Ядерная магнитная релаксация в плюронике F127

Вестник Челябинского государственного университета. 2012. № 31 (285).

Физика. Вып. 15. С. 20-25.

РЕЗОНАНСНЫЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

В. М. Чернов, А. В. Бутаков, А. В. Филиппов ЯДЕРНАЯ МАГНИТНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ПЛЮРОНИКЕ F127

Проведено исследование ядерной магнитной релаксации в растворах триблоксополимера плю-роника PF127 в тяжелой воде (D2O) и дейтеродиметилсульфоксиде (CD3)2SO. Предложена модель лиотропного жидкого кристалла как сшитой полимерной системы, в которой молекулы плюроника жестко связаны в местах перекрытия мицеллярных корон, а полипропиленовые ядра мицелл выполняют роль узлов образуемой пространственной сетки.

Ключевые слова: ядерная магнитная релаксация, плюроник, дейтеродиметилсульфоксид, лио-

тропный жидкий кристалл, мицеллярная корона.

В последнее время большой интерес представляют исследования плюроников — триблоксо-полимеров этиленоксида и пропиленоксида.

В первую очередь это связано с тем, что в определенных условиях растворы данных сополимеров образуют сетчатую структуру — полимерный гель, способный поглощать воду и биологические жидкости. Благодаря таким уникальным свойствам полимерные гели стали активно использоваться в качестве систем селективной доставки лекарственных средств. В настоящее время установлено, что в гель-состоянии изучаемые системы образуют мицеллярный лиотропный жидкий кристалл и что собственно полимерные мицеллы как транспортная форма определяют фармакокинетику связанного с ними лекарства, а особенности самого лекарства существенно не отражаются на процессе распределения его в организме. Однако остаются невыясненными вопросы, какая доля полимера принадлежит мицеллам, а какая — мономолекулярной фракции и как эти доли изменяются с концентрациями растворителя и введенного лекарственного вещества. Также остается до конца не ясным и сам механизм формирования сетчатой структуры гидрогеля. Полимерные гели достаточно давно и успешно исследуются с помощью метода ядерной магнитной релаксации. Однако сведения об исследованиях гидрогелей плюроника этим методом в литературе отсутствуют.

Настоящая работа посвящена исследованию ядерной магнитной релаксации в растворах сополимера плюроника Р^127 в тяжелой воде (Б2О) и дейтеродиметилсульфоксиде (СБ3)^0 (ДМСО-й?6) на резонансной частоте 1Н 25 МГц.

В системе .Р^127-Б2О концентрация раствора была равна 15

системы .Р^127-Б2О-(СБ3)280 представлял собой 21 %-й раствор плюроника в совместном растворителе Б2О и (СБ3)^0. При этом относительное содержание диметилсульфоксида в общем количестве растворителя составляло 15,7 весовых %. Как вода, так и диметилсульфоксид взяты в полностью дейтерированном варианте, для того чтобы наблюдаемый сигнал принадлежал только молекулам триблоксополимера РП27. ДМСО-й?6 представляет интерес по двум причинам. В одном аспекте (физико-химическом) он выступает со-растворителем, а в другом (медицинском) — лекарственным средством. Исследования проведены в температурном диапазоне от комнатной температуры до 60 °С с шагом 5-10 °С.

Восстановление продольной намагниченности регистрировалось с помощью двухимпульсной 90°-т-90° последовательности. Спад поперечной намагниченности (СПН) строился по данным двух последовательностей импульсов: последовательности Хана (900°-т-180°90°) на коротких временах (до 80 мс) с временной раздвижкой т = =2 мси последовательности КПМГ (900°-т-(180°90°--2т-)я) с кратностью повторения 180°-х импульсов 2т = 20 мс. Применение только последовательности Хана приводило к искажениям (осцилляциям и укорочению спада) в СПН на больших временах затухания намагниченности. Применение для регистрации СПН только последовательности КПМГ при используемой раздвижке (20 мс) давало слабое разрешение (малое количество точек) на начальном участке спада. Использование же последовательности КПМГ при раздвижке, меньшей, чем 20 мс (например, 2 мс, как в последовательности Хана), приводило к искажающему эффекту пролонгирования намагниченности вследствие наличия в системе остаточных диполь-дипольных взаимодействий [1]. Длительность

90°-го импульса и время восстановления приемника были равны, соответственно, 3 и 7 мкс.

Спин-решеточная релаксация была слабо неэкспоненциальной. На рис. 1 приведена характерная кривая релаксационного восстановления продольной намагниченности в образце 2 при 40 °С.

1 ----------------------

Время (эффективное) спин-решеточной релаксации Т1 было определено по начальному наклону релаксационной кривой. На рис. 2 приведены температурные зависимости времени Т1 в исследуемых образцах.

0 01 --------1------1-----1-----1-------1------1------1------1------1------

’ 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5.

5 5 5 5 5 5 2 2 ,

г, с

Рис. 1. Кривая релаксационного восстановления продольной намагниченности в образце 2 при 40 °С

3,00 3,05 3,10 3,05 3,20 3,25 3,30 3,35

1077; к-1

Рис. 2. Температурные зависимости времени спин-решеточной релаксации Т1 в образцах 1— •, 2 — , 3 —  и 2а — ♦

Спад поперечной намагниченности (СПН) в зависимости от состояния образца включал либо три компоненты с временами релаксации Т2а (длинная компонента), Т2Ъ, (промежуточная

компонента) и Т2Ъ (короткая компонента) и с населенностями Ра , Ръ' и Ръ ( Ра + Ръ + РЪ' = 1) (рис. 3-6) соответственно, либо две компоненты с временами релаксации Т2а (длинная компо-

Ґ, мс

Рис. 3. Спад поперечной намагниченности в образце 2 при температуре 40 °С (весь спад). Сплошная линия — аппроксимационная кривая

ґ, мс

Рис. 4. Начальная часть СПН в образце 2 при температуре 40 °С и короткая (гауссова) его компонента, полученная после вычитания длинной и промежуточной компонент. Сплошные линии — аппроксимационные кривые

Рис. 5. Температурные зависимости времен релаксации Т2а (образец 1 — , образец 2 — А,

образец 3 — 1Е, образец 2а — 'лр), Тъъ

и Т2Ь,

20 30 40 50 60

Рис. 6. Температурные зависимости населенностейрь

нента) и Т2Ъ (короткая компонента) и с населенностями ра, рЪ соответственно. Ошибки не превышали 10 % при определении Т2а, Т2Ъ„ рЪ,, 5 % при определении Т1, ра, рЪ и 2 % при определении Т2Ъ.

На рис. 5 и 6 приведены температурные зависимости времен релаксации поперечной намагниченности Т2а, Т2Ь и Т2Ъ, и населенностей рЪ и ру.

Образец 1 — образец с наименьшей концентрацией плюроника в диапазоне температур 3545 °С — и все остальные образцы при всех температурах исследования (22-60 °С) находятся в гель-состоянии и представляют собой лиотропный жидкий кристалл в кубической фазе [2]. При таких температурах в СПН имеется промежуточная компонента с временем Т2Ъ, и населенностью

Ру. При определенных температурах (при 40 °С в образце 1, при 40 °С и выше в образце 2 и при 30 °С и выше в образцах 2а и 3) СПН короткой компоненты принимает с хорошей точностью гауссову форму (рис. 4), а населенность рЪ достигает максимальных значений 0,77-0,85, населенность промежуточной компоненты Ру достигает минимальных значений 0,05-0,06. При этом в образцах 2, 2а и 3 время Т2Ъ перестает зависеть от температуры. При других температурах короткая компонента СПН имеет форму либо экспоненциальную, либо промежуточную между экспоненциальной и гауссовой. Гауссова форма СПН, как показано в работе [4], свидетельствует о равномерном распределении длин участков молекул между узлами сформировавшейся сетки. Длинную компоненту в спаде поперечной релаксации мы относим к мономолекулярной фракции. Мы полагаем, что при температурах, когда образцы находятся в гель-состоянии, промежуточная компонента СПН относится к мицеллярному раствору, а короткая — к лиотропному жидкому кристаллу. Соответственно, в образце 1 при температурах ниже 35 и выше 45 °С, когда СПН двухкомпонентен, короткую компоненту следует отнести к мицеллярному раствору.

Сокращение времени релаксации короткой гауссовой компоненты в гель-фазе Т2Ъ при увеличении концентрации плюроника, очевидно, обусловлено ограничением свободы движения молекул, возникающим вследствие уменьшения степени набухания мицелл. Увеличение этого же времени Т2Ъ (с 27,6 до 28,3 мс при переходе от образца 2 к образцу 2а) после замещения части молекул воды молекулами диметилсуль-фоксида свидетельствует о повышении гибкости молекул плюроника внутри мицелл жидкого кристалла. Это происходит, как мы полагаем, потому, что ДМСО приводит к увеличению полярности совместного растворителя «вода-ДМСО», за счет того что диметилсульфоксид образует более сильные связи с водой, чем водородные связи между молекулами воды [5-6]. Благодаря этому он усиливает гидрофильные свойства (увеличивает гибкость) полиэтиленок-сидной короны мицеллы. По той же самой причине ДМСО увеличивает гидрофобность (жесткость) полипропиленоксидного ядра мицеллы [7]. Однако полиэтиленоксидных звеньев в молекуле плюроника ^127 в 2,3 раза больше, чем полипропиленоксидных. Поэтому при добавле-

нии ДМСО в целом происходит повышение гибкости молекул.

Как видно из рис. 5, время длинной компоненты Т2а сокращается при увеличении концентрации плюроника и при замещении воды ди-метилсульфоксидом, что свидетельствует об уменьшении подвижности молекул плюроника в мономолекулярной фракции. Это согласуется с наличием соответствующих сдвигов переходов «жидкость — гель» и мицеллообразова-ния в сторону низких температур, обнаруженных в работе [2] при увеличении концентрации плюроника и в работе [7] при введении диметил-сульфоксида.

Поведение эффективного времени спин-решеточной релаксации Т1 должно описываться формулой

1 = P. + Pb_ + Pb

T T

Â1 1a

T T

11b

1b'

где Т1а, Т1Ъ и Т1Ь, — времена Т1 фаз а, Ь и Ь' соответственно. Провал на температурной зависимости Т наблюдаемый в слабоконцентрированном образце 1, можно объяснить исходя из закономерного предположения, что мицелляр-ные времена релаксации Т1Ъ, Т1Ъ, меньше мономолекулярного времени Т (движения молекул внутри мицелл более заторможенные по сравнению с движениями свободных молекул в растворе). При переходе этого образца в гель-фазу (35-45 °С) (со стороны низких или высоких температур) рЪ и Ру возрастают, а ра падает. В соответствии с этим в (1) удельный вес второго и третьего слагаемых, относящихся к мицелляр-ным фазам, увеличивается, а эффективное время релаксации Т1 уменьшается.

Если предположить, что в гель-фазе молекулы плюроника жестко связаны в местах перекрытия мицеллярных корон, а роль узлов пространственной сетки выполняют жесткие полипропиленовые ядра мицелл, то, согласно [3-4], масса молекулы М между двумя последовательными узлами сетки при гауссовой форме СПН и при условии, что межъядерный вектор расположен под углом 90° к сегменту, равна

Mz = — z 10

3 Tic

sm,

где с2 — второй момент жесткой решетки, 5 — число мономерных звеньев в сегменте, т — масса мономерного звена. Взяв т = <т> = 47,5,

Т2Ь=23 мс (образец 28,0 % № 127, 40 °С), с2 = 1010 с-2, 5 = 2, исходя из (2) получим М2 = 46,4 • 103. Это, согласно принятой модели, приблизительно в четыре раза больше ожидаемого значения М — массы молекулы, равной 12,6 • 103. Причина такого расхождения, по-видимому, заключается в том, что в местах перекрытия ми-целлярных корон нет абсолютно жесткой связи между молекулами соседних мицелл. Степень этой жесткости, как мы полагаем, изменяется вместе с упоминавшейся выше степенью набухания мицелл, определяющей время Т2Ъ в гель-фазе.

В заключении работы можно сделать следующие выводы.

1. Установлено, что релаксация ядерной продольной намагниченности в растворах плю-роников является слабо неэкспоненциальной как в мицеллярном растворе, так и в гель-фазе. Спад ядерной поперечной намагниченности (СПН) в мицеллярном растворе состоит из двух, а в гель-фазе — из трех компонент.

2. В гель-фазе короткая компонента СПН имеет гауссову форму. Время ее затухания Т2Ъ не зависит от температуры и уменьшается при увеличении концентрации плюроника. Населенность короткой компоненты СПН практически не зависит от концентрации раствора.

3. Частичное замещение воды на диметилсуль-фоксид приводит к увеличению времени релаксации короткой (гауссовой) компоненты спада поперечной намагниченности.

4. Короткая компонента СПН отнесена к лиотропному жидкому кристаллу.

5. Предложена модель лиотропного жидкого кристалла как сшитой полимерной системы.

В ней молекулы плюроника жестко связаны в местах перекрытия мицеллярных корон, а полипропиленовые ядра мицелл выполняют роль узлов образуемой пространственной сетки.

Список литературы

1. Федотов В. Д., Чернов В. М. «Твердотельные» эффекты в многоимпульсном ЯМР эксперименте в жидкофазных полимерах // Докл. АН СССР. 1975. Т. 224, № 4. С. 891-894.

2. Wanka, G. Phase Diagrams and Aggregation Behavior of Poly(oxyethylene)-Poly(oxypropylene)-Poly(oxyethylene) Triblock Copolymers in Aqueous Solutions / G. Wanka, H. Hoffmann, W. Ulbricht // Macromolecules. 1994. Vol. 27. P. 4145-4159.

3. Готлиб Ю. Я. [и др.]. Влияние сетки химических сшивок на спин-спиновую релаксацию в сшитых набухших полимерных системах // Высокомо-лекуляр. соединения. 1976. Т. 18, № 10. С. 2299-2303.

4. Чернов В. М., Бутаков А. В. Ядерная магнитная релаксация в сшитых полимерах [Электронный ресурс] // Структура и динамика молекулярных систем : электрон. журн. 2009. № 6 (А). С. 116-121.

5. Cowie, J. M. Association in the binary liquid system dimethyl sulfoxide water / J. M. Cowie, P. M. Topo-rowski // Can. J. Chem. 1961. Vol. 39. P. 2240-2243.

6. Lu, Z. Dielectric Relaxation in Dimethyl Sulfoxide/Water Mixtures Studied by Microwave Dielectric Relaxation Spectroscopy / Z. Lu [et al.] // J. Phys. Chem. A. 2000. Vol. 113. P. 12207-12214.

7. Ur-Rehman, T. Effect of DMSO on micellization, gelation and drug release profile of Poloxamer 407 / T. Ur-Rehman, S. Tavelin, G. Grobner // International Journal of Pharmaceutics. 2010. Vol. 394. P. 92-98.