Диссертация (Структура и свойства катионных полиэлектролитов и комплексов на их основе), страница 8

Соответствующие построения для систем гомо- и терполимеров представлены на Рисунке 19.- 46 -Рисунок 19. Построения Грея-Блюмфильда-Хирста (A) и Хирста-Штокмайера (B) для гомо итерполимера, соответственно, в 0.2 , вода, = 25 ℃.ВыводыВ общей сложности, были исследованы две гомологические системы фармацевтически релевантных поликатионов на основе метилметакрилатов, содержащих ионогенные группы различного характера – первичные, вторичные и третичные амины.

Анализ был направлен на всесторонние изучение молекулярных и конформационных свойств водорастворимых поликатионовметодами молекулярной гидродинамики. Классические измерения характеристической вязкости, выявили существенное влияние α-концевых групп на термодинамических характер взаимодействий типа полимер-растворитель. Оценка абсолютной молярной массы, представляющая одну из наиболее насущных задач для водорастворимых заряженных полимеров, былапроведена используя классический седиментационно-диффузионный анализ, и сравнена созначениями, полученными из альтернативных методик – эксклюзионной хроматографии и ассиметричного осаждения в потоке. Конформационный анализ проводился на основе скейлинговых соотношений, полученных для всех измеренных гидродинамических характеристик, с последующей оценкой равновесной жесткости и диаметра полимерной цепи, выполненной дляразличных систем растворителя.

Установлено влияние некомпенсированных зарядов цепимакромолекулы на ее конформационные свойства в растворе.- 47 -3.1.2. Линейный ПолиэтилениминПоли (этиленимин) (ПЭИ) представляет собой хорошо известный катионный полимер с повторяющимся звеном, содержащим аминогруппу.131 Присутствие аминогрупп в основной цепи полимера приводит к очень высокой плотности положительных зарядов как для линейных, так иразветвленных конформаций. Линейный поли (этиленимин) содержит только вторичные амины в полимерной цепи, тогда как разветвленная форма содержит первичные, вторичные и третичные аминогруппы; все эти группы могут быть легко протонированы. Благодаря своим уникальным свойствам поли (этиленимин) находит множество промышленных применений, включая очистку воды, производство бумаги, захвата CO2, электрохимическое зондирование и т.д.132-134 Кроме того, в настоящее время он считается «золотым» стандартом и одним из наиболее эффективных полимеров для создания векторов для доставки нуклеиновых кислот как invivo, так и in vitro.99, 135-136Линейный PEI может быть синтезирован путем полимеризации N-замещенных азиридинов с ихпоследующим гидролизом.131, 137 Более традиционным способом является получение PEI путемкислотного или щелочного гидролиза поли (2-оксазолина).131, 138-139 Кроме того, Monnery et al.предложили новый подход к синтезу с использованием неполярного растворителя и низкойтемпературы, который приводит к существенному улучшению реакции полимеризации линейного ПЭИ.140 Для повышения эффективности и расширения возможных областей примененияразличных синтетических и биополимеров, в частности линейного ПЭИ, необходимо точноезнание и понимание их физико-химических и конформационных свойств.118, 122, 141 Однако, длякатионных полимеров такой анализ основных макромолекулярных параметров, включая абсолютную молярную массу, представляет собой нетривиальную задачу из-за наличия множественных зарядов в основной цепи и/или боковых цепях.

Несмотря на это, линейный полиэтиленимин был исследован достаточно широким набором стандартных аналитических методик:масс-спектрометрия ESI и MALDI-TOF была применена для изучения макромолекулярной структуры линейного PEI96, 142 ; кинетические и термические свойства, а также растворимость, LPEI сразличной длиной цепи исследовались в водно-этанольных смесях комбинацией ЯМР, массспектрометрии и эксклюзионной хромотографии.138 Несколько более или менее альтернативных методов, таких как асимметричное фракционирование в потоке и водный эксклюзионныйанализ, были использованы для определения молярной массы некоторых линейных PEI.144Вязкость143-растворов линейного PEI и соответствующие скейлинговые зависимости Куна-Марк-Хоувинк-Сакурада (KMHS) были впервые получены Kargin et.al .,145 и Gembitskii et al.,146 а позд-- 48 нее Weyts et al.,147 в то время как Koboyashi и коллеги148 изучали свойства геля, а также поведение относительной вязкости LPEI при различных значениях рН и ионных силах раствора.

Крометого, Smits et al. изучали поступательную диффузию линейных поли (этилен-иминов) при различных ионных силах, применяя динамическое рассеяние света.149 Несмотря на очевидные достижения в этой области и, принимая во внимание, что ПЭИ является коммерчески используемым полимером и производится в промышленных масштабах, его абсолютные характеристики,свойства в растворах и соответствующие гидродинамические характеристики не были исследованы подробно и систематически.

Более того, имеющиеся литературные данные противоречивы.146-147 Как следствие, до сих пор не установлены макромолекулярная конформация и соответствующие конформационные параметры (длина сегмента Куна и диаметр полимерной цепи) линейных макромолекул PEI.Таким образом, с целью детального изучения молекулярных и конформационных характеристик линейных полиэтилениминов были исследованы шесть образцов ПЭИ, синтезированныхиз соответствующих поли (2-этил-2-оксазолина)ов, кислотным гидролизом, как описаноранее150, и три коммерчески доступных образца линейных PEI (Polyscience, обозначенные как:2.5 kDa, 25 kDa, 250 kDa).

Чтобы избежать возможных электростатических взаимодействий врастворе, все гидродинамические исследования проводились в 0.2 М метаноле.Измерения характеристической вязкости представлены на Рисунке 1. Зависимости носят линейный характер во всей области исследованных концентраций, свидетельствуя об отсутствииполиэлектролитных эффектов. Более того, для параметров Хаггинса и Кремера выполняется математически соотношение: − = 0.5, давая средние экспериментальное значением0.53 ± 0.05. Полученные значения характеристической вязкости вместе с соответствующимипараметрами Хаггинса и Кремера обобщены в Таблице 1.- 49 -Рисунок 1. Экстраполяционные зависимости Хаггинса для линейного полиэтиленимина в0.2 , метанол, = 20 ℃.

Значения характеристической вязкости представлены вТаблице 1.Таблица 1. Характеристическая вязкость и соответствующие константы Хаггинса и Кремера для линейного полиэтиленимина в 0.2 , метанол, = 20 ℃.ПЭИ 201[η]cm3 g-112.1 ± 0.1ПЭИ 50217.8 ± 0.20.55-0.08ПЭИ 100324.2 ± 0.20.43-0.12ПЭИ 200437.0 ± 0.10.33-0.16ПЭИ 600529.1 ± 0.10.41-0.13ПЭИ 5,000655.4 ± 0.10.37-0.14ПЭИ 2.5kDa(PS)720.3 ± 0.20.45-0.11ПЭИ 25kDa(PS)827.7 ± 0.10.34-0.15ПЭИ 250kDa(PS)948.0 ± 0.20.43-0.12Образец№kHkK0.26-0.19- 50 Далее были изучены седиментационные свойства полимеров. На Рисунке 2 представлен пример анализа седиментационных данных образца 25 polyscience (№ 8), полученный спомощью программного обеспечения с использованием модели ().

Для каждого образца изучали три раствора с различными концентрациями, охватывающими широкий диапазон концентраций (3 ≤ / ≤ 6). Параметр [], характеризующий степень разведения, находился в диапазоне 0.008 ≤ [] ≤ 0.1, что соответствует области разбавленных растворов.Рисунок 2. Седиментационные профили (верхний), разность между экспериментальнымиинтерференционными кривыми и кривыми, полученными численным решением уравнения Ламма (средний) и соответствующее распределение коэффициентов седиментации (снизу)для образца 8 (ПЭИ 25 kDa) в 0,2 М метаноле, = 0.401 %, = 20 ℃, =50 000 .- 51 Соответствующие концентрационные зависимости коэффициентов седиментации и фрикционных соотношений ⁄ℎ представлены на Рисунке 2.Рисунок 3.

Концентрационные зависимости коэффициентов седиментации (A) и фрикционных отношений (B) для линейного полиэтиленимина в 0.2 , метанол, = 20 ℃.Помимо экспериментов по скоростной седиментации, коэффициенты поступательной диффузии определяли методом изотермической диффузии, а также посредством ЯМР.Рисунок 4.

Диффузионные интерферограммы в разные промежутки времени (А) и соответствующие зависимости дисперсии диффузионной границы σ2 от времени t (B) для линейногоПЭИ в 0.2 метаноле, = 0.1 %, = 25 ℃.- 52 -На Рисунке 4 показаны диффузионные интерферограммы в различные промежутки времени, атакже соответствующие зависимости дисперсии диффузионной границы от времени. Коэффициенты поступательного трения, определенные через численные решения уравнения Ламма,довольно хорошо коррелируют с величинами, определенными из изотермической диффузии исо значениями, оцененными из экспериментов ЯМР.

Исходя из этого, при дальнейших расчетахсоответствующих параметрических характеристик макромолекул ПЭИ использовали средниезначения коэффициентов диффузии из определенных тремя методами (AUC, ЯМР и изотермическая диффузия). Усреднение проводилось с использованием характеристических коэффициентов диффузии. Индивидуальные значения коэффициентов диффузии и фрикционных соотношений приводятся Таблице 2.Table 2. Фрикционные соотношения и характеристические коэффициенты поступательнойдиффузии , определенные из изотермической диффузии [Disoth], ЯМР [DNMR] и численного решения уравнения Ламма [Df/f], для линейного ПЭИ в 0.2 метаноле, = 20 ℃.[Df/f]×1011 [Disoth]×1011[DNMR]×1011Образец(f/fsph)011.975.177.325.022.672.904.893.832.652.494.58--42.812.043.992.952.792.093.61--62.991.772.132.471.853.764.153.182.701.932.802.392.871.522.071.4(f/fsph)0 and [Df/f] определенны в 0.2 M NaBr methanol при 20 °C, [Disoth] определенны in 0.2 M NaBr methanol при 25°C, [DNMR] определенны в CD3OD при 24.6 °C.- 53 -Рассмотрим более подробно результаты экспериментов по скоростной седиментации.