Систематические исследования, направленные на установление взаимосвязи между химической структурой, конформацией и физическими свойствами ионогенных макромолекул (полиэлектролитов и полиамфолитов), а также их комплексов в растворах способствуют созданию новых полимерных наноматериалов с тонко регулируемыми свойствами. Такие исследования особенно актуальны для синтетических биологически релевантных систем, биоактивность которых непосредственно связана с физико-химическими характеристиками (размер, масса, конформация, плотность заряда, среда растворителя и т.д.) полимерного носителя.
Проект направлен на изучение структуры, конформации и физических свойств макромолекулярных систем с потенциальной биологической активностью на основе полиэлектролитов и низкомолекулярных ионогенных веществ в растворах. Новизна предлагаемого исследования заключается в детальном изучении влияния структуры ионогенных веществ на комплекс физико-химических характеристик (гидродинамических, оптических, динамических) образуемых полиэлектролитных комплексов и макромолекул-наночастиц, полученных путем мицеллярной полимеризации, либо с использованием «сшивателя», в растворах. Не менее важные аспекты, определяющие новизну предполагаемых исследований, обусловлены направленным выбором исследуемых объектов и комплексностью запланированных исследований.
Будут получены сведения о влиянии структуры низкомолекулярных ионогенных молекул (тип ионогенной группы, длина и тип гидрофобного фрагмента, число ионогенных групп в молекуле и т.д.) на свойства полимерных систем, комплексов и макромолекул-наночастиц. Отдельно будет изучен вопрос, в какой мере внешние условия (среда растворителя, температура, ионная сила, pH и т.д.) влияют на конформацию, гидродинамические и оптические свойства изучаемых структур. Также будут получены сведения о влиянии сшивающих агентов (с различными концевыми функциональными группами) на конформацию и физические свойства макромолекул–наночастиц. Также планируется получить сведения о влиянии заряда (противоион/цвиттерион) концевых групп на физико-химические характеристики изучаемых макромолекул в растворах. На основании полученных в проекте результатов могут быть выработаны дальнейшие рекомендации по практическому использованию изученных биологически активных полимерных носителей.
В настоящее время значительное внимание уделяется созданию макромолекул с различными функциональными группами и инновационных полимерных материалов на их основе с тонко регулируемыми физико-химическими свойствами, в том числе способных к биологической активности. Основной интерес представляют водорастворимые функциональные карбоцепные полимеры, которые находят широкое применение в медицине и фармацевтике в качестве иммуностимуляторов, носителей лекарственных веществ и др. Наличие ионных либо ковалентных связей позволяет инкапсулировать лекарственное вещество в полимерном материале. Строение полимера, вариация его функциональных групп, природа связи лекарственное вещество-полимер, а также использование различных химических «сшивателей» оказывают существенное влияние на весь комплекс физико-химических характеристик полимерных систем в растворах и имеют решающее значение при создании систем с прогнозируемыми характеристиками.
В основе проекта лежит фундаментальная научная проблема: установление взаимосвязи между химической структурой, конформацией и физическими (гидродинамическими, оптическими и др.) свойствами макромолекул ионогенных полимеров (полиэлектролитов и полиамфолитов), а также их комплексов в растворах. Успешная реализация проекта будет способствовать созданию новых полимерных наноматериалов и комплексов на их основе с тонко управляемыми свойствами.
Целями проекта являются:
- подбор условий и формирование полимерных систем с заданными свойствами на основе полиэлектролитов и низкомолекулярных ионогенных веществ, обладающих/способных к биоактивности (с направленно варьируемой структурой молекул) в растворах;
- изучение структуры, конформации и физических свойств полимерных систем, их комплексов и макромолекул-наночастиц, и установление влияния на эти свойства строения и физико-химических характеристик отдельных компонент, а также среды растворителя.
Основные результаты:
- впервые методами гидродинамики исследован гомологический ряд образцов ПА Na в фосфатном буфере и 0.05М водном NaCl, получены уравнения МКХ, определена длина модельного сегмента и гидродинамический диаметр полимера;
- исследование комплексообразования ПА Na с олигоэтилениминами в фосфатном буфере методом динамического рассеяния света показало, что в растворе присутствуют объекты с размерами, соответствующими гидродинамическим радиусам исходного полиэлектролита ПА Na, а также крупные частицы комплекса;
- практически не наблюдается изменения размера крупных частиц комплекса от количества аминогрупп в олигоэтиленимине, а также их изменения от молекулярной массы ПА Na. При уменьшении pH до 2 наблюдается уменьшение доли малых частиц и увеличении доли крупных частиц комплекса. Размер частиц комплекса при этом меняется незначительно;
- исследовано комплексообразование ПА Na c дикатионными линкерами и показано, что в широком диапазоне соотношений ионогенные группы линкеров/ мономерные звенья полимера (0,2 ÷ 5,7) в фосфатном буфере образуются преимущественно внутримолекулярные комплексы;
– в присутствие ПА Na происходит разрушение мицелл низкомолекулярных агентов в широком диапазоне концентраций (в фосфатном буфере).
- показано, что формирование комплексов ПАМПС-ДЭТА или ПАМПС-ПЭГА происходит лишь при кислых pH среды: на распределениях интенсивности рассеянного света по гидродинамическим радиусам появляется пик, соответствующий крупным частицам. При нейтральных pH среды распределения характеризовались лишь одним пиком, соответствующим диффузии индивидуальных макромолекул ПАМПС-Na;
- показано отсутствие выраженного межмолекулярного агрегирования в широком диапазоне соотношений компонент в разбавленных растворах в фосфатном буфере;
- показано, что присутствие полимеров ПАМПС-Na (как и ПА-Na) приводит к разрушению мицелл низкомолекулярных агентов в широком диапазоне концентраций (в фосфатном буфере);
- показано отличие в конформационном поведении ПАМПС-Na в присутствии низкомолекулярной соли NaBr и в присутствии дикатионных сшивающих агентов в широком диапазоне концентраций (в воде), свидетельствующее о сшивании индивидуальных макромолекул полимера.
- гидратация поликатионов оказывает решающее влияние на свойства ионных полимеров в водно-солевых средах;
- увеличение размера ионов галогена способствует конденсации объемных анионов на полиэлектролитной цепи;
- присутствие звеньев ДАМА в сополимере положительно влияет на его растворимость в присутствии ионов йода;
- водные растворы поли(ДДМХ), содержащие ионы йода, приобретают термочувствительные свойства;
- сополимеризация ДДМХ с ДАМА дает чувствительные к рН полимеры
1. Исследование комплексообразования ПАМПС-Na с низкомолекулярными дикатионными сшивающими агентами:
Для изучения процессов комплексообразования в разбавленных растворах ПАМПС-Na с низкомолекулярными дикатионными сшивающими агентами был выбран тот же образец ПАМПС-Na, что и в предыдущем случае. В качестве дикатионных сшивателей были выбраны додекаметилен-ди-пиридиний бромид (С12(PyBr)2) и додекаметилен-ди-триметиламоний бромид (C12(NMe3Br)2). Основными методами исследования: динамическое рассеяние света, вискозиметрия и спектрофотометрия.
Исследования проводили в фосфатном буфере, воде и водно-солевых растворителях.
Результаты исследования динамического рассеяния света показали отсутствие выраженного межмолекулярного агрегирования в широком диапазоне соотношений компонент в разбавленных растворах.
Оценка доли второй компоненты распределений по размерам свидетельствует об отсутствии существенного агрегирования в широком диапазоне концентраций линкера в смесях: доля крупных образований даже при наибольшем содержании линкера C12(NMe3Br)2 не превышает десятые доли процента.
Подтверждение отсутствия выраженного межмолекулярного агрегирования в растворах содержащих ПАМПС-Na +C12(NMe3Br)2 было получено путем измерения относительной вязкости растворов при близких концентрациях полимера и вариации содержания линкера.
Отсутствие существенного изменения интенсивности рассеяния комплексов при фиксированном значении концентрации полимера и вариации доли линкера, также показывает отсутствие существенного образования межмолекулярных комплексов, детектированного ранее при анализе зависимостей обратного времени релаксации от q^2.
Методом спектрофотометрии нам удалось показать, что присутствие полимеров ПАМПС- Na и ПА-Na приводит к разрушению мицелл низкомолекулярных агентов в широком диапазоне концентраций (в фосфатном буфере). Изменения в процессе мицеллообразования в ФБ (возможность и положение критической концентрации мицеллообразования (ККМ)) при переходе от Н2О к ФБ были исследованы на примере модельного соединения АУТАБ.
Методом вискозиметрии показано отличие в конформационном поведении ПАМПС-Na в присутствии низкомолекулярной соли NaBr и в присутствии дикатионных сшивающих агентов в широком диапазоне концентраций (в воде), свидетельствующее
о внутримолекулярной сшивке молекул ПАМПС-Na.
2. Исследование полимерных мицелл (поли N-акрилоилоксиундецилпиридиний бромид (pAUPy-Br), поли N-акрилоилоксиундецилхинолиний бромид (pAUQui-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилпиперидиний бромид (pAUPP-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилморфолиний бромид (pAUMMorph-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-триэтиламмоний бромид (pAUTEA-Br)), различающихся по химической структуре полярной группы:
Методами вискозиметрии и динамического рассеяния света были исследованы образцы полимерных мицелл (поли N-акрилоилоксиундецилпиридиний бромид (pAUPy-Br), поли N-акрилоилоксиундецилхинолиний бромид (pAUQui-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилпиперидиний бромид (pAUPP-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилморфолиний бромид (pAUMMorph-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-триэтиламмоний бромид (pAUTEA-Br)), обладающих люминесцентными и биологически активными характеристиками. Мономеры данных полимеров различается по химической структуре полярной группы.
Все исследованные полимеры можно отнести к классу сильных поликатионов. В водных средах они ионизируются вследствие диссоциации и перехода аниона брома в раствор. Как показывают исследования, мономеры всех исследованных полимеров демонстрируют поверхностно-активные свойства.
Исследования молекулярных характеристик указанных выше полимеров проводили в воде при добавлении низкомолекулярной соли NaCl до концентрации 0.05M. При этой концентрации соли наблюдалось частичное подавление полиэлектролитного эффекта, выражавшееся в линеаризации концентрационной зависимости приведенной вязкости. Коэффициент диффузии макромолекул исследованных образцов определяли методом динамического рассеяния света (ДРС) из экстраполяции концентрационных зависимостей, измеряемых при конечных концентрациях растворов значений коэффициентов диффузии. Распределения интенсивности рассеянного света по гидродинамическим радиусам для всех исследованных образцов имели мульти модальный характер (рис. 4а.1). Эти зависимости, по всей видимости, отражают высокую полидисперсность полученных образцов и склонность к агрегации, вследствие их амфифильной природы. Среди исследованных образцов ярко выделяется pAUQui-Br, крайне малыми значениями гидродинамического радиуса. Данный полимер лишь частично растворялся в 0.05M NaCl, поэтому точное определение его характеристической вязкости было крайне затруднено. Оценка показала, что характеристическая вязкость pAUQui-Br составляла несколько десятых единиц дл/г, что также свидетельствует о его низкой молярной массе.
Молярную массу исследованных полимеров определяли с использованием гидродинамического инварианта A0.
В рамках работы над проектом была сделана оценка конформационных характеристик образцов полимеризованных мицелл с различной полярной группой. Для образцов pAUMMorph-Br и pAUTEA-Br, попадающих в «рабочий» диапазон уравнения Марка- Куна-Хаувинка наблюдались более высокие значения характеристической вязкости, нежели чем для образцов pAUTA-Br близкой степени полимеризации. По всей видимости, наличие крупных ионных фрагментов в боковой цепи pAUMMorph-Br и pAUTEA-Br приводит к увеличению влияния стерических эффектов в полимерной цепи и возможному ее ожестчению.
Значения степеней полимеризации образцов pAUPy-Br и pAUPP-Br выходят за рамки «рабочей» области уравнения Марка-Куна-Хаувинка, вследствие чего сопоставление их свойств со свойствами pAUTA-Br может иметь лишь качественный характер. Было установлено, что значения характеристической вязкости для данных полимеров значительно различаются с теми, которые могли бы иметь полимеры pAUTA-Br близкой степени полимеризации. Можно предполагать, что столь сильные различия в соотношении масс и характеристических вязкостей связаны с высокой полидисперсностью данных полимеров.
3. изучение зависимости конформационного поведения полимера от длины гидрофобного линкера между полимерной цепочки и функциональной группой на примере N-(11-акрилоилоксиундецил)-триметиламмония бромида (pAUTA-Br), а также N-(9-акрилоилоксинонил)-триметиламмония бромида (pANTA-Br), N-(6-акрилоилоксигексил)-триметиламмония бромида (pAHTA-Br) и N-(3-акрилоилоксипропил)-триметиламмония бромида (pAPTA-Br):
Были изучены гидродинамические и оптические свойства для (pAUTA-Br), а также (pANTA-Br), (pAHTA-Br) и (pAPTA-Br).
Исследования проводились методами вискозиметрии и динамического рассеяния света в водном растворе при добавлении низкомолекулярной соли NaCl до концентрации 0.05M и температуре 25C.
Распределения интенсивности рассеянного света по гидродинамическим радиусам для исследованных систем имело мультимодальный характер, что может свидетельствовать о полидисперсности исследованных полимеров.
Молярную массу исследованных полимеров определяли с использованием гидродинамического инварианта A0.
Были изучены зависимости конформационного поведения полимера от длины гидрофобного линкера между полимерной цепочки и функциональной группой. Для этого было произведено сопоставление эмпирической зависимости Марка-Куна-Хаувинка для полимера pAUTA-Br с данными по характеристической вязкости исследованных в рамках работы над проектом полимеров.
Сопоставление зависимостей Марка-Куна-Хаувинка для pAUTA-Br с точками, полученными для исследованных образцов с различающейся длиной линкера, между основной цепью и полярной группой показывает, что данные по образцам pAC9-Br и pAC6-Br достаточно хорошо легли на зависимость Марка-Куна-Хаувинка для pAUTA-Br, чего нельзя отметить для образца pAC3-Br. Значение произведения молярной массы мономера на его характеристическую вязкость лежит заметно ниже зависимости Марка-Куна-Хаувинка для pAUTA-Br. Этот факт хорошо коррелирует с предположением о том, что важным вкладом в величину равновесной жесткости является стерические эффекты, проявляющиеся в увеличении длинны сегмента Куна при увеличении длины бокового заместителя в гребнеобразных макромолекулах. Таким образом, несмотря на то, что основной вклад в конформационные характеристики исследованных систем вносят зарядовые эффекты, различия в длине бокового заместителя в полиакриловой цепи важным образом сказываются на конформации исследованных полимеров.
- исследовано комплексообразование ПА-Na c дикатионными линкерами и показано, что в широком диапазоне соотношений ионогенные группы линкеров/ мономерные звенья полимера (0,2 ÷ 5,7) в фосфатном буфере образуются преимущественно внутримолекулярные комплексы;
– в присутствие ПА-Na происходит разрушение мицелл низкомолекулярных агентов в широком диапазоне концентраций (в фосфатном буфере).
-показано отсутствие выраженного межмолекулярного агрегирования в широком диапазоне соотношений компонент в разбавленных растворах в фосфатном буфере;
-показано, что присутствие полимеров ПАМПС-Na (как и ПА-Na) приводит к разрушению мицелл низкомолекулярных дикатионных линкеров в широком диапазоне концентраций (в фосфатном буфере);
-показано отличие в конформационном поведении ПАМПС-Na в присутствии низкомолекулярной соли NaBr и в присутствии дикатионных сшивающих агентов в широком диапазоне концентраций (в воде), свидетельствующее о сшивании индивидуальных макромолекул полимера;
- сделана оценка конформационных характеристик образцов полимеризованных мицелл с различной полярной группой: (поли N-акрилоилоксиундецилпиридиний бромид (pAUPy-Br), поли N-акрилоилоксиундецилхинолиний бромид (pAUQui-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилпиперидиний бромид (pAUPP-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилморфолиний бромид (pAUMMorph-Br), поли N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-триэтиламмоний бромид (pAUTEA-Br)), обладающих люминесцентными и биологически активными характеристиками. Эмпирическая зависимость [η]M0 от степени полимеризации z для образцов pAUTA-Br различной молярной массы и образцов полимерных мицелл показывает, что для образцов pAUMMorph-Br и pAUTEA-Br, попадающих в «рабочий» диапазон уравнения Марка-Куна-Хаувинка, наблюдаются более высокие значения характеристической вязкости, нежели для образцов pAUTA-Br близкой степени полимеризации. По всей видимости, наличие крупных ионных фрагментов в боковой цепи pAUMMorph-Br и pAUTEA-Br приводит к увеличению влияния стерических эффектов в полимерной цепи и возможному ее ожестчению.
- проведено изучение зависимости конформационного поведения полимера от длины гидрофобного линкера между полимерной цепочки и функциональной группой путем исследования гидродинамических свойств серии полимеров: N-(11-акрилоилоксиундецил)-триметиламмония бромида (pAUTA-Br, рАС11-Br),), N-(9-акрилоилоксинонил)-триметиламмония бромида (pANTA-Br, рАС9-Br), N-(6-акрилоилоксигексил)-триметиламмония бромида (pAHTA-Br, рАС6-Br) и N-(3-акрилоилоксипропил)-триметиламмония бромида (pAPTA-Br, рАС3-Br). Показано, что если данные по образцам pAC9-Br и pAC6-Br достаточно хорошо легли на зависимость Марка-Куна-Хаувинка для pAUTA-Br, то для образца pAC3-Br значение [η]M0 лежит заметно ниже указанной зависимости. Этот факт хорошо коррелирует с предположением о том, что важный вклад в величину равновесной жесткости вносят стерические эффекты, проявляющиеся в увеличении длины сегмента Куна при увеличении длины бокового заместителя в гребнеобразных макромолекулах. Несмотря на то, что основной вклад в конформационные характеристики исследованных систем вносят зарядовые эффекты, различия в длине бокового заместителя в полиакриловой цепи важным образом сказываются на конформации исследованных полимеров.
Лезова Александра Андреевна 10%
Михайлова Мария Евгеньевна 10%
Сеньчукова Анна Сергеевна 10%
Лезов Алексей Андреевич 10%
Губарев Александр Сергеевич 10%
Цветков Николай Викторович (Р) 10%
Подсевальникова Анна Николаевна 10%
Микушева Нина Георгиевна 10%
Полушина Галина Евгеньевна 10%
Фетина Вероника Ивановна 10%
| Акроним | RFBR_a_2019 - 3 |
|---|
| Статус | Завершено |
|---|
| Эффективные даты начала/конца | 27/03/21 → 28/12/21 |
|---|
