Синтез графт-сополимеров на основе пектина с синтетическими фрагментами виниловых мономеров с использованием инициирующей системы триэтилбор-кислород

В последние десятилетия гидрогели играют ключевую роль в регенеративной медицине. Они используются для перевязки и заживления ран, как скаффолды в тканевой инженерии, для лечения травм и заболеваний, препятствуют распространению инфекции и предупреждают образование рубцов. Гидрогели представляют собой трехмерные гидрофильные нерастворимые в воде полимерные сети, которые обладают механическими свойствами, присущими твердым телам, способны поглощать и удерживать в своей структуре большое количество воды или физиологической жидкости [1]. Природные биоматериалы, такие как коллаген, желатин, гиалуроновая кислота, ламинин и различные полисахариды, используемые для создания ранозаживляющих материалов, демонстрируют множество очевидных преимуществ, в том числе для имитации внеклеточного матрикса [2]. Исследования пектинов в этом направлении также описаны в литературе

[3-7]. Однако данные материалы часто обладают не подходящими механическими свойствами и подвергаются быстрой деградации при эксплуатации [5, 8–13]. Внедрение синтетических компонентов в структуру природного полимера позволяет контролировать механические свойства полученных гидрогелей, увеличивать их прочность и упорядоченность молекулярной структуры. Обычно синтетические добавки включают полиэтиленгликоль, поливиниловый спирт, акрилатные полимеры и их сополимеры [14].

Пектин представляет собой уникальный универсальный полисахарид, химические и биологические свойства которого обуславливают многочисленные перспективные применения, далеко выходящие за рамки его использования в качестве желирующего агента и загустителя в пищевой промышленности и производстве напитков. Пектин обладает высокой проницаемостью для влаги и воздуха. Молекулы воды могут адсорбироваться на пектиновой пленке благодаря образованию водородной связи между гидроксильными группами полимеров. Гелеобразование пектина происходит за счет водородных связей между недиссоциированными карбоксильными группами и вторичными спиртовыми группами, а также благодаря гидрофобным взаимодействиям между метильными эфирными группами [14].

Целью данной работы является синтез графт-сополимеров на основе пектина с прививкой сополимеров акрилат - винилбутиловый эфир (ВБЭ) с использованием инициирующей системы триэтилбор - кислород. Выбор был сделан на основании того, что хорошо известны данные об использовании сополимеров акрилатов в медицинской практике. Композитные материалы с включением акрилатов широко используют в медицине, в частности в стоматологии, для искусственных челюстей и зубов, для пломбирования [15], изготовления протезов и контактных линз, искусственных хрусталиков [16]. Сополимеры природных полимеров с акрилатами (гиалуроновой кислоты [17, 18], коллагена [19, 20]) уже не одно десятилетие используют как филлеры в косметологии. В последние годы появились публикации о получении материалов для регенеративной медицины на основе сополимеров акрилатов различной природы и природных полимеров [21, 22].

Структурные особенности полученных полимеров были проанализированы с помощью комплекса методов, включая ИК-спектроскопию, гель-приникающую хроматографию (ГПХ), сканирующую электронную микроскопию (СЭМ). Модификации пектина введением синтетических добавок проводили с использованием борорганического инициатора. Способность боралкилов окисляться кислородом воздуха с образованием алкильных, алкоксильных, бороксильных и пе-роксидных радикалов позволяет использовать их в качестве инициаторов полимеризации для получения привитых и блок-сополимеров. Автоокисление триэтилбора остатками кислорода в реакционной смеси проходит достаточно быстро (схемы (1)-(5)). Образующиеся при этом алкильные и алкоксильные радикалы инициируют радикальную прививку на пектин. Кроме того, возможен рост цепи по механизму обратимого ингибирования за счет стабильного бороксильного радикала [14, 23].

R3B + O2 ^ R;BO(B + R^(1)

R^ + O2 ^ ROO^(2)

ROO^ + R3B ^ ROOBR2 + R^(3)

ROOBR2 + R3B ^ R2BOR + R;BO^ + R^(4)

ROOBR2 + R3B ^ R2BOBR2 + RO^ + R^(5)

Экспериментальная часть

В работе были использованы свежеперегнанные мономеры, которые очищали вакуумной перегонкой. Коммерческие мономеры метилметакрилат (ММА), бутилакрилат (БА) предварительно были очищены от стабилизатора многократным промыванием 10%-ным раствором щелочи до обесцвечивания водной фазы, а затем дистиллированной водой до нейтральной среды. После этого они были высушены над безводным хлористым кальцием. Коммерческий яблочный пектин «Пудовъ» использовали без дополнительной очистки.

Синтез осуществляли следующим образом: водный раствор пектина (2 масс. %) при перемешивании на магнитной мешалке и нагреве до 60 ° С смешивали с ВБЭ в соотношении 1:3 и нагревали смесь при перемешивании до кипения. Затем вводили аминный комплекс триэтилбор-

Органическая химия

гексаметлендиамин (ТЭБ·ГМДА), дозировали раствор активного мономера, содержащий метакриловую кислоту (МАК), в течение 20 мин. Колбу охлаждали до 0 ° С. Разделяли несмешивающиеся части полученной смеси. Непрореагировавшие мономеры из органической (верхней) части откачивали при пониженном давлении (до 0,5 мм рт. ст.). Водорастворимые полимеры сушили в условиях вакуумирования до постоянного веса при Т = 20-25 ° С.

В случае синтеза с участием БА реакционная смесь имела нерастворимую ни в органической, ни в водной части «губку». Для выделения из нее полимеров длительно, в течение нескольких суток, выдерживали «губку» сначала в воде для отделения сополимера с большим содержанием пектина, а затем остаток длительно растворяли в винилбутиловом эфире для выделения сополимера с большим содержанием синтетического фрагмента.

Регистрацию ИК-спектров проводили на ИК-Фурье спектрофотометре Shimadzu FTIR-8400S в кюветах КВr с длиной оптического пути 0,26 мм в растворе хлороформа. Диапазон волновых чисел составляет 5500–550 см–1, погрешность в определении не превышала ±0,05 см–1. Состав сополимера определяли с применением градуировочного графика по площади характеристического пика. В качестве аналитической полосы была выбрана полоса при 1726 см–1 для карбонильной группы (доля акрилата). Градуировочный график в координатах интенсивность поглощения (оптическая плотность) – концентрация (рис. 1) построен по поглощению раствора полиметилметакрилата (ПММА). Для его построения интегрировали спектры растворов ПММА в хлороформе точно известной концентрации (0,25–1,00 % ПММА). Интенсивность поглощения определяли методом «базовой линии» [24, 25]. Погрешность определения концентрации фрагментов в сополимере составила ±5 %.

1,2

y = 1,096 x

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0      0,2      0,4      0,6      0,8

1,0      1,2

Концентрация ПММА, мол. %

Рис. 1. Градуировочный график для определения состава сополимеров методом ИК-спектроскопии с АМА

Пленки водорастворимых полимеров готовили на пластинке отражения KBr. Спектры поглощения регистрировались с помощью спектрофотометра IR Prestige-21 (Shimadzu, Япония). Диапазон волновых чисел составляет 5500–550 см–1, погрешность в определении не превышала ±0,05 см–1.

Определение молекулярно-массовых характеристик водорастворимых полимеров проводили методом ГПХ с применением высокоэффективного жидкостного хроматографа фирмы Shimadzu CTO20A/20AC (Япония) с программным модулем LC-Solutions-GPC. Разделение проводили на колонке Tosoh Bioscience TSKgel G3000SWxl с диаметром пор 5 мкм, использовали низкотемпературный светорассеивающий детектор ELSD-LT II. Элюентом служил 0,5 М раствор уксусной кислоты. Скорость потока 0,8 мл/мин. Для калибровки применяли узкодисперсные образцы декстрана с диапазоном молекулярных масс (ММ) 1000–410000 Да (Fluca).

Исследование структуры полученного пектинового продукта проводили на СЭМ JSM-IT300 (JEOL Ltd, Japan) на базе ЦКП ННГУ. Визуализировали образцы пектина и лиофильно высушенные образцы графт-сополимеров.

Обсуждение результатов

В данной работе модификация пектина проведена путем привитой полимеризации на него звеньев сополимеров БА-ВБЭ и ММА-ВБЭ с участием инициатора на основе ТЭБ. Активные радикалы инициатора способствуют отрыву атома водорода от углеводородной цепи (рис. 2а) или гидроксильных фрагментов (рис. 2б) молекулы пектина с дальнейшим присоединением органических мономеров.

а)

б)

Рис. 2. Схема реакции графт-сополимеризации органических фрагментов на молекуле пектина с отрывом водородного радикала: а) от атомов углерода, б) от гидроксидных фрагментов

В результате синтеза сополимера из смеси с пектином «Пудовъ», содержащей БА, образовались три несмешивающиеся части: органическая (1), водная (2) и между ними «губка» (3), не-смешивающаяся ни с водной, ни с органической фазой (рис. 3а). В случае с ММА в смеси образовались только две части: органическая (1) и водная (2) (рис. 3б). «Губка» представляет собой смесь водорастворимых и органических полимеров в соотношении ~ 50:50. Для проведения ГПХ

Органическая химия

и ИК-анализов высушенные полимеры из 3 части были растворены поочередно в воде и ВБЭ. Выделенный при этом водорастворимый полимер из части 3 был проанализирован методом ГПХ (табл. 1, строка 2).

а)

б)

Рис. 3. Продукты, полученные в ходе синтеза: а) содержащий в составе БА, б) содержащий в составе ММА

Таблица 1

Результаты анализа молекулярно-массовых параметров полимеров

№ образца	Условия выделения из образца	М w, кДа	M w /M n	Доля фракции, %
1	Коммерческий яблочный пектин «Пудовъ»	9,0	1,0	3,3
		2,3	1,1	39,6
		0,5	1,3	57,0
2	Графт-сополимер из водной части «губка» (пектин «Пудовъ»-БА-ВБЭ)	21,8	1,0	52,2
		13,0	1,0	29,5
		0,5	1,2	18,0
3	Графт-сополимер из водной части пектин «Пудовъ»-БА-ВБЭ	21,9	1,0	34,2
		13,0	1,0	5,4
		0,5	1,2	60,4
4	Графт-сополимер из водной части пектин «Пудовъ»-ММА-ВБЭ	21,1	1,0	7,7
		10,7	1,0	52,9
		0,5	1,4	39,4

Из представленных данных в табл. 1 (строка 2) видно, что произошли заметные изменения в молекулярно-массовых параметрах сополимера в сравнении с исходным пектином (строка 1): содержание низкомолекулярной фракции с Mw ~ 0,5 кДа значительно уменьшилось, а основная часть полимера (52,2 %) имеет ММ 21,8 кДа, а почти 30 % полимера имеет ММ 13,0 кДа. Это свидетельствует о том, что речь идет о графт-сополимере на пектин, причем, чтобы выделить этот полимер из «губки», понадобилось длительное выдерживание в избытке воды. Основная часть графт-сополимера, выделенного из водной части (табл. 1 строка 3) – это низкомолекулярный пектин с ММ с Mw ~ 0,5 кДа (60,4 %) и водорастворимый графт-сополимер с ММ 21,9 кДа (34,2 %) и 13 кДа (5,4 %).

Полимерный водорастворимый продукт при использовании в синтезе ММА и пектина «Пу-довъ» (табл. 1 строка 4) содержит две фракции с ММ 21,1 кДа (7,7 %) и ММ 10,7 кДа (52,9 %), при этом содержание фракции с ММ 0,5 кДа уменьшается в сравнении с исходным пектином.

Из органической фазы были выделены сополимеры ММА-ВБЭ и БА-ВБЭ равного состава синтетических фрагментов акрилата и ВБЭ, представляющие собой вязкую массу. Был проведен анализ методом ИК-спектроскопии, подтверждающий это (табл. 2).

Таблица 2

Данные о составе сополимеров

№	Сополимер	Содержание звеньев активного мономера, моль. % по данным ИК
1	БА-ВБЭ1	50
2	БА-ВБЭ2	49
3	ММА-ВБЭ3	51

Примечание. 1 – сополимер, полученный ранее при сополимеризации акрилата с ВБЭ [15];

2, 3 – сополимеры, полученные из пектинсодержащей смеси.

На основании этих данных в дальнейшем обсуждении мы допускаем, что привитой синтетический фрагмент графт-сополимеров также является сополимером АМА-ВБЭ. Сопоставление ИК-спектра графт-сополимера пектин-ММА-ВБЭ с ИК-спектрами пектина и ИК-спектром пек-тин-ММА свидетельствует о том, что для нового полимерного образца наблюдаются все полосы, характерные для пектина, ПММА и ПВБЭ (рис. 4), каждая из которых расположена в соответствующей области колебаний, представленных в табл. 3.

Рис. 4. ИК-спектр чистого пектина [15], сополимера пектин-ММА [15] и сополимера пектин-ММА-ВБЭ

Таблица 3

Данные ИК спектроскопии

Частота, см–1	Типы колебаний
3400–3200	ν O-H
3000–2840	ν C-H
1750–1735	ν C=O в сложном эфире
1740–1650	ν C=O в карбоновой кислоте
1330–1050	ν C-O в сложном эфире (группы СО 2 )
1290–1030	ν C=O в простом эфире

Лиофильно высушенные образцы пектина и графт-сополимера пектин-ММА-ВБЭ были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (рис. 5).

На рис. 5 хорошо видны морфологические различия исходного пектина и графт-сополимера пектин-ММА-ВБЭ, свидетельствующие о включении фрагментов синтетического полимера в структуру пектина. В образце графт-сополимера наблюдается более плотная сетка, упорядоченная структура и меньший размер пор по сравнению с волокнистой структурой пектина.

Органическая химия

а)

б

в)

Рис. 5. Морфология образцов исходного пектина и графт-сополимера пектин-ММА-ВБЭ: а, в – коммерческий пектин «Пудовъ»; б, г – графт-сополимер пектин-ММА-ВБЭ

г)

Изменение массы образца в ходе синтеза оценили для синтезов с ММА. Нарастание массы при прививке составило ~ 30 %.

Заключение

Таким образом, был проведен синтез графт-сополимеров метилметакрилат-винилбутиловый эфир и бутилакрилат-винилбутиловый эфир на пектин в присутствии триэтилбора, выделенного из комплекса с гексаметилендиамином добавлением метакриловой кислоты. Новые графт-сополимеры были охарактеризованы по молекулярно-массовым характеристикам и составу. Сравнительный анализ исходного пектина и графт-сополимера на основе пектина методом СЭМ показал существенные различия в структурах образцов. Данные об увеличении массы и молекулярной массы пектина являются подтверждением присоединения синтетических полимеров ак-рилат-винилбутиловый эфир на основу пектиновой макромолекулы. Установлено близкое к эк-вимольному соотношение акрилатных и эфирных звеньев в выделенных из пектинсодержащей смеси, что косвенно доказывает образование синтетического фрагмента графт-сополимеров с чередованием звеньев АМА и ВБЭ. Полученные вещества представляют собой полимерные молекулы, содержащие природные и синтетические фрагменты, обладающие упорядоченной структурой. Такие соединения перспективны в качестве основы для ранозаживляющих скаффолдов.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии» НИИХ ННГУ.