НАПОЛНЕННЫЙ ЧАСТИЦАМИ СОРБЕНТА МАКРОПОРИСТЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ, КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
FILLED WITH SORBENT PARTICLES MACROPOROUS POLYMER MATERIAL, COMPOSITION FOR PRODUCTION THEREOF AND METHOD OF PRODUCING

Изобретение относится к технологии высокомолекулярных соединений, а именно к композитным полимерным материалам и способам их получения. Более конкретно изобретение касается макропористых композитов, наполненных дисперсными частицами сорбента, включенного в полимерную фазу стенок макропор. Наиболее эффективно заявляемые материалы могут быть использованы в биомедицинской практике, например, в качестве гемосорбентов или дренажных губок, а также в биотехнологии при очистке различных жидкостей от нежелательных, в том числе и токсичных, примесей (загрязнителей).
В частности, известны различные полимерные материалы, которые используются при лечении ран и ожогов [М.И. Штильман. Введение в технологию полимеров медико-биологического назначения. М. : Изд-во РХТУ, 2000. 247 с]. Сами же препараты, применяемые для лечения ран, подразделяют на следующие группы: растворы (1), многокомпонентные мази на гидрофильной основе (2), пенные препараты в аэрозольной упаковке (3), гранулированные сорбенты (4) и губки (5). Препараты 4-й и 5-й групп относятся к макропористым полимерным материалам и имеют общее специфическое свойство - выраженную сорбционную способность по отношению к жидкому экссудату, выделяемому раной или ожогом [http://www.terra-medica.spb.ru/st1_2003/balin.htm]. Различия касаются лишь выбора полимерной основы и формы применения препарата. Гранулированные сорбенты высыпают в рану и покрывают повязкой, а макропористые губки в виде пластин помещают на раневую поверхность. Их рекомендуется применять для лечения обширных поверхностных ран. Известными примерами подобных материалов являются гемостатические коллагеновые губки [http://dic.academic.ru/dic.nsf/meditem/486], альгинатные покрытия на раны и ожоги типа «Альгипор» [http://dic.academic.ru/dic.nsf/meditem/58], хитозановая повязка типа «Хито-Пран» [http://stoprana.ru/shop/shop-by-category/store-frontpage/chitopran2-detail] и др. Как правило, абсорбционная способность таких покрытий на раны и ожоги обусловлена системой капилляров, пронизывающих хорошо смачиваемую биологической жидкостью полимерную матрицу, и поэтому специфической (избирательной) сорбции каких-либо веществ (например, токсикантов) в заметной степени не происходит, а покрытие просто впитывает определенный объем крови и экссудата. Помимо вышеуказанных вариантов медицинского применения различных макропористых полимерных материалов in vivo, известны примеры биотехнологического использования подобных систем и in vitro, например, в качестве стационарных хроматографических фаз для выделения и очистки как различных растворимых веществ [N.L. Krajnc, F.Smrekar, V.Frankovic, A.Strankar, A.Podgornik. Monolitic macroporous polymers as chromatographic matrices. // in: Macroporous Polymers: Production, Properties and Biological/Biomedical Applications. Ed. by Mattiasson В., Kumar A., Galaev I. Boca Raton: CRC Press. 2010. P. 291-334], так и биологических частиц (вирусы, клеточные органеллы, целые клетки) [S.L. Williams, M.E. Eccleston, N.K.H.Slater. Affinity capture of a biotinylated retrovirus on monolithic adsorbents: towards a rapid single-step purification process. // Biotechnol. Bioeng., 2005, V.89, P. - 783-787; M.Teilum, M.J. Hansson, M.B. Dainiak, R.Masson, S.Surve, E.Elmer, B.Mattiasson. Binding mitochondria to monoliths allow detection of proteins specifically released following permeability transition. // Anal. Biochem., 2006, V.348, №2, P-209-221); P.Arvidsson, F.M. Plieva, I.N. Savina, V.I. Lozinsky, S.Fexby, L.Bulow, I.Yu. Galaev, B. Mattiasson. Chromatography of microbial cells using continuous supermacroporous affinity and ion exchange columns. // J. Chromatogr. A, 2002, V.977, №1, P. 27-38], в качестве макропористых носителей иммобилизованных молекул и клеток [I.Lyagin, R.Ivanov, V.Lozinsky, E.Efremenko. Design of immobilized biocatalysts for degradation of neurotoxic organophosphorous compounds. // Proceedings of the International Workshop "Bioencapsulation XV", Vienna (Austria), 2007, P.2-13; X.-Y. Dong, S.Bai, Y.Sun. Production of L(+)-lactic acid with Rhizopus oryzae immobilized in polyurethane foam cubes. // Biotechnol. Lett., 1996, V. 18, №2. P. 225-228], специализированных подложек для культивирования клеток животных или человека [A.Kumar, E.Jain, A.Srivastava. Macroporous polymeric scaffolds for tissue engineering application. // in: Macroporous Polymers: Production, Properties and Biological/Biomedical Applications. Ed. by Mattiasson В., Kumar A., Galaev I. Boca Raton: CRC Press. 2010. P. 405-466] и т.д.
Одним из перспективных типов подобных макропористых полимерных материалов являются так называемые криогели [Polymeric Cryogels: Macroporous Gels with Remarkable Properties, ed. O. Okay, Cham e.a., Springer, 2014, 330 p.], формируемые приемами криотропного гелеобразования, когда образование трехмерной полимерной сетки криогеля протекает в неглубоко замороженной системе, а поликристаллы замерзшего растворителя играют роль порогена [В.И. Лозинский, Е.С. Вайнерман, С.В. Рогожин. Способ получения макропористых полимерных материалов. // А.с. СССР №1008214, Б.И., 1982, №12]. Поскольку рост каждого такого кристалла происходит до достижения тесного контакта с гранью соседнего кристалла, то после оттаивания замороженной системы получаются взаимосвязанные поры, заполненные размороженным растворителем (водой в случае водных систем) [В.И. Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения. // Успехи химии, 2002, Т. 71, №6, с. 559-585].
В случаях, когда такого типа макропористые полимерные материалы применялись в качестве адсорбентов, их сорбционная способность была обусловлена химической природой самой полимерной фазы, включавшей группировки, необходимые для взаимодействий с соответствующим сорбатом, например, за счет ионного связывания [J.Yun, S.Shen, F.Chen, K.Yao. One-step isolation of adenosine triphosphate from crude fermentation broth of Saccharomyces cerevisiae by anion-exchange chromatography using supermacroporous cryogel. // J. Chromatogr. B, 2007, V.860, №1, P. 57-62] или координационного [P.Arvidsson, F.M. Plieva, V.I. Lozinsky, I.Yu. Galaev, B.Mattiasson. Direct chromatographic capture of enzyme from crude homogenate using immobilized metal affinity chromatography on a continuous supermacroporous adsorbent. // J. Chromatogr. A, 2003, V.986, №2, p. 275-290], неспецифических гидрофобных [М.С. Куюкина, Е.В. Рубцова, И.Б. Ившина, Р.В. Иванов, В.И. Лозинский. Адсорбционная иммобилизация клеток родококков в гидрофобизованных производных широкопористого полиакриламидного криогеля. // Прикл. биохим. микробиол., 2011, Т. 47, №2, С. 176-182] или специфических биоаффинных [D.A. Uygun, B.Akduman, M.Uygun, S.Akgol, A.Denizli. Purification of papain using Reactive-green 5 attached supermacroporous monolithic cryogel. // Appl. Biochem. Biotechnol., 2012, V. 167, №6, p. 552-563] взаимодействий.
Определенным недостатком подобных материалов является стремление совместить в одном материале две существенно различные функции: создание и поддержание в условиях работы материала оптимальных структурно-механических свойств (пористости, прочности, эластичности, стабильности и др.) и максимальное проявление сорбционной активности. В то же время хорошо известны материалы, которые порознь оптимизированы под выполнение одной из этих функций в отдельности. Логичным путем является создание композитных материалов, объединяющих в гетерогенной системе оптимальные структурообразующий и сорбционный компоненты.
Этот подход реализован в технических решениях, где сорбент включен в макропористую полимерную матрицу в виде дисперсного наполнителя, т.е. в целом материал представляет собой композит, содержащий по крайней мере две самостоятельные фазы: непрерывную полимерную фазу, не проявляющую заметной сорбционной активности по отношению к определенным сорбатам, и дискретную фазу наполнителя, напротив, обладающую такими сорбционными свойствами.
3
4
3
4
Например, известен композитный макропористый материал, представляющий собой полиакриламидный криогель, содержащий мелкие частицы FeO (смешанный оксид двух- и трехвалентного железа), которые включены в виде наполнителя в полимерную фазу (стенки макропор) губчатого композита [K.Yao, S.Shen, J.Yun, L.Wang, F.Chen, X.Yu. Protein adsorption in supermacroporous cryogels with embedded nanoparticles. // Biochem. Eng. J., 2007, V.36, №2, p. 139-146]. Частицы этого оксида железа обладают сорбционной способностью по отношению к альбумину сыворотки крови млекопитающих, тогда как полимерная фаза на основе сшитого полиакриламида в заметной степени не сорбирует данный белок, т.е. при контакте композита с плазмой крови избирательно извлекается только альбуминовая фракция, а ее неспецифическая сорбция полимером незначительна. Такой композитный материал получают радикальной сополимеризацией акриламида, аллилглицидилового эфира N,N′-метилен-бис-акриламида в присутствии дисперсии частиц FeO в неглубоко замороженной (-12°С) водной среде. Несмотря на хорошую специфичность этого макропористого материала его сорбционная емкость низкая, поскольку не удается включить в состав композита существенных количеств сорбционно-активного наполнителя - его предельное содержание в исходной смеси не превышает всего 0.92 мас. %, и при более высокой концентрации система быстро расслаивается за счет седиментации частиц высокой плотности в низковязком растворе сомономеров. Это также приводит к образованию очень неоднородного по своей текстуре конечного материала и неравномерному распределению в нем дисперсии адсорбента.
2
3
2
3
Когда плотность частиц дисперсного наполнителя ниже, чем у оксидов железа, то удается ввести большее количество дискретной фазы в состав соответствующего композита. В частности, известен композитный макропористый материал, также представляющий собой полиакриламидный криогель, содержащий частицы оксида алюминия (AlO; глинозем), включенные в стенки макропор композита [, C.Svensson, L.Mbundi, R.Busquets, A.Cundy, H.Kirsebom. γ-AlO-Based nanocomposite adsorbents for arsenic(V) removal: assessing performance, toxicity and particle leakage. // Sci. Total Environ., 2014, V. 473-474, Р. 207-214]. Такой композитный материал способен сорбировать ионы пятивалетного мышьяка из водных растворов (например, из питьевой воды или, как предлагается в описании данного технического решения, при очистке гемофильтрацией крови человека в случае отравления мышьяком) при их пропускании через столб макропористого материала. Содержание дискретной сорбционно-активной фазы в нем находится в диапазоне от 1 до 6 весо-объемных %, т.е. 1-6 г на 100 мл губчатого криогеля. Поэтому сорбционная емкость такого композита невысока - не превышает 2.7 мг мышьяка на 1 г (~1 мл) адсорбента (фиг. 1а). Также недостатками данного технического решения является то, что частицы γ-формы оксида алюминия, выполняющие функцию сорбирующего наполнителя этого композитного материала, имеют геометрию тонких острых игл длиной 0.1-0.2 мкм и диаметром 0.01-0.02 мкм (фиг. 1б), которые способны легко прокалывать стенки макропор полиакриламидного криогеля даже при незначительном механическом воздействии. В результате острие таких игл оказывается на внешней поверхности стенок макропор, и поэтому такие препараты нельзя вводить в контакт с клеточными суспензиями (кровь, лимфа) из-за высокой опасности механического повреждения цитоплазматической мембраны форменных элементов этих биологических жидкостей, поэтому возможности биомедицинского использования таких композитных материалов имеют существенные ограничения.
II
II
II
Этого недостатка лишены композитные криогели, в качестве сорбционно-активного наполнителя содержащие мягкие частицы другого геля. Например, известен макропористый поли(2-гидроксиэтилметакрилатный) криогель, в стенки макропор которого включены частицы сшитого геля, полученного сополимеризацией 2-гидроксиэтил-метакрилата, этиленгликольдиметакрилата и метилового эфира N-метакрилоил-L-цистеина [B.Tabakli, A.A. Topcu, , L.Uzun. Particle-assisted ion-imprinted cryogels for selective Cd ion removal. // Ind. Eng. Chem. Res., 2015, V. 54, №6, p. 1816-1823]. Процесс получения композита включает несколько последовательных стадий: 1) синтез цистеин-содержащего геля радикальной сополимеризацией смеси вышеуказанных мономеров в среде толуола при 65-75°С в течение 6 ч; 2) измельчение полученного сшитого геля в шаровой мельнице под слоем этанола; 3) высушивание измельченного продукта сначала в токе азота, а затем в сушильном шкафу при 50°С; 4) пропитывание полученных частиц раствором соли Cd с последующей их промывкой деионизованной водой; 5) синтез композитного криогеля сополимеризацией водного раствора 2-гидроксиэтилметакрилата и N,N′-метилен-бис-акриламида, смешанного с дисперсией Cd-co держащих частиц наполнителя и замороженного в течение 24 ч при -12°С; 6) размораживание сформированного таким образом композита, его промывку водой, водным спиртом и вновь водой, а затем водным раствором ЭДТА для удаления ионов кадмия и окончательно водой. Полученный в результате губчатый композитный материал способен быстро сорбировать токсичные для теплокровных ионы двухвалентного кадмия и предлагается для удаления этих ионов из различных водных сред, включая и различные биологические жидкости. Однако сорбционная емкость такого композитного криогеля довольно низкая - всего около 32 мкг кадмия на 1 г криогеля. Кроме того, для такой многостадийной схемы формирования конечного продукта характерна низкая технологичность и значительная продолжительность процесса в целом.
Все композитные материалы на основе вышеперечисленных наполненных макропористых криогелей обладают узкой специфичностью по отношению к сорбатам. Эти материалы способны связывать только определенные хорошо растворимые в воде вещества, но не дают возможности удалять из водных сред менее гидрофильные малорастворимые компоненты, т.е. данные известные композиты в качестве абсорбентов недостаточно универсальны.
Более универсальны в этом отношении композитные криогели, содержащие сорбционно-активный дисперсный наполнитель, способный поглощать широкий спектр сорбатов. Например, известен композитный криогель поливинилового спирта (ПВС), наполненный частицами гидрофобного наполнителя, выбранного из группы: гидрофобизованный силикагель, сшитый полистирол, сшитый N-винилкапролактам и углеродное волокно [В.И. Лозинский, И.Н. Савина, В.А. Даванков. Композиция для получения криогеля поливинилового спирта и способ получения криогеля. // Патент РФ №2190644 (2001); Б.И., 2002, №28]. В качестве одного из вариантов такого дисперсного наполнителя это известное техническое решение предусматривает использовании частиц сверхсшитого полистирола (№№ 6а-6в в таблице примеров). Данный тип пространственно-сшитого полистирола обладает высокой сорбционной емкостью по отношению к широкому кругу и плохо, и хорошо растворимых в воде веществ [M.H. Tsyurupa, V.A. Davankov. Porous structure of hyper-crosslinked polystyrene: State-of-the art mini-review. // React. Func. Polym., 2006, V.66, №7, P. 768-779], а в комбинации с макропористым носителем, сформированным из нетоксичного гидрофильного полимера (т.е. ПВС), соответствующий композит биосовместим и может использоваться для очистки различных биологических жидкостей от различных нежелательных загрязнителей. Такие наполненные криогели получают из композиций на основе растворов ПВС в диметилсульфоксиде, где суспендированы частицы наполнителя. При этом наполнитель вносится в раствор полимера в сухом виде или увлажненным растворителем, совместимым с диметилсульфоксидом, с дальнейшим замораживанием полученной суспензии при 15…-30°С, выдерживанием в замороженном состоянии в течение 1-24 ч, последующим оттаиванием и дальнейшей промывкой водой или водным буфером полученного композитного криогеля для замены диметилсульфоксида на воду. Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявляемому изобретению в отношении типа дисперсного наполнителя, включаемого в полимерную матрицу макропористого криогеля, было принято за прототип.
Известное техническое решение (прототип) обеспечивает получение композитных криогелей ПВС с равномерным распределением гидрофобного наполнителя (т.е. повышает однородность структуры целевого продукта); за счет повышения однородности структуры композитного материала улучшаются его механические свойства (жесткость) и повышается степень наполнения по сравнению с композитными криогелями ПВС, формируемыми из суспензий аналогичного гидрофобного наполнителя, но в водных растворах того же полимера. Однако прототип имеет ряд недостатков.
Во-первых, композитные криогели ПВС, описанные в прототипе, хотя и относятся к макропористым полимерным материалам, но не обладают губчатой морфологией. Размер их макропор не превышает 2-5 мкм [В.И. Лозинский, И.Н. Савина. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 22. Композитные криогели поливинилового спирта, наполненные дисперсными частицами различной гидрофильности/гидрофобности. // Коллоидн. журн., 2002, Т. 64, №3. С. 372-380], поэтому в объеме подобных композитов массообмен возможен только по механизму диффузии, но не по механизму конвекции как это имеет место внутри взаимосвязанных микрокапилляров широкопористых губчатых криогелей.
Во-вторых, теплостойкость материала-прототипа, т.е. криогеля ПВС, ограничена интервалом температур 75-80°С, выше которых узлы физической сетки этих криогелей расплавляются [В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, Б.Л. Шаскольский, Т.А. Бабушкина, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 27. Физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта и особенности их макропористой морфологии. // Коллоидн. журн., 2007, Т. 69, №6, С. 798-816]. Поэтому такие криогели нельзя подвергать стандартным приемам термической стерилизации, что ограничивает области их биомедицинского применения.
В-третьих, поскольку способ-прототип предусматривает использование диметилсульфоксида в качестве растворителя в составе исходной композиции, по окончании криотропного гелеобразования и оттаивания системы необходима замена этого органического растворителя на воду, иначе полученный композитный криогель нельзя использовать для контакта с биологическими объектами. Применение дорогого диметилсульфоксида существенно ухудшает экономические показатели способа-прототипа, а необходимость тщательной промывки конечного материала значительно увеличивает объем сточных вод и понижает технологичность процесса за счет такой дополнительной стадии длительной промывки.
В этой связи задачами изобретения являются создание макропористого полимерного материала, наполненного частицами сорбента, имеющего сообщающиеся макропоры капиллярного размера и обладающего повышенной теплостойкостью, разработка композиции для получения такого материала и способа его получения, более универсального, чем известные аналоги.
Указанные задачи решаются заявляемым макропористым полимерным материалом, наполненным частицами сорбента, обладающим сорбционными свойствами в отношении токсичных органических веществ, композицией для получения указанного материала, содержащей полиэлектролит, дисперсный наполнитель, представляющий собой частицы сверхсшитого полистирольного сорбента, а также воду при соотношении компонентов (мас. ч.) : полиэлектролит 1-10; дисперсный наполнитель 0.5-5.0; вода - остальное, и способом получения заявляемого материала из вышеописанной композиции, который включает диспергирование частиц сверхсшитого полистирольного сорбента в предварительно приготовленном водном растворе полиэлектролита до образования устойчивой суспензии, последующее замораживание суспензии при - 10…-40°С, сублимационное высушивание полученного композита и переведение полиэлектролита в водонерастворимую форму в среде нерастворителя полимера.
Получаемый макропористый композитный полимерный материал может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, гранул, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока), трубок и др.
Конкретные параметры заявляемого технического решения определяются следующими факторами:
1). Состав исходной полимерной композиции
а) В качестве структурообразующего полимера в заявляемой композиции используют полиэлектролит, одна из форм которого (незаряженная, солевая с соответствующими противоионами, полиэлектролитный комплекс) не растворяется в воде после соответствующей обработки водорастворимой формы. Например, при депротонировании водорастворимых солей такого полиэлектролита, как хитозан (поли(1-4)-β-D-гликозамин), в результате действия щелочных агентов образуется водонерастворимая незаряженная форма хитозана-основания; при обработке водорастворимой натриевой соли альгиновой кислоты (сополимер D-маннуроной и L-гулуроновой кислот) солями двухвалентных катионов (кальций, стронций, барий и др.) образуется водонерастворимая солевая форма этой поликислоты, или же при взаимодействии водорастворимого полиэтиленимина с тоже водорастворимой натриевой солью акриловой кислоты образуется водонерастворимый полиэлектролитный комплекс. Заявляемое техническое решение предусматривает использование любого из таких вариантов полиэлектролитов в составе исходной композиции. Заявляемый диапазон содержания полиэлектролита в такой композиции найден экспериментально, он лежит в пределах от 1 до 10 мас. ч. на 100 мас. ч. всей композиции, поскольку ниже указанного диапазона получаются механически слабые целевые макропористые композитные материалы, а при исходных концентрациях полиэлектролита выше этого диапазона сильно увеличивается вязкость исходного раствора полимера, что создает технические трудности манипуляций с ним и может приводить к образованию структурных неоднородностей в материале конечного продукта.
б) Использование дисперсии частиц сверхсшитого полистирола в качестве наполнителя в заявляемом композитном материале обусловлено тем, что данный сорбционный материал в настоящее время является общепризнанным лидером по своей сорбционной емкости и универсальности. Проявляя в водной и газовой среде высокую сорбционную активность по отношению как к полярным, так и к неполярным органическим соединениям, он совместим с любыми жидкими средами и достаточно термостоек. Сорбенты данного класса выпускаются в промышленных масштабах и хорошо зарекомендовали себя в многочисленных реализованных сорбционных технологиях. Для биомедицинского применения важно, что сверхешитый полистирол гемосовместим, стерилизуется стандартными методами и активно удаляет из биологических жидкостей широкий набор отравляющих веществ, низкомолекулярных белковых токсинов, липополисахаридов и при этом тормозит развитие патологической микрофлоры. Заявляемый диапазон содержания наполнителя также определен экспериментально и находится в пределах 0.5-5.0 на 100 мас. ч. всей композиции, поскольку при содержании наполнителя в исходной композиции ниже 0,5 мас. ч., сорбционная емкость конечного композитного материала незначительна, а при содержании наполнителя выше 5.0 мас. ч. резко возрастают вязкость исходной композиции (что создает технические трудности при перемешивании) и, как результат, повышается неоднородность распределения частиц наполнителя в формируемом композитном материале.
2) Режимы осуществления заявляемого технического решения
а) Способ получения заявляемого материала состоит из следующих основных этапов: приготовление исходной полимерной композиции, т.е. водного раствора полиэлектролита с последующим введением в полученный раствор дисперсного наполнителя (стадия 1), замораживание приготовленной полимерной композиции в сосуде той геометрии, которую желательно придать конечному изделию (стадия 2), сублимацию замороженного льда, т.е. лиофилизацию образца (стадия 3), переведение водорастворимой формы полиэлектролита в водонерастворимую форму путем обработки лиофильно-сухого материала соответствующим агентом в среде нерастворителя полимера с последующей промывкой изделия чистым нерастворителем полимера (стадия 4) и, в случае необходимости, сушка полученного композитного материала желательно в асептических условиях (стадия 4′).
Такая последовательность операций обеспечивает достижение одной из основных задач заявляемого изобретения, а именно, получение нового ранее неизвестного макропористого полимерного материала, наполненного частицами сорбента (сверхсшитого полистирола, в данном случае).
б) Растворение полиэлектролита в водной среде проводят обычными известными приемами, если необходимо, то и с коррекцией значения рН раствора добавлением требуемого количества кислоты или щелочи. Последующее диспергирование частиц полистирольного сорбента в полученном таким путем растворе полиэлектролита также выполняют известными приемами. Если позволяет термостойкость ингредиентов композиции, суспензию предпочтительно прогреть при 70-80°С в течение 1-2 ч, что способствует хорошей стерилизации системы.
в) Температурные режимы замораживания исходной полимерной композиции на стадии 2 способа определены экспериментально. Верхний предел температурного диапазона (-10°С) обусловлен тем, что при более высокой температуре из-за эффектов переохлаждения полимерные композиции заявляемого состава часто не замерзают, а ниже -40°С образуются очень мелкие кристаллы льда, которые формируют недостаточно крупные поры в получаемом композите.
г) Стадия 3 заявляемого способа - удаление замороженного растворителя его сублимацией - является известным приемом и его режимы (температура и создаваемый вакуум) в основном определяются используемым лиофилизационным оборудованием. Основное требование к режиму этой стадии: не должно происходить оттаивание системы, чтобы не нарушить макропористую морфологию полимерной фазы.
д) Стадия 4 заявляемого способа - переведение водорастворимой формы полиэлектролита в водонерастворимую форму осуществляют путем обработки лиофильно-сухого материала соответствующим агентом в среде нерастворителя полимера с последующей промывкой изделия чистым нерастворителем полимера и, если необходимо, сушкой полученного материала, которую проводят для придания материалу водонерастворимости и закрепления (фиксации) его макропористой морфологии. Вариант применяемой обработки зависит от типа используемого полиэлектролита и определяется в каждом конкретном случае той формой (слабо диссоциирующая соль, незаряженный полимер, полиэлектролитный комплекс), в которую требуется перевести исходно растворимый в воде полиэлектролит. Такую обработку проводят в среде, которая служит растворителем для используемого агента, но обязательно является нерастворителем для полимерной основы материала (обычно это полярные органические жидкости типа простых спиртов, ацетона, тетрагидрофурана и др.). Если получаемый заявляемым способом материал необходим в сухом виде, например, для последующего длительного хранения, сушку материала после промывки от остатков модифицирующего агента предпочтительно осуществлять в стерильных условиях.
Заявляемая композиция для получения макропористых полимерных материалов, наполненных частицами сорбента, способ получения указанных материалов, а также заявляемое сочетание признаков, ранее известны не были, то есть предлагаемое техническое решение отвечает критерию «новизна».
Ниже описаны типичные примеры реализации заявляемого технического решения, остальные примеры суммированы в таблице, а приводимые ниже рисунки содержат следующую информацию:
2
3
2
3
2
3
Фиг. 1. Сорбционная емкость (а) композитного полиакриламидного криогеля, содержащего 6 весо-объемных % частиц AlO, включенных в стенки макропор композита, в зависимости от объема пропущенного через него раствора соли мышьяка и электронная микрофотография (б) игольчатых частиц AlO, включенных в гелевую фазу губчатого композитного материала (по данным [, C.Svensson, L.Mbundi, R.Busquets, A.Cundy, H.Kirsebom. γ-AlC-Based nanocomposite adsorbents for arsenic(V) removal: assessing performance, toxicity and particle leakage. // Sci. Total Environ., 2014, V. 473-474, P. 207-214]).
Фиг. 2. Микрофотографии наполненных частицами сорбента макропористых полимерных материалов, полученных согласно заявляемому техническому решению по примерам 2(а), 6(б) и 10(в).
Пример 2. Наполненный частицами сверхшитого полистирола макропористый полимерный материал на основе водонерастворимой соли альгината кальция.
а) Получение композитного материала
Альгинат натрия (3 г) растворяют в 95 мл дистиллированной воды. Далее в приготовленном растворе диспергируют 2 г частиц (40-80 мкм) сверхсшитого полистирола и перемешивают суспензию в течение 3 ч. Затем удаляют пузырьки воздуха ультразвуковой обработкой системы в течение 20 мин, заливают слоем толщиной 3 мм в форму, которую помещают на охлаждаемую плиту, где суспензию замораживают при -25°С в течение 2 ч. Замороженный образец помещают в сублимационную установку и высушивают лиофильно. Полученный губчатый препарат помещают в насыщенный спиртовой раствор хлорида кальция, где выдерживают при периодическом перемешивании в течение 12 ч, а затем 3 раза промывают чистым спиртом, под слоем которого хранят. Аналогичным образом получают образец сравнения - Са-альгинатную губку без наполнителя (№3 в таблице примеров).
б) Оценка сорбционных характеристик композитного материала
Губчатый полимерный материал (заявляемый или образец сравнения) отмывают от спирта водой, отжимают на фильтровальной бумаге, помещают в водный раствор фенола концентрацией 0.94 мг/мл и перемешивают систему на шейкере при комнатной температуре в течение 5 ч. Количественный анализ содержания фенола в жидкой фазе осуществляют фотометрическим методом при 270 нм. Количество фенола, извлеченного из раствора, рассчитывают в мг на грамм сухого макропористого полимерного материала. Анализ показывает, что образец сравнения - Са-альгинатная губка, не содержащая частицы сверхсшитого полистирола в качестве дисперсного наполнителя, практически не сорбирует фенол из водного раствора, тогда как заявляемый макропористый композитный материал (фиг. 2а) поглощает 112±8 мг данного сорбата на 1 г сухого материала.
Пример 6. Наполненный частицами сверхшитого полистирола макропористый полимерный материал на основе незаряженной формы хитозана.
а) Получение композитного материала
Ацетат хитозана (1.4 г) растворяют в 48.1 мл дистиллированной воды. Далее в полученном растворе диспергируют 0.5 г частиц (40-100 мкм) сверхсшитого полистирола и перемешивают суспензию в течение 3 ч. Пузырьки воздуха удаляют ультразвуковой обработкой системы в течение 20 мин, заливают слоем толщиной 5 мм в форму, которую помещают на охлаждаемую плиту, где суспензию замораживают при -15°С в течение 5 ч. Замороженный образец помещают в сублимационную установку и высушивают лиофильно. Полученный губчатый препарат помещают в 0.1 М раствор аммиака в ацетоне, где выдерживают при периодическом перемешивании в течение 24 ч, а затем 4 раза промывают чистым ацетоном и сушат с одновременной стерилизацией при 120°С в течение 3 ч. Аналогичным образом получают образец сравнения - губку хитозана-основания без наполнителя (№7 в таблице примеров).
б) Оценка сорбционных характеристик композитного материала
Губчатый полимерный материал (заявляемый или образец сравнения) помещают в водный раствор гидрокортизона концентрацией 0.20 мг/мл и перемешивают систему на шейкере при комнатной температуре в течение 5 ч. Количественный анализ содержания гидрокортизона в жидкой фазе осуществляют фотометрическим методом при 248 нм. Количество сорбата, извлеченного из раствора, рассчитывают в мг на грамм сухого макропористого полимерного материала. Анализ показывает, что образец сравнения - губка на основе хитозана-основания, не содержащая частицы сверхсшитого полистирола в качестве дисперсного наполнителя, практически не сорбирует гидрокортизон из водного раствора, тогда как заявляемый макропористый композитный материал (фиг.2б) поглощает 58±4 мг данного сорбата на 1 г сухого материала.
Пример 10. Наполненный частицами сверхшитого полистирола макропористый полимерный материал на основе водонерастворимого полиэлектролитного комплекса акриловой кислоты и полиэтиленимина.
а) Получение композитного материала
Натриевую соль полиакриловой кислоты (0.15 г) растворяют в 9.85 мл дистиллированной воды. Далее в полученном растворе диспергируют 0.2 г частиц (60-90 мкм) сверхсшитого полистирола и перемешивают суспензию в течение 3 ч. Пузырьки воздуха удаляют ультразвуковой обработкой системы в течение 20 мин, заливают слоем толщиной 2 мм в форму, которую помещают на охлаждаемую плиту, где суспензию замораживают при -18°С в течение 7 ч. Замороженный образец помещают в сублимационную установку и высушивают лиофильно. Полученный губчатый препарат помещают в жидкую систему, содержащую 0.15 г полиэтиленимина, растворенного в 10 мл 70%-ного этанола. Смесь выдерживают при периодическом перемешивании в течение 48 ч, а затем 3 раза промывают 70%-ным этанолом, далее 2 раза чистым этанолом и сушат с одновременной стерилизацией при 120°С в течение 2 ч. Аналогичным образом получают образец сравнения - губку полиэлектролитного комплекса полиакрилат-полиэтиленимин без наполнителя (№11 в таблице примеров).
б) Оценка сорбционных характеристик композитного материала
Губчатый полимерный материал (заявляемый или образец сравнения) отмывают от спирта водой, отжимают на фильтровальной бумаге, помещают в водный раствор фенола концентрацией 0.47 мг/мл и перемешивают систему на шейкере при комнатной температуре в течение 3 ч. Количественный анализ содержания фенола в жидкой фазе осуществляют фотометрическим методом при 270 нм. Количество фенола, извлеченного из раствора, рассчитывают в мг на грамм сухого макропористого полимерного материала. Анализ показывает, что образец сравнения - губка из полиэлектролитного комплекса полиакрилат-полиэтиленимин, не содержащая частицы сверхсшитого полистирола в качестве дисперсного наполнителя, практически не сорбирует фенол из водного раствора, тогда как заявляемый макропористый композитный материал (фиг. 2в) поглощает 64±6 мг данного сорбата на 1 г сухого материала.
Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом:
1. В отличие от прототипа (композитного криогеля поливинилового спирта, наполненного частицами полистирольного сорбента и имеющего макропоры размером до 2-5 мкм), заявляемые макропористые композитные полимерные материалы имеют губчатую морфологию с крупными порами капиллярного размера (до 100-300 мкм, фиг.2), обеспечивающими высокоэффективный массообмен в объеме материала по механизму конвекции.
2. Теплостойкость заявляемого макропористого композитного материала существенно превосходит теплостойкость прототипа, что позволяет не только проводить термическую стерилизацию целевого композитного материала (см. пример 6), но использовать повышенные температуры для эффективного удаления из материала остатков летучих органических жидкостей, применяемых в заявляемом способе на стадии трансформации водорастворимой формы полиэлектролита в водонерастворимую форму (см. примеры 1, 4-6 в таблице).
3. По сравнению с известными аналогами заявляемое техническое решение позволяет вводить в состав композитного материала существенно большее количество сорбционно-активного наполнителя, что обеспечивает высокую сорбционную емкость целевого композитного материала, в ряде случаев достигающей 100-200 мг токсиканта на 1 г композитного материала (примеры 2 и 8 в таблице), на 1-3 порядка превышающей данный параметр для известных аналогов.
4. Заявляемое техническое решение позволяет в широких пределах варьировать состав исходной полимерной композиции для получения макропористых композитных материалов, обладающих сорбционными свойствами в отношении токсичных органических веществ, что обеспечивает возможность производства целого семейства таких материалов, т.е. существенно расширяет номенклатуру соответствующих изделий для разных вариантов их применения как в отношении сорбатов, так и рабочих сред, где эти материалы должны функционировать.
5. Большая часть органических жидкостей, применяемых на стадии трансформации водорастворимой формы полиэлектролита в водонерастворимую форму, может быть легко регенерирована простой отгонкой и использована повторно, что существенно снижает объем стоков и вследствие меньшего расхода улучшает экономические показатели процесса получения макропористых композитов.
Технический результат
Новый композитный макропористый полимерный материал, наполненный частицами сорбента, обладающий повышенной теплостойкостью и увеличенной сорбционной емкостью в отношении токсичных органических веществ, удобный и экономичный способ получения такого материала.
Наиболее эффективно заявляемое техническое решение и получаемые согласно ему наполненные частицами сорбента макропористые полимерные материалы, обладающие сорбционными свойствами в отношении токсичных органических веществ, могут быть использованы в биомедицинской практике (гемосорбенты, дренажные губки), а также в биотехнологии (очистка различных жидкостей от нежелательных, в том числе и токсичных, примесей разнообразной химической природы).