Структура и свойства хитозановых плёнок и покрытий, получаемых из растворителей на основе диоксида углерода под высоким давлением, страница 2

Petersburg,Russia); «ХI Конференция студентов и аспирантов НОЦ по физике и химииполимеров и НОЦ по нанотехнологиям МГУ», (9 декабря 2011, Москва, Россия);Всероссийская конференция «Актуальные проблемы физики полимеров ибиополимеров», посвященная 100-летию со дня рождения М.В. Волькенштейна иА.А. Тагер», (15-17 октября 2012, Москва, Россия); четвёртая Всероссийскаяшкола-конференция для молодых учёных "Макромолекулярные нанообъекты иполимерные нанокомпозиты", (21-26 октября 2012 Московская область пансионат"Союз", Россия).Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов РФФИ(проектов № 10-03-00886-a, 11-03-01062-a, 12-03-31863 «мол_а»).Личный вкладРезультаты, представленные в работе, были получены либо лично автором,либо при его участии.

В частности, автором были отработаны методики полученияхитозановых композитных пленок и покрытий из растворителей на основедиоксида углерода, наработаны все образцы, подлежавшие исследованию в рамкахработы, а также проведена интерпретация полученных экспериментальныхрезультатов и объяснены наблюдаемые закономерности. Автор лично выполнилвсе эксперименты по АСМ-визуализации макромолекул и провел последующийстатистический анализ их конформации.ПубликацииОсновные результаты по теме диссертации были изложены в 12 печатныхработах, 4 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ [1-4],8 — в тезисах докладов.7Структура и объём диссертацииДиссертационная работа изложена на 177 страницах печатного текста ивключает 40 рисунков и 18 таблиц.

Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения, выводов и списка цитируемой литературы (170 наименований).Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы задачи ицели исследования.Первая глава содержит обзор литературы по теме работы. В первой части этойглавы излагается обзор физико-химических и антимикробных свойств хитозана,анализируется растворимость хитозана в водных растворах кислот. Представленыданные о размерах мономерного звена и персистентной длине макромолекулхитозана. Анализируются данные о конформации хитозановых макромолекул вводных растворах кислот и при их осаждении из этих растворов на плоскуюподложку.Во второй части главы анализируется возможность и перспективы примененияск СО2 и угольной кислоты в качестве растворителей хитозана для созданияхитозановых пленок и покрытий.В третьей части главы излагается обзор литературы по получениюхитозановых растворов в классическом растворителе хитозана — уксусной кислотес наночастицами серебра, анализируется механизм формирования наночастицсеребра в этих растворах и закономерности формирования конденсированныхкомпозитных хитозановых пленок из таких растворов.В четвертой части главы излагаются данные о структуре коллагеновой матрицыперикарда биопротезных клапанов сердца и анализируется решение задачиснижения кальцификации матрицы путем её покрытия хитозаном.В пятой части главы ставятся задачи исследования исходя из текущегофундаментально-научного и научно-технического уровня.

Представленыобоснования возможности использования растворителей на основе диоксидауглерода под высоким давлением для создания абсолютно биосовместимыххитозановых пленок и покрытий.Во второй главе представлена экспериментальная часть работы, в которойизложены основные экспериментальные методики и подходы, а также описаныматериалы и оборудование, которые были применены для решения задачисследования.В третьей главе представлены результаты исследования методом АСМ8индивидуальныххитозановыхмакромолекулсразличнойстепеньюацетилирования, осажденных на плоскую подложку слюды из растворов в ск СО2при фиксированных условиях экспозиции (см.

рис.1). Был проведенстатистический анализ серий многих АСМ изображений для каждого исследуемогополимерного образца, в результате были определены: средняя контурная длина,расстояние между концами макромолекул, фактор полидисперсности, высоты надуровнем подложки и показатель экспоненты ν — определяющий корреляциюмежду концами макромолекул и их контурной длиной, согласно уравнению:< 2 >= ∙ 2 ,(1)Рис.

1. АСМ изображения макромолекул, нанесенных на подложку слюды непосредственно израстворов в ск СО2 (Р=70 МПа, Т=70ᵒС, время экспозиции 2-4 часа) для: образца хитозана состепенью ацетилирования 15% (А,Г); образца хитозана со степенью ацетилирования 15% икомплексованного кальцием (Б,Д); образца хитозана со степенью ацетилирования 50%. Размеробласти сканирования (А,Б,В): 4×4 мкм2, (Г,Д,Е): 2×2 мкм2. Масштабная линия 500 нм, шкалавысот 10 нмОбнаружено, чтоплоскую подложку,макромолекулярноговысоком значениидля макромолекул хитозана, осажденных из ск СО2 нахарактерно наличие высокой степени расправленностиконтура как целого, что количественно выражается впоказателя ν=0,78–0,80, что немного выше, чем9характеристическое значение для статистики двумерных случайных блужданийбез самопересечений (рис.1, рис.2).

Завышение показателя ν связано срасправленностью общего макромолекулярного контура в связи со взаимнымстерическим отталкиванием локальных компактизованных участков цепи сэлементами вторичной структуры, в результате чего происходит увеличениеобщей эффективной жесткости цепи (рис.1).Рис. 2. Корреляции между контурными длинами и средним квадратом расстояния между концамицепи для образцов хитозана со степенью ацетилирования 15% и хитозана комплексованного скальцием (степень ацетилирования 15%)Была оценена вероятность макромолекулярных зацеплений в гипотетическойпленке, сформированной последовательным нанесением макромолекул хитозанаиз ск СО2 на подложку при таких условиях:=1,(2)()где ϕ(ν) – поверхностная доля полимера в двумерном клубке, определяетсявыражением:() == 2=2~−2+1(3)Значит, ~2−1 и, следовательно, для большего значение ν, ожидаетсябольшая степень начального взаимного зацепления полимерных цепей впленочныхпокрытиях,которыеможнопотенциальноформироватьпоследовательным нанесением макромолекул из ск СО2.Следовательно, то, что макромолекулы исследованных хитозановых образцовосаждаются из растворов в ск СО2 в виде расправленных структур со сравнительнобольшим значением показателем скейлинговой экспоненты (ν>3/4), являетсяблагоприятным фактором с точки зрения ожидаемой механической стабильностихитозановых покрытий, которые можно потенциально формировать осаждением из10растворов в ск CO2.Путем определения среднего количества молекул на единицу площадиподложки, сканированной АСМ, для каждого из образцов хитозана можно оценитьих достижимую концентрацию в растворе ск СО2.

Считая, что макромолекулыодинаково осаждаются на всю доступную поверхность (включая подложку истенки автоклава), зная общую поверхность, доступную для их осаждения, иповерхностную плотность на подложке по результатам систематических АСМнаблюдений, можно оценить их количество, содержавшееся в объёме автоклава врастворе, и, следовательно, объем занимаемый всеми раствореннымимакромолекулами.

Форму молекулы в среднем аппроксимировали цилиндромдиаметром 2 нм и длиной 300 нм. Тогда объём одной такой молекулы —V ≈ π*1нм2*300нм ≈ 940 нм3. Суммарная площадь внутренней поверхности, накоторую осаждаются молекулы, определяется площадью поверхности камеры,имеющей форму цилиндра (радиус цилиндра – 1см, высота – 3 см), и площадьюповерхности подложки, что в сумме составляет S≈30 см2. Таким образом, оценитьдостижимую концентрацию исследованных хитозановых образцов в ск СО2 можноспомощьюсравнительногоанализаповерхностнойконцентрациивизуализированных макромолекул этих образцов, согласно формуле (4):с= 2 ∗(⁄ ∗ )(4)Где ρ – плотность хитозана, N – среднее число молекул на 1мкм2 , R и L– радиус идлина цилиндра, аппроксимирующего усреднённую макромолекулу хитозана, S –площадь суммарной внутренней поверхности камеры, S* - площадь 1мкм2, V –объем автоклава, где проводилось осаждение из ск СО2.

Полученная оценкадостижимой концентрации является оценкой снизу, поскольку учитывается толькота часть хитозанового материала, которая была осаждена на внутреннююповерхность камеры, однако некоторая неизвестная часть материала может уходитьвместе с раствором при декомпрессии и не давать вклад в приповерхностнуюконцентрацию макромолекул хитозана. Тем не менее, мы полагаем, что онакоррелирует с реальной концентрацией в растворе и может быть использована длясравнительного анализа растворимости различных образцов.Была обнаружена немонотонная зависимость растворимости хитозановыхобразцов от степени ацетилирования в ск СО2, рассчитанной согласно формуле (4),оценка достижимой концентрации хитозановых образцов составила порядка 10-5г/л. Несмотря на то, что данная оценка растворимости является оценкой снизу, вцелом растворимость невелика и слишком мала для практического примененияметода прямого осаждения хитозана из ск СО2 с целью получения покрывающих11всю площадь подложки хитозановых покрытий, однако растворимость хитозана вск СО2 можно улучшить либо повышением давления СО2 (>100МПа), либодобавлением сорастворителей (вода, этанол).Таким образом, в третей главе исследованы закономерности осажденияиндивидуальных хитозановых покрытий при прямом осаждении из растворов в скСО2.

Было показано, что ограниченная растворимость хитозана в этой средеприводит к специфической конформации хитозановых цепей, осажденных наплоскую подложку, а также, что высокая степень расправленностимакромолекулярных контуров позволяет ожидать хорошего качества покрытий,которые можно, потенциально, формировать методом прямого осаждения израстворов в ск СО2.В четвертой главе излагаются результаты исследования структуры и свойствколлагеновой матрицы перикарда теленка (коллаген типа I) с хитозановымпокрытием, полученным нанесением из растворов в угольной кислоте.

В главе 3мы отметили, что существуют две стратегии улучшения растворимости хитозана вск СО2 с сохранением биосовместимых свойств растворителя: использование болеевысоких давлений >100 МПа, или добавление биосовместимых сорастворителей,например воды. Наш экспериментальный поиск мы проводили следуя второйстратегии, а именно, добавляли воду в автоклав и создавали высокое давлениедиоксида углерода (Р=15-30 МПа, Т=20-25ᵒС, время экспозиции — 2-3 часа,). Мыобнаружили, что гораздо лучшей растворимостью хитозан обладает не в ск СО2 сводой в качестве сорастворителя, а в воде занимаемой половину объема автоклаваи насыщаемой СО2 под высоким давлением, то есть в угольной кислоте. Оказалось,что растворимость хитозана в угольной кислоте составляет порядка 10 г/л, взависимости от молекулярной массы хитозана и условий экспозиции (давления,температуры).