СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОДИСПЕРСНЫХ КАРБОКСИЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСФЕР
METHOD OF PRODUCING MONODISPERSED CARBOXYLATED POLYMER MICROSPHERES

Предлагаемое изобретение относится к области высокомолекулярных соединений, а именно способу получения монодисперсных карбоксилированных полимерных микросфер, в т.ч. латексов, которые могут быть использованы в биохимии и медицине, в частности для создания иммунодиагностических тест-систем.
До настоящего времени был разработан способ получения полимерной суспензии, содержащей карбоксильные группы на поверхности частиц, методом безэмульгаторной сополимеризации стирола с метакриловой, акриловой, итаконовой кислотами (Успехи химии. 1991 г., т.60, №2, стр.398-429). Полученный латекс предлагалось использовать в качестве носителя иммунореагентов.
Однако при сополимеризации карбоксильные группы распределялись не только на поверхности микросфер, но и в объеме, что снижало эффективность иммунохимических реакций. Устранение этого недостатка потребовало постепенного добавления метакриловой кислоты в реакцию, что, в свою очередь, отрицательно влияло на воспроизводимость результатов.
Известен патент РФ 2164919 1998 года, защищающий способ получения полимерной суспензии с карбоксилированной поверхностью частиц методом безэмульгаторной полимеризации винильного мономера, одного или смеси, в водно-щелочной среде в присутствии карбоксилсодержащего инициатора 4,4'-азо-бис-(4-цианвалериановой) кислоты (ЦВК). При этом в исходную реакционную смесь дополнительно вводили соль или их смеси, способствующие образованию буферных растворов в области щелочных значений pH при их концентрации 0,005-0,150 M в расчете на водную фазу. Основная цель изобретения - получение монодисперсного полимерного латекса для использования в качестве носителя иммунореагентов.
Латекс, полученный данный способом, содержал полимерные карбоксилированные микросферы, однако концентрацию карбоксильных групп на поверхности было сложно регулировать из-за неупорядоченной ориентации концевых групп полимера. При этом следует отметить высокую стоимость ЦВК.
В польских патентах №162445 и №162446, опубликованных в начале 90-х гг. XX века, защищены способы получения монодисперсной полистирольной суспензии в присутствии не растворимого в воде ПАВ - ди-n-толил-o-карбалкоксифенил-карбинола (ДТК). Недостаток способов - образование устойчивой суспензии полистирола возможно только при весьма ограниченном соотношении фаз, что сужает диапазон диаметров получаемых микросфер.
Использование кремнийорганических соединений, в частности не растворимого в воде олигодиметилсилоксана с одной концевой карбоксиэтильной группой, в качестве поверхностно-активного стабилизатора для получения устойчивой полистирольной суспензии относится к началу 90-х годов XX в. (Доклады Академии Наук, 1994, т.334, №1, стр.57-59). Согласно описанию процесса олигомер растворяют в стироле и перемешивают раствор с водой с образованием прямой эмульсии. При инициировании полимеризации стирола, например, гидроперекисью изопропилбензола получают стабильную суспензию полимера, дисперсные частицы которого имеют сферическую форму, узкое распределение частиц по размерам уже на ранних стадиях полимеризации и практически не коагулируют. Устойчивость суспензии достигается за счет формирования прочного межфазного слоя из молекул образующегося полистирола и кремнийорганического олигомера. Однако при синтезе данного ПАВ в качестве одного из реагентов используется вещество, технология получения которого довольно сложна и требует применения металлического натрия.
В 2010 году опубликована статья в журнале «Высокомолекулярные соединения», серия Б, том 52, №9, стр.1689-1695, с описанием способа синтеза полистирольных суспензий в присутствии не растворимого в воде α,ω-бис-(10-карбоксидецил)-полидиметилсилоксана, содержащего 30 силоксановых звеньев, под действием радикального инициатора при нагревании до 80°C. При этом соотношение дисперсной и водной фаз составляло от 1:2 до 1:9.
Приведенный способ не позволяет регулировать концентрацию карбоксильных групп при заданном диаметре полистирольных частиц, а максимальная конверсия мономера за 5 часов не превышает 85% (см. рис.2, 4). Кроме того, при высоком отношении мономера к воде 1:(2-4) наблюдается образование коагулюма.
Задача предлагаемого изобретения - разработать эффективный способ получения монодисперсных функциональных микросфер регулируемого диаметра без указанных недостатков.
В результате научных исследований разработан технологичный способ получения монодисперсных карбоксилированных полимерных микросфер на основе винильных мономеров (метилметакрилата (ММА), н-бутилакрилата, стирола, винилацетата и хлоропрена). Процесс проводят в присутствии не растворимого в воде ПАВ - α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с числом силоксановых звеньев от 6 до 60 или его смеси с полиоксиалкиленполисилоксаном формулы
(где m=8-64, n=4-8, р=15-20, q=15-20)
w
n
-3
2
при содержании ПАВ или смеси соответственно 0,5-1,9 и 0,9-2,6% от массы мономера и объемном соотношении дисперсной фазы к бидистиллированной воде 1:(2-9). ПАВ или смесь предварительно растворяют в мономере. Способ осуществляют под действием радикальных инициаторов - смеси персульфата калия с динитрилом азо-бис-изомасляной кислоты или перекисью бензоила в количестве 0,8-1,3% от массы мономера в атмосфере инертного газа при одновременном нагревании до 50-75°C и интенсивном перемешивании с образованием прямой эмульсии с последующей полимеризацией течение 2-5 часов под действием инициатора капель мономера в полимерные частицы при повышении температуры на 10°C за час до окончания процесса для достижения полной конверсии мономера. Получают стабильную суспензию полимерных микросфер диаметром 0,13-0,65 мкм и узким распределением частиц по размерам (коэффициент дисперсности D/D=1,008-1,027). Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет (3,4-138,1)×10 мг-экв./м. Суспензия устойчива в физиологических растворах (0,15-0,25 M).
Агрегативная устойчивость полимерных микросфер обеспечивается за счет образования ПАВами на поверхности частиц плотного адсорбционного слоя, в котором концентрируются практически все карбоксильные группы, что обеспечивает высокую концентрацию функциональных групп на поверхности микросфер, достаточную для создания диагностических тест-систем.
Размеры частиц полимерных суспензий определяли методом электронной сканирующей микроскопии на приборе "S-570" фирмы Hitachi.
Содержание карбоксильных групп на поверхности микросфер определяли после отмывки латекса от водорастворимых примесей кондуктометрическим титрованием по методике, приведенной в журнале J. Colloid. Polym. Sci. 1980, т.15, стр.2193.
Устойчивость полимерных суспензий в растворах электролита определяли методом титрования. Концентрацию электролита изменяли в диапазоне от 0,15 до 0,25 моль/л.
Конкретное осуществление способа проиллюстрировано следующими примерами.
Пример 1.
w
n
-3
2
В реактор объемом 250 мл снабженный механической мешалкой, термометром и капилляром для продувки азотом, при интенсивном перемешивании загружают 160 мл бидистиллированной воды, 0,37 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 40 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,11 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты, 0,52 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 35 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:4. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 1 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре еще в течение 1 часа до достижения конверсии ММА 100%. Образование коагулюма не наблюдается. Получают суспензию с диаметром частиц 0,50 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,019. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 35,8×10 мг-экв./м.
Во всех последующих примерах конверсия мономера составила 100%, а образование коагулюма не наблюдалось.
Пример 2.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 160 мл бидистиллированной воды, 0,26 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 50°C, после чего добавляют 40 мл винилацетата с растворенными в нем 0,04 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты, 0,37 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 35 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:4. Полимеризацию проводят при 50°C и интенсивном перемешивании в течение 1 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре еще в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,40 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,010. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 21,2×10 мг-экв./м.
Пример 3.
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 160 мл бидистиллированной воды, 0,4 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 40 мл стирола с растворенными в нем 0,07 г 0,04 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты, 0,69 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидаметилсилоксана с длиной цепи 30 силоксизвеньев и 0,25 г полиоксиалкиленполисилоксанового блок-сополимера формулы
w
n
-3
2
При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:4. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 4 ч, затем поднимают температуру на 10°С и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,58 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,018. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 54,7×10 мг-экв./м.
Пример 4.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 160 мл бидистиллированной воды, 0,35 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 50°C, после чего добавляют 40 мл н-бутилакрилата с растворенными в нем 0,1 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты и 0,43 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 45 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:4. Полимеризацию проводят при 50°C и интенсивном перемешивании в течение 2 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,37 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,020. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 17,2×10 мг-экв./м.
Пример 5.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 160 мл бидистиллированной воды, 0,38 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 50°C, после чего добавляют 40 мл хлоропрена с растворенными в нем 0,11 г перекиси бензоила и 0,69 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 35 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:4. Полимеризацию проводят при 50°C и интенсивном перемешивании в течение 2 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,35 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,020. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 31,9×10 мг-экв./м.
Пример 6.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 200 мл бидистиллированной воды, 0,25 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 65°C, после чего добавляют 22 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,02 г перекиси бензоила и 0,33 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 60 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:9. Полимеризацию проводят при 65°C и интенсивном перемешивании в течение 3 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,4 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,017. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 19,7×10 мг-экв./м.
Пример 7.
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 200 мл бидистиллированной воды, 0,14 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 22 мл стирола с растворенными в нем 0,02 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты и 0,12 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 40 силоксизвеньев и 0,06 г полиоксиалкиленполисилоксанового блок-сополимера формулы
w
n
-3
2
При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:9. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 4 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,40 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,014. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 9,4×10 мг-экв./м.
Пример 8.
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 130 мл бидистиллированной воды, 0,49 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 65 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,12 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты, 0,67 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 30 силоксизвеньев и 0,06 г полиоксиалкиленполисилоксанового блок-сополимера формулы
w
n
-
2
При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:2. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 1 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,65 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,009. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 40,3×103 мг-экв./м.
Пример 9.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 200 мл бидистиллированной воды, 0,19 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 60°C, после чего добавляют 22 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,04 г перекиси бензоила и 0,39 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 6 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:9. Полимеризацию проводят при 60°C и интенсивном перемешивании в течение 3 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,40 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,018. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 138,1×10 мг-экв./м.
Пример 10.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 200 мл бидистиллированной воды, 0,21 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 22 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,04 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты и 0,1 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидаметилсилоксана с длиной цепи 40 силоксизвеньев, при этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:9. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 1 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре еще в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,15 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,016. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 3,4×10 мг-экв./м.
Пример 11.
w
n
-3
2
В реактор по примеру 1 при интенсивном перемешивании загружают 200 мл бидистиллированной воды, 0,21 г персульфата калия и дегазируют раствор током азота в течение 15 минут с одновременным нагреванием его до 75°C, после чего добавляют 22 мл метилметакрилата с растворенными в нем 0,04 г динитрила азо-бис-изомасляной кислоты и 0,25 г α,ω-бис-(10-карбоксидецил)полидиметилсилоксана с длиной цепи 10 силоксизвеньев. При этом объемное соотношение мономер:вода составляет 1:9. Полимеризацию проводят при 75°C и интенсивном перемешивании в течение 1 ч, затем поднимают температуру на 10°C и выдерживают реакционную массу при этой температуре еще в течение 1 часа. Получают суспензию с диаметром частиц 0,13 мкм и коэффициентом дисперсности D/D=1,011. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 21,1×10 мг-экв./м.
Микрофотографии полимерных частиц, полученных по примерам 1-5, показаны на рис.1-5.