Агрегация хитозана и его производных в разбавленных водных растворах, страница 3

Типичная микрофотография агрегатовпредставлена на рис.5. Видно, что форма агрегатов близка к сферической.Средний радиус агрегатов по данным ПЭМ намного меньшегидродинамического радиуса агрегатов RH agg (табл.2), полученного с помощьюметода светорассеяния. Такое различие, по-видимому, связано с тем, что в первомметоде наблюдают высохшие агрегаты на подложке, в то время как светорассеяниедает размер набухшего агрегата в растворе.-12-Рис.5. Микрофотография агрегата хитозана (ММ=70000 г/моль), полученнаяметодом ПЭМ.Таким образом, впервые обнаружено, что размер агрегатов хитозана и ГМхитозана не зависит от молекулярной массы полимера, а агрегационное числорастет с уменьшением длины полимерной цепи, при этом агрегаты представляютсобой наногели с более плотным ядром и разреженной оболочкой.III. Влияние гидрофобных групп на агрегациюГМ хитозан получали путем введения в макромолекулы хитозана боковыхгидрофобных н-додецильных групп.

Можно ожидать, что в случае ГМ полимераагрегаты в водной среде будут образовываться за счет формирования двух типовсшивок между полимерными цепями: (1) гидрофобных мицеллоподобныхдоменов, типичных для полиэлектролитов с боковыми гидрофобными группами,(2) сшивок, присутствующих в агрегатах самого хитозана.Чтобы оценить влияние ковалентно связанных гидрофобных групп наагрегацию хитозана, провели сравнение данных для ГМ и немодифицированногохитозана.

Показано, что независимо от наличия гидрофобных заместителей врастворе всегда присутствуют два типа частиц: одиночные макромолекулы иагрегаты (рис. 6). Введение в полимерную цепь гидрофобных групп приводит кувеличению массовой доли агрегатов xagg (табл.4), то есть гидрофобныевзаимодействия способствуют ассоциации одиночных макромолекул. Из табл.3 и 4видно, что гидродинамический радиус агрегатов ГМ хитозана и их агрегационноечисло больше, чем для его немодифицированного аналога. Это объясняется тем,-13-что гидрофобные группы увеличивают притяжение между полимернымицепочками, что способствует вовлечению бόльшего числа макромолекул в одинагрегат и, как следствие, ведет к росту агрегатов. Следует отметить, что агрегатыГМ хитозана также, как и агрегаты немодифицированного хитозана, имеютсферическую форму, согласно данным ПЭМ.121.00.8A(t)0.60.40.20.00.011, мс1040Рис.6.

Распределение интенсивности рассеянного света по временамрелаксации для водного раствора немодифицированного (1) и ГМ хитозана (2)(ММ=75000 г/моль), содержащего 4 мол.% н-додецильных групп, с концентрацией0,6 г/л на угле рассеяния θ=90° в присутствии 0,3М уксусной кислоты и 0,05Mацетата натрия.Табл.4.

Размеры агрегатов и одиночных макромолекул, массовая доляагрегатов xagg и их агрегационное число Nagg в водных растворах хитозана и ГМхитозана, содержащих 0,3М уксусной кислоты и 0,05M ацетата натрия.Содержание нR , нмдодецильных групп, мол.% H uni02415±114±114±1RH agg, нмRg agg, нмxaggNagg135±8145±5180±1087±290±2102±28±115±220±215±248±549±3Таким образом, показано, что доля агрегированных макромолекул,гидродинамический радиус агрегатов и их агрегационное число в случае ГМхитозана больше, чем у его немодифицированного аналога, что связано сдополнительным вкладом боковых н-додецильных групп в энергию притяжения.-14-Отношение Rg/RH для агрегатов ГМ хитозана лежит в диапазоне 0,57-0,62. Какотмечено выше, столь низкие значения Rg/RH указывают на то, что агрегатыпредставляют собой наногели с более плотным ядром и сильно набухшейоболочкойи,следовательно,характеризуютсязначительнобόльшимгидродинамическим радиусом по сравнению с радиусом инерции, чем длянепроницаемой сферы с тем же радиусом инерции.

Образование такого набухшегоповерхностного слоя можно объяснить двумя причинами. Первая причина состоитв том, что в поверхностном слое домены, играющие роль сшивок, намного меньше,чем в ядре, так как вблизи границы с растворителем из-за недостаткаассоциирующих групп их оптимальное содержание в домене не может бытьдостигнуто (рис.7). Небольшое количество ассоциирующих групп в доменахповерхностного слоя означает более низкую плотность в этой области. Втораяпричина – наличие свободных концов полимерных цепей на поверхности наногеля.Макромолекулы ГМ хитозана, модифицированные 2 и 4 мол.% гидрофобныхгрупп, имеют очень длинные концы полимерной цепи, не содержащие гидрофобов.Большинство таких концевых участков вытесняются из агрегата, потому что ненесут на себе ассоциирующих групп и, более того, имеют много заряженныхзвеньев, которые отталкиваются от одноименно заряженного агрегата.Рис.7.

Схематическое изображение агрегатов ГМ хитозана в водныхрастворах. Агрегат состоит из ядра с большим количеством плотных сшивок,образованных оптимальным количеством ассоциирующих групп ( ), иразреженного поверхностного слоя с низкой плотностью сшивок ( ),содержащих меньшее количество ассоциирующих групп, и свободными концамиполимерных цепей.-15-Рассмотрим теперь влияние количества н-додецильных групп в полимере наагрегацию. Из табл.4 видно, что при увеличении содержания гидрофобных группот 2 до 4 мол.% массовая доля агрегатов ГМ хитозана увеличивается, чтообъясняется усилением межмолекулярного притяжения, которое приводит кагрегации бóльшего числа одиночных макромолекул, уменьшая их долю врастворе.

Следует отметить, что агрегационное число при этом остаетсянеизменным (табл.4). Можно полагать, что это связано с двуслойной структуройагрегата, в которой гидрофобные группы преимущественно локализованы в ядре, агидрофильные группы – в оболочке. Это приводит к низкой поверхностнойэнергии такой системы, благодаря чему введение в полимерную цепь небольшогоколичества дополнительных гидрофобных групп уже не приводит кперестраиванию агрегатов с включением в него дополнительных макромолекул.Несмотря на постоянство агрегационного числа радиус агрегатов ГМ хитозанавозрастает при увеличении количества гидрофобных групп (табл.4), что указываетна уменьшение объемной доли полимера внутри агрегата.

Это может бытьобусловлено тем, что гидрофобные боковые группы затрудняют формированиекристаллитов, связывающих различные макромолекулы между собой, чтоприводит к более рыхлой упаковке полимерных цепей в агрегате.Таким образом, показано, что при изменении содержания н-додецильныхгрупп от 2 до 4 мол.% массовая доля агрегатов ГМ хитозана увеличивается из-заусиления межмолекулярного притяжения, при этом агрегационное число остаетсянеизменным, так как низкая поверхностная энергия делает невыгоднымвстраивание в агрегат дополнительных макромолекул.IV.

Влияние соли на агрегациюКонцентрация соли. Поскольку в исследуемых системах происходитагрегация одноименно заряженных макромолекул, то она должна существеннозависетьотэлектростатическихвзаимодействий.Чтобыварьироватьэлектростатические взаимодействия, в растворы добавляли низкомолекулярнуюсоль NaCl. Концентрацию соли изменяли в диапазоне 0,025-0,1 M, при этомвеличина радиуса Дебая rD менялась от 19 до 9,7 Å, оставаясь существенно большесреднего расстояния между заряженными звеньями l (5,5 Å) вдоль цепи, что-16-указывает на неполную экранировку электростатических взаимодействий вусловиях экспериментов.В табл.5 представлены результаты вискозиметрических измерений, изкоторых видно, что соль приводит к уменьшению характеристической вязкости,что обусловлено поджатием полимерных клубков одиночных макромолекул.

Этиданные согласуются с данными светорассеяния (табл.6), согласно которымгидродинамический радиус макромолекул RHuni уменьшается с увеличениемконцентрации соли. Из табл.5 видно также, что характеристическая вязкость независит от содержания гидрофобных групп, следовательно, гидрофобныевзаимодействия не ведут к дополнительной компактизации полимерного клубка.Таким образом, поджатие полимерных клубков объясняется двумя причинами:экранировкойэлектростатическихвзаимодействиймеждуодноименнозаряженными группами на цепи хитозана и уменьшением осмотического давленияпротивоионов, локализованных внутри макромолекул.Табл.5.

Характеристическая вязкость [η] разбавленных водных растворовГМ хитозана, содержащих 0,3M уксусной кислоты и разную концентрацию солиNaCl.Содержание н-додецильных групп,мол.%CNaCl, М0,0250,050,10,0250,050,124[η], л/г0,65±0,030,50±0,020,48±0,020,65±0,030,50±0,020,48±0,02Рассмотрим теперь влияние соли на агрегацию. Методом динамическогосветорассеяния показано (табл.6), что при увеличении концентрации соли массоваядоля агрегатов растет, т.е. соль способствует агрегации ГМ хитозана. В то жевремя агрегационное число Nagg не меняется (табл.6).

По-видимому, обедненнаяассоциирующими группами заряженная оболочка с низкой поверхностнойэнергией делает невыгодным рост агрегатов.Следует отметить, что соль приводит к незначительному изменению радиусаинерции Rg агрегатов в то время, как их гидродинамический радиус RH-17-существенно уменьшается по мере увеличения ионной силы (табл.6), чтоуказывает на то, что набухший слой наногеля поджимается в соли сильнее, чемболее плотное ядро. Поджатие агрегатов при постоянном содержании в нихмакромолекул можно объяснить экранировкой зарядов на цепи хитозана иуменьшением осмотического давления противоионов, локализованных внутриагрегата.Табл.6.

Гидродинамические радиусы одиночных макромолекул и агрегатов,массовая доля xagg агрегатов и их агрегационное число Nagg в разбавленных водныхрастворах ГМ хитозана, содержащих 0,3M уксусной кислоты и разнуюконцентрацию соли NaCl.Содержание ндодецильных групп,мол.%24CNaCl, М0,0250,050,10,0250,050,1RH uni, нм RH agg, нм Rg agg, нм24±219±115±124±219±115±1158±5134±5104±2160±5134±5106±373±171±169±277±275±270±2xaggNagg0,17±0,030,31±0,040,36±0,040,33±0,030,38±0,040,63±0,0519±219±318±220±220±319±2Таким образом, с ростом концентрации соли увеличивается доляагрегированных макромолекул, а агрегационное число остается постоянным.

Сольспособствует уплотнению и поджатию агрегатов ГМ хитозана.Тип соли. Эффект типа соли исследовали на примере двух моновалентныхсолей, отличающихся анионами: NaCl и CH3COONa. Из табл.6 и 7 видно, чтогидродинамические радиусы одиночных макромолекул в присутствии ацетатанатрия меньше, чем в присутствии хлорида натрия. Это можно объяснить тем, чтоацетат ионы эффективнее экранируют заряды на цепи хитозана. Причины этогомогут быть следующие.

Во-первых, ацетат-ион может фиксировать NH3+ группыхитозана между своими двумя атомами кислорода. Во-вторых, ионы ацетатасодержат гидрофобные участки, которые могут взаимодействовать с полимернойцепью посредством гидрофобных взаимодействий.Что касается агрегатов, то в присутствии ацетата натрия их размер, наоборот,несколько больше, а их агрегационные числа существенно выше, чем в присутствии-18-хлорида натрия. Это также можно объяснить более эффективным экранированиемзарядов на цепи хитозана ацетат-ионами, что позволяет встроиться в агрегатбольшему количеству одноименно заряженных макромолекул.Табл.7.