ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНГЛИКОЛЬМАЛЕАТА

Аннотация. Исследование посвящено изучению влияния внешних физико-химических факторов на поведение гидрогелей на основе полиэтиленгликольмалеината и оценке их потенциала для применения в полимерных и биомедицинских системах. Рассматриваются особенности формирования структуры и свойств полимерных материалов, а также их чувствительность к изменениям окружающей среды. Показано, что разработанные гидрогели обладают перспективными характеристиками для использования в сорбционно-активных матрицах и гидрогелевых покрытий для лечения ран.

Ключевые слова: ненасыщенный полиэфир, терполимер, гидрогель, холодное отверждение, внешние факторы, водопоглощение, степень набухания, акриловая кислота, полиэтиленгликольмалеинат.

Гидрогели — это полимерные материалы, способные удерживать значительное количество воды, что делает их востребованными в медицине, в частности при лечении ран, ожогов и в системах контролируемой доставки лекарств [4–5,7]. Благодаря трёхмерной сетчатой структуре они поддерживают оптимальную влажность, регулируют диффузию веществ и газообмен, а также защищают ткани от вторичной инфекции [2,14]. Их способность имитировать свойства внеклеточного матрикса обеспечивает биосовместимость и способствует ускорению регенерации тканей [11,15].

Модификация структуры гидрогелей позволяет регулировать их свойства за счёт введения функциональных групп, что обеспечивает управляемые параметры набухания, механической прочности и сорбционной активности [8,9]. Это позволяет адаптировать материалы к различным условиям, включая регулирование влажности и сорбцию экссудата в раневых покрытиях [3,12]. Контроль плотности сшивания даёт возможность управлять как механическими характеристиками, так и кинетикой высвобождения лекарственных веществ: рыхлые структуры обеспечивают быстрое высвобождение, а более плотные — пролонгированное действие [6,10].

Современные исследования направлены на создание стимул-чувствительных гидрогелей, реагирующих на pH, температуру и другие внешние факторы, что обеспечивает контролируемое высвобождение лекарств [1,13]. «Умные» гидрогели изменяют степень набухания и проницаемость в зависимости от условий среды, позволяя точно регулировать терапевтический эффект. Наиболее перспективны системы, функционирующие в физиологических условиях (pH 5–8, ~35–39 °C), способные к обратимым переходам «набухание–сжатие» и эффективному управлению влагой и экссудацией.

В связи с этим данное исследование направлено на изучение влияния внешних физико-химических факторов на поведение гидрогелей на основе системы полиэтиленгликольмалеинат–акриловая кислота–акриламид, полученных методом «холодного» отверждения. Цель работы — установить взаимосвязь между составом, структурой и чувствительностью гидрогелей для оценки их перспективности в сорбционно-активных матрицах и гидрогелевых раневых покрытиях.

Эксперименты проводились с использованием реагентов компании «Sigma-Aldrich» (США).

Для синтеза исходного ненасыщенного полиэфира полиэтиленгликольмалеата (p-EGM) методом поликонденсации использовали этиленгликоль и малеиновый ангидрид. В качестве катализатора применяли хлорид цинка.

Для синтеза терполимеров на основе p-EGM использовали акриловую кислоту (AA), выступающую одновременно как сореагент и растворитель, и акриламид (AAm).

Для исследования влияния pH применяли буферные растворы в диапазоне pH 4,0–8,0. Все реагенты имели чистоту 99,95% и использовались без дополнительной очистки.

Синтез p-EGM проводили путем поликонденсации этиленгликоля с малеиновым ангидридом при соотношении 1,05:1,0 моль в присутствии 0,2% хлорида цинка. Процесс осуществляли по стандартной методике [21], выход продукта составил 98%.

Молекулярную массу p-EGM определяли методом гель-проникающей хроматографии (VISCOTEK 270 DUAL DETECTOR, Malvern Panalytical, Великобритания) с использованием диоксана в качестве растворителя. Полученное значение молекулярной массы составило около 1232 Да.

Для получения гидрогелей готовили растворы p-EGM, AA и AAm с различным соотношением компонентов: 15:70:15, 15:50:35 и 15:35:50 мас.%. Динамическую вязкость измеряли при 293 K с использованием вискозиметра SV-10 (A&D Company, Япония), плотность — пикнометрическим методом по ISO 1675:1985.

«Холодное» отверждение проводили при 293 K с использованием 1,0 мас.% бензоилпероксида и 0,15 мас.% диметиланилина. После полимеризации полученные терполимеры промывали. Состав продуктов определяли методом ВЭЖХ (LC-20 Prominence, Shimadzu, Япония), а выход рассчитывали гравиметрически.

Структурная идентификация проводилась методами ИК- и ЯМР-спектроскопии. ИК-спектры регистрировали FSM 1201 (Infraspek, Россия) в диапазоне 400–7800 см⁻¹. ЯМР-спектры ¹H записывали на приборе DX-90M (Xiamen Dexing Magnet Tech., Китай) при частоте 90 МГц.

Плотность отвержденных образцов определяли гидростатическим методом (ASTM D792-13). Объемную усадку рассчитывали по формуле (1):

                                                                                                  (1)

ρ_l – плотность исходного раствора, г/см³;

ρ_d – плотность отвержденного образца, г/см³.

Морфологию поверхности исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (MIRA 3, TESCAN, Чехия) при ускоряющем напряжении 5,0 кВ.

Гидрофильность оценивали гравиметрически. Степень набухания определяли после выдерживания образцов (~0,5 г) в воде при 20 °C (pH 7) в течение 24 часов по формуле (2):

                                                                                                      (2)

m – масса набухшего образца, г;

m₀ – масса сухого образца, г.

Влияние внешних факторов исследовали в диапазоне pH 5–9 и температуре 35–39 °C с использованием того же гравиметрического метода.

Температуру начала термической деформации определяли методом термогравиметрического анализа (TGA) с использованием системы Labsys Evolution TG-DTA/DSC (Setaram Instrumentation, Франция) в диапазоне температур до 1600 °C.

Исследуемые составы были выбраны для получения систем, различающихся по содержанию ионогенных групп, степени гидратации и характеру межцепочечных взаимодействий.

Растворы тщательно гомогенизировали до получения оптически однородной системы. На этом этапе формировалась первичная сеть межмолекулярных взаимодействий (водородные связи, ион-дипольные и гидратационные взаимодействия). После гомогенизации система переходила в предравновесное состояние, в котором стабилизировались ассоциативные взаимодействия, определяющие последующее отверждение.

Динамическую вязкость и плотность растворов определяли с использованием вискозиметра SV-10 и пикнометра (табл. 1). Показано, что увеличение содержания акриловой кислоты (AA) приводит к снижению плотности растворов с 1,0996 до 1,0554 г/см³ при изменении её доли с ~35 до ~70 мас.%. Данная закономерность может быть связана с формированием менее плотных межмолекулярных ассоциатов акриловой кислотой по сравнению с p-EGM и AAm. Увеличение доли AA сопровождается ослаблением межфрагментарных взаимодействий, ростом свободного объёма и, как следствие, снижением плотности системы.

Таблица 1.

Физические и химические свойства исходных растворов p-EGM (M₁) с AA (M₂) и AAm (M₃)   T = 293K

Реологические исследования показали аналогичную закономерность: растворы с повышенным содержанием акриловой кислоты (AA) характеризуются более низкой динамической вязкостью. При максимальном содержании AA (~70 мас.%) значение вязкости составляет 0,251 Па·с, тогда как при снижении её доли до ~35 мас.% вязкость возрастает до 0,697 Па·с. Это может быть связано с уменьшением степени межмолекулярных взаимодействий в системе p-EGM–AA–AAm и снижением вероятности формирования разветвлённых ассоциатов.

Таким образом, изменения плотности и вязкости согласуются между собой и отражают единый структурный эффект, связанный с различной степенью организации компонентов в жидкой фазе до начала гелеобразования. Эти различия оказывают влияние на кинетику полимеризации и доступность реакционноспособных групп.

Использование «холодной» системы инициирования обеспечивает протекание сополимеризации в одинаковых условиях, что позволяет связать различия в свойствах гидрогелей исключительно с составом исходной смеси. Полученные материалы характеризуются высокой прозрачностью и однородностью, что подтверждает отсутствие макрофазного разделения и эффективность терполимеризации.

После синтеза терполимеры промывали диоксаном и сушили при T = 293 K до постоянной массы. ВЭЖХ-анализ маточных растворов показал соответствие фактического состава теоретическому. Полученные данные подтверждают корректность интерпретации различий в свойствах гидрогелей, обусловленных варьированием состава исходной реакционной системы.

Увеличение содержания акриловой кислоты (AA) в терполимере приводит к росту степени набухания от 1835% до 2898%. В отличие от акриламида (AAm), который способствует образованию локальных водородных связей и формированию более компактных гидратированных областей, акриловая кислота после частичной диссоциации формирует ионогенные участки с высокой концентрацией отрицательных зарядов. Это вызывает электростатическое отталкивание между карбоксилатными группами, расширение полимерной сети и увеличение осмотического давления, что усиливает проникновение воды и приводит к значительному набуханию.

Таким образом, основной вклад в увеличение набухания обусловлен полиэлектролитным эффектом акриловой кислоты, значительно превосходящим влияние нейтральных амидных групп акриламида.

ИК-спектроскопический анализ высушенных образцов подтвердил формирование терполимерной структуры. Для исходного p-EGM наблюдаются характерные полосы карбонильных групп (1725–1730 см⁻¹), ненасыщенных связей (1575–1590 см⁻¹), деформационных колебаний –CH₂ (1455–1465 см⁻¹) и фрагментов –C–O–C– (1140–1160 см⁻¹).

При высоком содержании AA (13,9:72,2:13,9 мас.%) появляется широкая полоса 3100–3600 см⁻¹, усиливается сигнал –COOH (1710–1715 см⁻¹), а интенсивность полос C=C (1575–1585 см⁻¹) снижается, что указывает на участие двойных связей в терполимеризации.

В образце с повышенным содержанием AAm (15,4:35,8:48,8 мас.%) наблюдается усиление амидных полос (1550–1555 и 1305–1315 см⁻¹), а также широкое поглощение 3200–3400 см⁻¹, связанное с –NH-группами. Полоса карбонильных групп смещается в область 1720–1725 см⁻¹ и уменьшается по интенсивности вследствие увеличения доли акриламида.

Далее были проведены исследования чувствительности гидрогелей к pH и температуре. Необходимо было учитывать условия, максимально приближенные к физиологическим. В норме поверхность кожи и подкожных тканей человека характеризуется слабокислой реакцией (pH 4,5–5,5), обусловленной липидным барьером и присутствием слабых органических кислот. При повреждении кожного покрова значение pH смещается в сторону нейтральных и слабощелочных значений (pH 6,0–8,0) вследствие выделения межклеточной жидкости и экссудата, содержащих белки и соли.

Таким образом, диапазон pH 4–8 охватывает основные физиологические условия контакта материала с кожей и раневой поверхностью — от интактного эпидермиса до воспалённых и инфицированных тканей. Более кислые (pH < 4) и более щелочные (pH > 8,5) условия в физиологической практике не встречаются и могут сопровождаться денатурацией белков и нарушением барьерной функции кожи, поэтому в рамках данного исследования не рассматривались.

Исследование степени набухания образцов гидрогеля массой 0,5 г (рис. 1) в диапазоне pH 4–8 показало выраженную зависимость структуры от кислотности среды. При снижении pH до 4,0–5,5 наблюдается сокращение объема геля (коллапс), сопровождающееся уменьшением его гидратации. Это связано с протонированием карбоксильных групп, что приводит к ослаблению электростатического отталкивания между полимерными цепями и к уплотнению сетки. Подобное поведение является положительным с точки зрения применения гидрогеля в качестве раневого покрытия, поскольку в слабокислой среде здоровой кожи материал сохраняет стабильную форму, не вызывает избыточного увлажнения поверхности и обеспечивает эффективную барьерную функцию.

Рисунок 1. Влияние pH на набухание терполимеров p-EGM–AA–AAm

При низких значениях pH (5–6) карбоксильные группы в полимерной сети преимущественно находятся в недиссоциированном состоянии, вследствие чего структура геля остается компактной, с низкой пористостью и ограниченной степенью набухания. При увеличении pH до 7–9 происходит диссоциация карбоксильных групп и накопление отрицательных зарядов, что вызывает электростатическое отталкивание между макромолекулярными цепями. Это приводит к расширению полимерной сети и росту степени набухания, достигающей максимальных значений при pH 8,0. Такой эффект обеспечивает повышенную сорбционную способность материала в условиях слабощелочной среды, характерной для раневого экссудата, что способствует эффективному удалению избыточной жидкости и снижению риска мацерации тканей.

Наиболее выраженное набухание наблюдается в образцах с повышенным содержанием акриловой кислоты. Процесс водопоглощения носит двухстадийный характер: на первом этапе происходит быстрое заполнение пористой структуры, на втором — более медленная релаксация и перестройка полимерной сети. Так при высоком содержании акриловой кислоты установлено ускоренное достижение равновесного состояния, что указывает на повышенную подвижность структурных элементов.

Исследование температурного поведения гидрогелей в диапазоне 35–39 °C выявило выраженную термочувствительность системы. При нагревании до 37–38 °C наблюдается частичный коллапс полимерной сети, сопровождающийся выделением воды. После охлаждения структура геля восстанавливается лишь частично, что свидетельствует о наличии эффекта термопамяти, обусловленного перераспределением межцепочечных взаимодействий и локальной перестройкой сети.

Рисунок 2. Влияние температуры на набухание терполимеров p-EGM–AA–AAm

Гели с высоким содержанием акриловой кислоты (AA) (рис. 2) демонстрируют более выраженную термочувствительность, что связано с их полиэлектролитной природой. При нагревании снижается степень ионизации карбоксильных групп, уменьшается электростатическое отталкивание и усиливается коллапс структуры. Более высокая подвижность цепей в таких системах также способствует более выраженному термоотклику. В отличие от них, гели с повышенным содержанием AAm сохраняют большую остаточную гидратацию за счёт амидных групп и демонстрируют менее выраженный объемный переход.

Выводы: были систематически исследованы физико-химические свойства гидрогелей терполимера p-EGM–AA–AAm, полученных «холодным» отверждением. Было установлено, что увеличение содержания акриловой кислоты способствует образованию сетей полиэлектролитного типа, характеризующихся высокой степенью набухания (до 2898%), развитой пористостью и выраженной чувствительностью к внешним стимулам.

Синтезированные материалы демонстрировали контролируемую объемную усадку, не превышающую 10,5–13,5%, что указывает на образование структурно стабильных трехмерных сетей. Гидрогели продемонстрировали четкую реактивность в физиологически значимом диапазоне pH 4–8 и при температурах 35–39°C, что подтверждает их адаптивное поведение в условиях, близких к биологической среде.

Среди исследованных составов система p-EGM–AA–AAm с соотношением ~15:70:15 мас.% продемонстрировала наиболее сбалансированное сочетание способности к набуханию, структурной целостности и пористой морфологии. Полученные результаты указывают на то, что разработанные гидрогели являются перспективными кандидатами для применения в сорбционно-активных полимерных матрицах и гибких гидрогелевых пластырных системах.