528
Текст научной статьи Исследование физико-химических свойств гидрогелей, полученных на основе акриламида-акриловой кислоты
Если при взаимодействии между зве-ньями геля дают силы отталкивания, то та-кой гель набухает и проявляет суперабсорб-ционные свойства [1]. Если во взаимо-действии между звеньями наряду с силами оттал-кивания имеются силы притяжения, то может наблюдаться коллапс гелей.
Все живые организмы двигаются благодаря изотермическому превраще-нию химической энергии в механическую работу, выражающуюся, например, в сокращении мышц, движении жгутиков или ресничек микроорганизмов. Для моделирования подобных систем могут быть использованы гидрогели на основе «умных» полимеров [2], способные силь-но набухать (расширяться)
или, наоборот, сжиматься в ответ на внешние стимулы в виде термической, химической энергии.
Перспективными и малоисследован-ными полимерными матрицами для иммобилизации наночастиц металлов являются полимерные гидрогели, которые благодаря стимулчувствительным свойст-вам и пространственной структуре макро-молекул позволяют создавать регулируе-мые системы, обладающие высокой ката-литической активностью [6]. Полимер-ными гидрогелями называют трехмерные сшитые полимеры, набухшие в раство-рителе. Они могут быть как природного происхождения (например, стекловидное тело газа), так и синтетического (гели полиакриламида, полиакриловой кислоты и т.д.).
Объекты и методы исследований
Исходные вещества
Акриламид (ААм), М=71,08 – про-дукт фирмы «AldrichChemicalCo.» (США) марки «ч» использовали без дополни-тельной очистки.
Ткип=60,5°С/6,6661кПа, nD 20 =1,4222 (Ткип=141,6°С/101,325кПа, nD 20 =1,4224, d 4 20 =1,0511) – продукт фирмы «Aldrich Chemical Co.» (США) марки «ч» исполь-зовали без дополнительной очистки.
CH2^^^^^^^нCH
CONH2
CH2^^^^^^^»CH
COOН
N,N-метилен-бис-акриламид (МБАА),
Акриловая кислота (АК), М=72,
M=146– продукт фирмы «Reanal» (Вен-грия) использовали без предварительной очистки.
CH CH C NH CH NH C CH CH
OO
Акрилат натрия (АК-Na), M=94 про-дукт фирмы «Reanal» (Венгрия) исполь-зовали без предварительной очистки.
CH 2 =CH
COONa
Использованные реагенты
Акриламид - 0,4 г.
Коллоидный раствор золота с ПЭИ – 4 мл.
N,N’-метиленбисакриламид – 0,020 г.
Персульфат аммония – 0,010 г.
N,N,N,N –тетраметилендиамин -1 капля.
Соотношение 1:1.
Методы исследования физико-хими-ческих свойств гидрогелей:
-
• Синтез наночастиц золота протек-тированных ПАК методом insitu, синтез наночастиц золота протектированных ПЭИ методом Кетца.
-
• Изучение физико-химических свой-ств образцов гидрогелей.
Синтез наночастиц золота протек-тированных ПАК методом in-situ.
Коллоидный раствор золота с акрилатом натрия готовили по методу insitu [1]. Водный раствор HAuCl4 (2,5 мл 0,5 ммоль/л) кипятили в течении 5-10 мин с обратным холодильником. Затем в кипящий раствор добавляли 1,5 мл 40 ммоль раствора акрилата натрия (50-60°С) и снова кипятили 30 минут . Был получен раствор малинового цвета [3].
Синтез наночастиц золота протек-тированных ПЭИ по методике Кетца.
Наночастицы золота, протектирован-ные полиэтиленимином, готовили по мето-дике, описанной Кетцом [4]. Водный раствор HAuCl4 (1 мл 0,5 ммоль/л) смешали с 1мл 1% раствора линейного полиэтиленимина при комнатной темпе-ратуре. Затем смесь нагревали до 100°С в течении 10 мин. до образования раствора ярко-красного цвета [5].
Изучение физико-химических свойств образцов гидрогелей:
-
а) рН – чувствительность;
-
б) Кинетика набухания.
-
а) В течение 1 суток наблюдалось поведение полученных образцов гидрогелей в разных рН средах (рН = 3,5-7, рН=7, рН=7-9).
На аналитических весах взвешивались очищенные от золей, набухшие в воде образцы гидрогелей на основе АА-АК и АА-АК- Au, АА-Au-ПЭИ помещали в водные растворы, рН которых задавали добавлением в раствор HCl или NaOH (или стандарт-титрами буферных растворов). рН чувствитель-ность гелей определяли согласно фор-муле: mpH/mнв (где mpH – масса геля при заданном значении рН, mнв - масса геля, набухшего в воде соответственно) (таб-лица 1). Затем по истечению 1 суток оп-ределяли массу (mрН) образцов гидро-гелей в разных рН средах (таблица 2). Таким образом, рассчитывая соотношение mрН\mнв, был построен график, с помо-щью которого наблюдалось поведение гидрогелей в разных рН средах (таблица 3).
Таблица 1 - Значения массы набухшего образца гидрогеля m 0 и массы выдержанного образца гидрогеля на основе АА-АК в различных рН средах
рН |
3,5 |
4,5 |
5,0 |
5,5 |
6,0 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
m 0 |
0,1050 |
0,11 |
0,1150 |
0,1140 |
0,1101 |
0,1010 |
0,1050 |
0,1130 |
0,1020 |
0,1155 |
0,1105 |
m t |
0,0105 |
0,0350 |
0,0580 |
0,0720 |
0,089 |
0,091 |
0,096 |
0,085 |
0,054 |
0,036 |
0,0245 |
m t /m 0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,63 |
0,89 |
0,9 |
0,91 |
0,75 |
0,5 |
0,31 |
0,22 |
Таблица 2 - Значения массы набухшего образца гидрогеля m 0 и массы выдержанного образца гидрогеля на основе Au- АА-АК в различных рН средах
рН |
3,5 |
4,5 |
5,0 |
5,5 |
6,0 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
m 0 |
0,1062 |
0,1130 |
0,1199 |
0,1075 |
0,1143 |
0,1030 |
0,1040 |
0,1120 |
0,105 |
0,11 |
0.1010 |
m t |
0,0206 |
0,076 |
0,126 |
0,132 |
0,178 |
0,186 |
0,194 |
0,201 |
0,185 |
0,173 |
0,1705 |
m t /m 0 |
0,19 |
0,6 |
1,05 |
1,22 |
1,55 |
1,8 |
1,86 |
1,79 |
1,76 |
1,73 |
1,68 |
Таблица 3 - Значения массы набухшего образца гидрогеля m 0 и массы выдержанного образца гидрогеля на основе Au- АА-ПЭИ в различных рН средах
рН |
3,0 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
6,0 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
8,0 |
8,5 |
m 0 |
0,034 |
0,042 |
0,067 |
0,063 |
0,0575 |
0,0590 |
0,064 |
0,0665 |
0,056 |
0,0595 |
m t |
0,062 |
0,076 |
0,1185 |
0,1107 |
0,0991 |
0,0993 |
0,0537 |
0,0478 |
0,0367 |
0,0363 |
m t /m 0 |
1,82 |
1,8 |
1,76 |
1,75 |
1,72 |
1,68 |
0,83 |
0,71 |
0,65 |
0,61 |
По полученным данным был пос-троен график, с помощью которого пре-доставляется возможность изучить рН чувствительность гидрогелей и объяснить его свойства и дальнейшее применение.
Результаты и обсуждения.
На рисунке 1 представлена зависи-мость коэффициента набухания гидро-гелей от рН среды. Гидрогелевые образцы на основе АА-АК и АА-АК-Au набухают в щелочной среде, образцы гидрогелей на основе АА-Au набухают в кислой среде, а в щелочной среде коллапсируются, что объясняется в первом случае, наличием функциональной группы, слабой кислоты, а во втором случае, наличием функцио-нальной группы слабого основания. Таким образом, гидрогели содержащие кислотные группы набухают в щелочной среде, где ионизация подавлена. Напро-тив, гидрогели с основными группами набухают в кислой среде, но коллап-сируют при повышении рН, что позволяет создавать системы направленного тран-спорта лекарственных веществ.
Из кривых равновесного набухания (рис. 2), набухание гидрогеля, полу-ченного на основе АА-АК, выше, чем гидрогеля полученного на основе Au-АА-AK (это объясняется свойством функ-циональных групп, входящих в состав веществ, на основе которых получены гидрогели). Так, гидрогель, полученный на основе АА-АК, обладает функцио-нальной группой с хорошей гидрофиль-ностью (хорошей смачиваемостью с водой), этой группой является группа – СООН, входящая в состав акриловой кислоты.
Если во взаимодействии наряду с си-лами отталкивания имеются силы притя-жения, то может наблюдаться коллапс ге-лей. В смеси вода-органический раство-ритель (ацетон, этанол) наблюдается пос-тепенное сжатие сетки с увеличением количества органического растворителя (рис. 3). Гель в воде находится в набухшем состоянии и постепенно сжи-мается по мере добавления ацетона или этанола во внешний раствор.

Рисунок 1 - График зависимости степени набухания от рН раствора.
1-АА-АК

Рисунок 2 - Кинетика набухания гидрогелей в воде.

Рисунок 3 - График зависимости степени набухания гидрогелей от количества растворителя.
Заключение
В данной работе наночастицы золота иммобилизированы в матрицу гидрогеля на основе АА-АК методом in situ и методом Кетца. Исследованы их физико-химические свойства (рН чувствитель-ность, кинетика набухания), определены возможности исследования наночастиц золота в медицине. Проведенные иссле-дования показали, что с помощью нано-частиц золота можно получать и разра-батывать иммобилизованные катализа-торы, которые могут быть использованы в качестве ферментов, выявлены супераб-сорбционные свойства гидрогелей. Изме-нения поведения гидрогелей в различных рН-средах показали, что гидрогели можно вводить в лекарственные системы с задан-ными свойствами.
Список литературы Исследование физико-химических свойств гидрогелей, полученных на основе акриламида-акриловой кислоты
- Филиппова О.Е.//Восприимчивые полимерные гели. Серия С, 2000. -Том 42. -№ 12.
- Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии и микро-электроники.-М., 2010. -265 с.
- Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. -М.: Наука, 1989. -164 с.
- Хохлов А.Р., Дормидонтова Е.Е.//Успехи физ.наук. -1997. -Т.167. -№2. -С.113.
- Роко М.К., Р.С. Уильямс. Нанотехнология в ближайшем десятилетии.//Прогноз направления исследований. -2002 г. -С.275.
- Смирнов В.А., Сахадольский Г.А., Филиппова О.Е., Хохлов А.Р.//Журн. физ. химии. -1998. -Т.72. -№4. -С.710.