Гибридные биосовместимые гели со структурой двойной сетки на основе полиакриламида и полисахаридов гуар и геллан

Hybrid biocompatible double-network gels based on polyacrylamide and polysaccharides guar and gellan

Alexander Safronov

doctor of physical and mathematics science, professor in Ural Federal University, Russia, Yekaterinburg

Tatiana Terzijan

candidate of chemical science assistant professor in Ural Federal University, Russia, Yekaterinburg

Victoria Golovina

student, Ural Federal University, Russia, Yekaterinburg

Аннотация. Методом свободнорадикальной полимеризации в водной среде синтезированы гидрогели на основе ковалентносшитого полиакриламида (ПАА) с добавление различного количества природных полисахаридов: гуара и геллана. Получены концентрационные зависимости степени набухания синтезированных гелей. Показано, что гидратация композитных гидрогелей определяется структурно-конформационными характеристиками природных полимеров.

Abstract. Hydrogels based on covalently crosslinked polyacrylamide (PAA) with the addition of various amounts of natural polysaccharides: guar and gellan were synthesized by radical polymerization in an aqueous medium. Concentration dependencies of swelling degree of gels are obtained. Structural-conformational characteristics of natural polymers determine the hydration of gels.

Ключевые слова: гибридные гели полиакриламида, полисахариды, степень набухания.

Keywords: hybrid polyacrylamide gels, polysaccharides, swelling degree.

Композиционные гидрогели для биомедицинских применений актуальные объекты междисциплинарных исследований, объединяющие такие области знаний как: физикохимия полимеров, биохимия полимеров, биология и медицина. Потенциальные области применения гидрогелей определяют химический состав таких систем, т.е. химическую природу полимерных компонентов. Так, биосовместимость, биодеградируемость, биоактивность характерны для полимеров природного происхождения, например полисахаридов. Синтетические водорастворимые полимеры, такие как полиакриламид, полиакриловая и полиметакриловая кислоты, а также их производные, обеспечивают оптимальные физико-механические свойства и макроскопический отклик при изменении физико-химических условий окружающей среды [2].

В литературе описано получение и исследование различных гибридных гидрогелевых систем на основе природных и синтетических полимеров. Причем, наиболее эффективным оказался подход синтеза двойной сетки гидрогеля, включающей коваленотносшитую структуру синтетического полимера и сетку полисахарида, формируемую узлами физической сшивки. Так, исследованы гели с двойной сеткой на основе полиакриловой кислоты и хитозана [6], ПАА и глюкоманнана [4], ПАА и агара [3], ПАА и целлюлозы [5].

В данной работе нами были синтезированы композитные гидрогели на основе химически сшитого полиакриламида, содержащие различные количества природных полисахаридов: гуар и геллан. Количественно произведена оценка степени гидратации синтезированных гелей.

Материалы и методы

Использовали акриламид (АА) производства «AppliChem» (Германия). Гели получали в водном растворе АА в присутствие сшивающего вещества метилендиакриламида (МДАА). В качестве инициатора радикальной полимеризации использовали пероксодисульфат аммония (ПСА) квалификации «ч.д.а.» (ГОСТ 20478-75). Использовали промышленные полисахариды гуар и геллан «SIGMA-ALDRICH». Химические формулы соединений используемых при синтезе гелей приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Химические формулы соединений используемых при синтезе гелей: а) гуар; б) геллан; в) метилендиакриламид; г) акриламид

Гидратацию синтезированных гелей оценивали величиной степени набухания (α): , где m_наб – масса равновесно набухшего геля, m_сух – масса высушенного при 70°С геля.

Результаты и обсуждение

Для синтеза гелей на основе сшитого ПАА готовили реакционную систему содержащую 1,6 моль/л мономера акриламида. Химическую сшивку обеспечивали молекулы метилендиакриламида, навеску которого добавляли к раствору в молярном соотношении 1:100, 1:200 или 1:300 по отношению к АА. Для введения в гель линейного полисахарида готовили растворы гуара или геллана (С = 2% масс.), интенсивным перемешиванием порошка полисахарида с водой при комнатной температуре. Суспензию оставляли для получения однородной системы на сутки. Далее полученный раствор полисахарида использовали для приготовления разбавленных растворов с концентрациями: 1,5%, 1%, 0,5% и 0,1%. Для инициирования полимеризации в реакционную систему добавляли ПСА в количестве 5 ммоль/л. Полимеризацию проводили в цилиндрических полиэтиленовых формах при 70°С в течение 60 мин. На рисунке 2 приведены химические реакции приводящие к получению геля ПАА.

Рисунок 2. Химические реакции синтеза геля ПАА: а) реакция распада инициатора ПСА; б) реакция роста полимерной цепи; в) реакция сшивания макрорадикалов молекулой МДАА

После полимеризации гели промывали в течение двух недель при ежедневной смене воды. Все синтезированные гели представляли собой сильно набухшие системы, сохраняющие форму в водной среде. Таким образом, было синтезировано 30 гелей отличающихся природой полисахарида, его содержанием в геле, а также степенью сшивки (содержанием МАДД) сетки ПАА. Кроме этого, для сравнения, были синтезированы гели ПАА не содержащие полисахаридов с различной степенью сшивки. На рисунке 3 приведена фотография кусочков гелей ПАА (1:300) содержащих геллан (слева на право содержание полисахарида в геле увеличивается от 0,1% до 2% исходного раствора для синтеза).

Рисунок 3. Фотографии синтезированных гелей

Известно, что фазовое состояние растворов и гелей полимеров можно оценить визуально по прозрачности систем, которая в свою очередь связана со степенью рассеивания света межфазными поверхностями гетерогенных включений. Так, обнаружено, что гели, содержащие геллан прозрачны при всех использованных концентрациях полисахарида, и всех степенях сшивки сетки ПАА. Гели, содержащие гуар при любой степени сшивки, проявляли тенденцию к фазовому разделению с увеличением содержания полисахарида. Таким образом, результаты визуального анализа синтезированных гелей позволяют предположить их структурную организацию. Гели с гелланом устроены по типу полувзаимопроникающей сетки, где сетка ковалентно-сшитого ПАА пронизана макромолекулами геллана, также формирующими физическую сетку зацеплений. По-видимому, в гелях с гуаром гетерогенные области формируют макромолекулы полисахарида в глобулярных конформациях. Такое предположение может быть основано на том, что гуар не образует гомогенных водных растворов, даже при повышенных температурах, а геллан гомогенизируется в воде при температуре 70°С, в данном случае при температуре синтеза гелей. В этой связи, неожиданным стало получение прозрачных гелей с гуаром при низких концентрациях полисахарида. Возможно, это связано с недостаточным содержанием гетерогенных объектов для их визуального наблюдения, либо с тем, что макромолекулы гуара могут гомогенизироваться в среде ПАА за счет межцепного ван-дер-ваальсового взаимодействия. Установление баланса сил межмолекулярного взаимодействия в трёхкомпонентной системе «ПАА – полисахарид – вода» требует постановки специального эксперимента с использованием соответствующих методов анализа [6].

Следующим этапом работы стало измерение степени набухания синтезированных гелей методом гравиметрии. В таблице 1 приведены измеренные величины степени набухания в зависимости от содержания полисахарида, его природы и степени сшивки ПАА.

Таблица 1.

Значения степени набухания* гибридных гелей ПАА, содержащих полисахариды гуар и геллан

Как видно из таблицы степень набухания гелей зависит от густоты сетки ПАА и полученные значения подчиняются известной закономерности: чем больше степень сшивки, тем меньше степень набухания гидрогеля. Введение полисахарида (геллана или гуара) в сетку ПАА любой степени сшивки приводит к уменьшению степени набухания геля. Это уменьшение тем больше, чем больше степень набухания чистого ПАА. Далее, для гуара, с увеличением содержания полисахарида степень набухания изменяется не значительно, а для геллана степень набухания увеличивается до значений превышающих степень набухания чистого ПАА. Наблюдаемые закономерности также могут быть обсуждены с учетом конформаций полисахаридов в растворе. По-видимому, глобулы гуара выступают как дополнительные узлы сетки зацеплений в структуре гибридного геля. С увеличением содержания гуара его сродство к воде не изменяется, т.к. система гетерогенна, и поэтому степень набухания не изменяется. Уменьшение степени набухания гелей при добавлении к сетке ПАА геллана может быть связано с сильным межцепным взаимодействием макромолекул и исключении их из процесса гидратации. С увеличением содержания геллана его межмолекулярные связи с ПАА насыщаются и полисахарид начинает участвовать в процессе гидратации, что приводит увеличению степени набухания гелей.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ 16-08-00609.