Диссертация (Структура и свойства катионных полиэлектролитов и комплексов на их основе)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСтруктура и Свойства Катионных Полиэлектролитов иКомплексов на их ОсновеПеревязко Игорь ЮрьевичСпециальность 02.00.06 – «Высокомолекулярные соединения»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор ф.-м. н. Н.В.

ЦВЕТКОВСанкт-Петербург2018-2-СодержаниеВведение ...................................................................................................... - 4 Глава 1. Теоретический Обзор .................................................................. - 9 1.1. Полиэлектролиты, Обзор и Современный Взгляд...........................

- 9 1.2. Гидродинамические и Конформационные Характеристики ................Макромолекул ............................................................................... - 11 1.2.1 Характеристическая Вязкость (Вращательное Трение)............. - 11 1.2.2. Скоростная Седиментация и Поступательная Диффузия ........ - 13 1.2.3. Самосогласованность Экспериментальных Данных, .......................Гидродинамические Инварианты ............................................... - 17 1.2.4. Степенные соотношения Куна-Марка-Хаувинка-Сакурады и ........Конформация Макромолекул в Растворе ...................................

- 18 1.2.5. Конформационные Характеристики Макромолекул: Длина ..........Статистического Сегмента и Диаметр Полимерной Цепи....... - 19 Глава 2. Материалы и Методы ................................................................ - 22 2.1. Методы ............................................................................................... - 23 2.2. Материалы ......................................................................................... - 22 Глава 3. Результаты и Обсуждения ........................................................

- 27 3.1. Молекулярный и Структурный Анализ Катионных Полиэлектролитов........................................................................................................ - 27 --3-3.1.1. Поли(2-аминоэтил-метакрилат) и Поли ((2-аминоэтил)-метакрилат-соN-метил-(2-аминоэтил)-метакрилат-со-N,N-диметил-(2-аминоэтил)метакрилат).................................................................................... - 27 3.1.2. Линейный Полиэтиленимин ........................................................ - 47 3.2.ИнтерполиэлектролитныеКомплексыНаосновеКатионныхПолиэлектролитов и ДНК: Форимирование, Свойства, Состав- 64 Заключение ...............................................................................................

- 81 Список Литературы ................................................................................ - 82 --4-ВведениеАктуальность Темы ИсследованияВ последние десятилетия область макромолекулярной химии значительно продвинулась вперед, приводя к появлению широкого спектра полимерных систем, используемых для решениябольшого круга задач. Отдельное внимание было всегда уделено полиэлектролитам – макромолекулам, повторяющиеся звенья которых содержат заряженные фрагменты. С фундаментальной точки зрения, несмотря на огромное количество исследований в данной области, поведение и свойства полиэлектролитов все еще далеки от полного понимания. Для успешногорешения проблем связанных с изучением заряженных полимеров необходимо проведениекомплексных исследований, охватывающих различные топологии полиэлектролитов в максимально широком диапазоне молекулярных масс.

Такие исследования должны представлятьсобой симбиоз различных аналитических методик, в особенности, таких как гидродинамические и оптические методы исследования растворов. Существенный прогресс в сфере производства и улучшения свойств искусственных материалов был достигнут после детального изученияих природных аналогов. Полимерная наука, в данном случае, не является исключением. Большинство природных полиэлектролитов, таких как гиалуроновая кислота, пектин, каррагинанили ксантановая камедь, представляют собой полисахаридную структуру (в большинстве случаев гидрофильную) с определенным статистическим распределением анионно-заряженныхфрагментов.

Конформационный анализ заряженных синтетических сополимеров, как упрощенной модели природных полиэлектролитов, может способствовать пониманию того, какимобразом биополимеры эффективно функционируют в живой природе. Более того, в последниедесятилетия особый интерес уделяется синтезу и последующим исследованиям биосовместимых катионных полиэлектролитов, вследствие их способности к образованию интерполиэлектролитных комплексов с биологическими активными макромолекулами (нуклеиновые кислоты,протеины, лекарственные препараты), которые используются для лечения различных врожденных и приобретенных заболеваний.Степень Разработанности Темы ИсследованияХарактерными представителями катионных полиэлектролитов являются поли (диаллилдиметил-аммоний-хлорид), поли-N, N-диметиламиноэтилметакрилат, поли-лизин, поливиниламин, катионные полиметакрилаты, полиэтиленимин и т.

д. В тоже время, ввиду большогопрактического потенциала данного класса макромолекул, синтезируется огромное количество-5новых полимерных структур. Исследование молекулярных и конформационных свойств катионных полиэлектролитов, а также комплексов на их основе, представляет одну из наиболее актуальных задач полимерной науки. В тоже время, не смотря на объективную важность исследований в данной области, комплексные фундаментальные исследования, направленные наустановление связи между структурой и свойствами полиэлектролитов, имеющих статистическое распределение зарядов, остаются недостаточными. Таким образом, разработка и исследование новых полиэлектролитных систем играет центральную роль при создании перспективных функциональных систем и нано-материалов, а также дальнейшего развития теорий и моделей, описывающих поведение заряженных макромолекул.Цели и ЗадачиЦелью данной работы является исследование гидродинамических, молекулярных и конформационных характеристик линейных катионных полиэлектролитов, а также изучение процессаформирования и свойств интерполиэлектролитных комплексов на их основе.

Для выполненияпоставленной цели работы решались следующие задачи: Изучение молекулярных (молярная масса, дисперсность и т.д.) и конформационныхсвойств (равновесная жесткость и диаметр полимерной цепи) катионных метилметакрилатов, содержащих различные ионогенные группы (первичные, вторичные и третичныеаминогруппы): поли(2-аминоэтил-метакрилат) и поли ((2-аминоэтил)-метакрилат-со-Nметил-(2-аминоэтил)-метакрилат-со-N,N-диметил-(2-аминоэтил)-метакрилат), методамимолекулярной гидродинамики: аналитическое ультрацентрифугирование, характеристическая вязкость, изотермическая диффузия. Исследование молекулярных и конформационных свойств линейного полиэтиленимина(ПЭИ). Изучение процесса формирования и конечных свойств полиэлектролитных комплексовна основе линейного полиэтиленимина и плазмидной ДНК при различных начальныхусловиях. Установление оптимальных условий для формирования стабильных комплексов, а также оценка их молекулярных (масса, размер, дисперсность) и биологических(токсичность, уровень трансфекции) характеристик.Научная Новизна-61) Были впервые изучены гидродинамические и конформационные свойства поли(2аминоэтил-метакрилат) и поли ((2-аминоэтил)-метакрилат-со-N-метил-(2-аминоэтил)метакрилат-со-N,N-диметил-(2-аминоэтил)-метакрилат).2) Впервые получены конформационные характеристики для линейного полиэтиленимина.Было обнаружено существенное несоответствие между планируемой (заявленной производителем) и фактической молярными массами линейного полиэтиленимина.3) Детально изучено комплексообразование ДНК с ПЭИ в водных, физиологических средахпри различных соотношениях азото- и фосфоросодержащих групп (соотношение N/P).Проведена количественная оценка состава комплексов при различных условиях их формирования.Теоретическая и Практическая Значимость РаботыВ работе детально изучены молекулярные и конформационные характеристики фармацевтически релевантных катионных полиэлектролитов.

Полученные данные могут быть использованыпри практическом применении исследованных полимерных систем, так и для развития общих,фундаментальных знаний о поведении и свойствах полиэлектролитов в растворах. Проведенные исследования полиэлектролитных комплексов дают важную информацию о структуре исвойствах комплексов, которая может быть непосредственно использована для улучшенияприменимости и эффективности генных комплексов.Методология и Методы ИсследованияПолимерные системы и комплексы на их основе изучались, используя комплексной подход,заключающийся в применении как стандартных аналитических методик (эксклюзионная хроматография, ЯМР, УФ-спектрометрия), так и фундаментальных методов молекулярной гидродинамики, в частности, аналитического ультрацентрифугирования, изучения поступательнойдиффузии макромолекул. При необходимости, морфология исследуемых объектов дополнительно изучалась с помощью сканирующей силовой микроскопии.Положения, Выносимые на Защиту Гидродинамический и структурный анализ гомологических рядов катионных метакрилатов, содержащих первичные, вторичные и третичные аминогруппы в боковых цепях, невыявил существенного влияния типа и количества аминогрупп на конформационные характеристики полимеров.

В то же время было обнаружено влияние α-концевой группы-7полимерной цепи на термодинамическое взаимодействие полимерных макромолекул срастворителем. Установлено влияние некомпенсированных зарядов на цепи, на значение термодинамической жесткости. Результаты комплексного гидродинамического анализа позволили определить абсолютные значения молярных масс линейных полиэтилениминов. Установлено существенное отличие полученных величин от теоретически прогнозируемых, а также значений молярных масс, определенных стандартными, но не абсолютными методиками.Показано, что конформация макромолекул в растворе соответствует поведению статистического клубка в отсутствие объемных эффектов. Установлены оптимальные условия для формирования стабильных комплексовДНК/ПЭИ при физиологических условиях.

Проведенный анализ показал наличие большого количества, не связанного ПЭИ в дисперсиях полиплексов при различных соотношениях азото- и фосфоросодержащих групп. Обнаружено и исследовано влияние свободного полиэтиленимина на состав, размер и эффективность трансфекции комплексовДНК/ПЭИ.Степень Достоверности РезультатовДостоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе, подтверждаетсякорректностью поставленных задач, хорошей самосогласованностью первичных экспериментальных данных, использованием современных аналитических подходов к анализу этих данных, а также применением современных теоретических представлений при описании характеристик макромолекул в растворах.Апробация РезультатовОсновные результаты диссертационной работы были представлены на всероссийских и международных конференциях: 20th International Analytical Ultracentrifugation Conference, San Antonio, USA, March 25-30, 2012; IUPAC-PSK40: IUPAC International Symposium on Advanced PolymericMaterials, Jeju, South Korea, October 4-7 2016; Фундаментальные химические исследования XXIго века, Москва, Россия, Ноябрь 20-24, 2016; 23rd International Analytical UltracentrifugationWorkshop and Symposium, Glasgow, Scotland, United Kingdom, July 23-28, 2017.