Молекулярная подвижность компонентов в сшитых гидрогелях на основе хитозана

УДК 541.64

Молекулярная подвижность компонентов в сшитых гидрогелях на основе хитозана

© 1*+ и 2*

1Кафедра физики. Поволжский государственный технологический университет. Пл. Ленина, 3.
г. Йошкар-Ола, 424000. Республика Марий Эл. Россия. Тел.: [phone].
E-mail: [e-mail]

2Кафедра аналитической, физической и коллоидной химии. Московский государственный текстильный университет им. . . г. Москва, 119071. Россия.
Тел.: [phone]. E-mail: *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: хитозан, гидрогели, ядерная магнитная релаксация, молекулярная подвижность

Аннотация

Методом ядерной магнитной релаксации изучены процессы спин-решеточной и спин-спиновой релаксации протонной намагниченности воды в гидрогелях на основе хитозана, полученных при варьировании рН и концентрации сшивающего реагента. Показана взаимосвязь между структурой гидрогеля и подвижностью удерживаемой воды. Проанализирован характер изменения структуры высушенных гидрогелей в процессе их повторного набухания в парах воды. Показана корреляция результатов сорбционного метода и метода ЯМР

Введение

В последнее время пристальное внимание исследователей, работающих в области создания новых биоматериалов, уделяется полимерным гидрогелям, характеризующимся высокой гидрофильностью, потенциальной биосовместимостью, уникальными механическими и эластичными свойствами, близкими к свойствам живых тканей. По этой причине полимерные гидрогели весьма привлекательны для использования в ряде областей медицинской науки и практики, например, в качестве компонентов раневых покрытий, систем с контролируемым выделением лекарственного препарата, материалов для имплантатов и т. д [1]. Перспективными материалами для этих целей являются гидрогели на основе биосовместимого, биодеградируемого, биоадгезивного полисахарида хитозана, обладающего свойствами бактериостатика, способствующего заживлению ран, всасыванию лекарственных средств и восстановлению тканей [2]. Поэтому существует постоянная потребность в улучшении свойств гидрогелей хитозана.

Ковалентное сшивание полимеров в их водных растворах бифункциональными реагентами приводит к формированию непрерывной сетки геля, обладающей прочностью и в то же время обеспечивающей свободную диффузию воды. Такие гидрогели, благодаря гидрофильности и высокопористой структуре, способны сорбировать и удерживать значительное количество воды или биологических жидкостей. В качестве реагентов для сшивания хитозана используют альдегиды различного строения: глутаровый, терефталевый диальдегиды, формальдегид, ацетальдегид, глиоксаль. Авторы [3] на основании сравнительного изучения реакционной способности альдегидов показали, что наиболее легко реагирует с аминогруппами глутаровый альдегид (ГА). Использование глутарового альдегида позволяет проводить сшивку хитозана в мягких условиях: при низкой температуре и физиологических значениях рН [4].

Настоящая работа посвящена изучению микродинамики полимера и воды в гидрогеле на основе сшитого в присутствии ГА хитозана, а также внутри - и межмолекулярных взаимодействий в исследуемой системе. Наиболее информативным в этом случае методом является релаксационная спектроскопия ЯМР, поскольку процессы ядерной магнитной релаксации зависят от времен корреляции движений спинов и интенсивности их взаимодействия.

Экспериментальная часть

В работе исследовали гидрогели на основе хитозана, сшитого по аминогруппам (-NH2) глутаровым альдегидом при варьировании рН и соотношения ГА/-NH2. Характеристика объектов исследования представлена в таблице 1.

Таблица 1. Объекты исследования
№ образца	рН раствора хитозана	Соотношение ГА/-NH2
1	4,1	1,2
2	5,6	1,2
3	5,6	0,4

Параметры ЯМР измеряли на импульсном релаксометре с частотой резонанса на протонах 37 МГц. Методика обработки сигнала свободной индукции (ССИ), представляющего собой суперпозицию быстрорелаксирующей, отвечающей за релаксацию протонов полимерной матрицы, и медленнорелаксирующей, отвечающий за релаксацию протонов воды, компонент приведена в [5]. Для измерения времени спин-спиновой релаксации (ССР) Т2д молекул воды в гидрогелях использовали последовательность Карра-Парселла-Мейбума-Гила (КПМГ) – {900х – (t–1800у–t–эхо)n} (рис. 1а) для исключения влияния неоднородности внешнего магнитного поля и самодиффузии молекул воды на процессы ССР. Для измерения времени спин-решёточной релаксации (СРР) Т1 использовали импульсную последовательность «инверсия-восстановление» – {1800 - t - 900} (рис. 1б) [6].

Рис. 1. Импульсные последовательности КПМГ (а) и "инверсия – восстановление" (б)

Равновесную сорбцию водяного пара измеряли изопиестическим методом. Относительную влажность воздуха в эксикаторах создавали насыщенными растворами солей. Эксикаторы термостатировали при 25 0С. Равновесные величины сорбции устанавливались в течение 5-6 недель. Перед измерениями величин сорбции образцы гидрогелей высушивали до постоянной массы над осушителем. Контроль за влагосодержанием осуществляли весовым способом.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе работы для выяснения влияния структуры хитозановых гелей на подвижность удерживаемой ими воды в процессе десорбции влаги были исследованы процессы СРР и ССР протонной намагниченности молекул воды, вносящих вклад в медленнорелаксирующую компоненту ССИ.

На рис. 2а и 2б представлены зависимости Т1д и Т2д от содержания воды в гелях. Абсолютные значения времен релаксации будут зависеть от подвижности молекул воды, которая, в свою очередь, будет определяться структурой геля. Для молекул воды в набухшем геле в любой произвольный момент времени реализуются два состояния – состояние молекул в среде себе подобных (состояние "объемного" растворителя) и состояние специфического взаимодействия с молекулами полимера посредством водородных связей. Каждое из состояний характеризуется различной подвижностью молекул и, следовательно, различными значениями времени ядерной магнитной релаксации.

Между молекулами воды постоянно осуществляется обмен намагниченностью и, исходя из условий быстрого обмена, измеряемые скорости СРР и ССР протонов воды, находящейся в различных состояниях, определяется соотношением:

, (1)

где - измеренное значение времени СРР и ССР; , , – значения времени СРР и ССР связанной, слабосвязанной и объемной (свободной) воды; , , – доли протонов воды в соответствующих фракциях.

Рис. 2. Зависимости Т1 (а) и Т2 (б) протонной намагниченности молекул воды от влагосодержания хитозановых гелей. Номера кривых на этом и последующих рисунках соответствуют номеру образца в табл. 1.

Как видно из рис. 2, подвижность воды в гидрогеле, полученном при рН 4,1, по сравнению с другими образцами, наибольшая. По всей видимости, сшивание в этих условиях приводит к формированию редко сшитой, высоко лабильной пространственной структуры со значительными свободными объемами между узлами сетки, внутри которых может удерживаться до 10000 масс.% воды. В результате для молекул воды в образце 1, по сравнению с образцами 2 и 3, в наибольшей степени реализуется состояние "объемного" растворителя, характеризующееся наибольшей подвижностью и, следовательно, наибольшими значениями времени СРР и ССР. Для гидрогелей, полученных при рН 5,6, подвижность воды зависит от соотношения ГА/NH2. Наименьшей подвижностью удерживаемой воды (Т2д отличается ~ на порядок, а Т1д ~ в 2 раза) характеризуется гидрогель с соотношением ГА/NH2 = 1,2, что указывает на формирование в процессе гелеобразования структуры с высокой степенью сшивки, обусловленной большим избытком сшивающего реагента и высокой концентрацией депротонированных аминогрупп. Этот гель удерживает 3700 масс.% воды, аномально низкие значения Т1д и Т2д для которой могут быть обусловлены особенностями механизма сшивки глутаровым альдегидом [7], приводящими при рН 5,6 и высоком соотношении ГА/NH2 к образованию продукта, содержащего свободные карбонильные группы, способные за счет сродства к воде ограничивать ее подвижность.

Для всех изученных хитозановых гелей зависимости Тiд=f(a), где i=1, 2, имеют подобный вид с выходом кривой зависимости при высоком влагосодержании на плато. Наличие плато говорит о том, что при определенных содержаниях воды, вследствие достаточно большого расстояния между макромолекулами или макромолекулярными образованиями в набухшем геле, подвижность ее перестает зависеть от особенностей структуры полимера, что обусловлено значительной толщиной гидратного слоя, в несколько раз превышающей размеры молекулы воды, и наличием растворителя, инклюдированного в пористой структуре полимерного материала. По мере удаления воды происходит уменьшение доли свободного растворителя, а, следовательно, уменьшается и подвижность воды.

Для более детального анализа изменений молекулярной подвижности воды в хитозановых гелях в процессе удаления влаги по оси абсцисс удобнее откладывать концентрацию полимера в геле в координатах – отношение массы полимера к массе удерживаемой воды, а по оси ординат – относительные значения времени релаксации Tiд/Tiдmax, где Tiдmax – время релаксации протонов воды в максимально набухшем геле (рис. 3а, 3б).

Рис. 3. Концентрационные зависимости относительных величин Т1д (а) и Т2д (б) протонной намагниченности молекул воды.

Из представленных на рис. 3 зависимостей следует общая для всех образцов особенность: в области малых концентраций полимера в геле зависимости Ti/Timax= хорошо аппроксимируются экспоненциальными функциями. Диапазон концентраций, в котором возможна такая экспоненциальная аппроксимация, по всей видимости, определяется индивидуальными особенностями трансляционной и вращательной подвижности молекул воды, особенностями строения сетки полимерного геля и природой его центров гидратации (для всех исследуемых систем этот диапазон соответствует содержанию воды в гелях свыше ~ 700-800 масс. %). Наличие монотонной экспоненциальной зависимости в этом диапазоне концентраций свидетельствует об отсутствии каких-либо существенных изменений в структуре хитозановых гелей (например, появлении дополнительных поперечных сшивок, упорядочения, сопровождающегося существенной перестройкой системы водородных связей, переплетения макромолекул и т. п.), а изменение подвижности удерживаемой воды обусловлено лишь уменьшением количества объемной воды. Отклонение от экспоненциальной зависимости по мере дальнейшего увеличения концентрации полимера в (или, что эквивалентно, снижению содержания воды) можно связать с увеличением вклада в релаксацию подвижных фрагментов макромолекул, усилением блокирующего действия матрицы полимера на подвижность удерживаемой воды.

На следующем этапе работы представляло интерес изучение характера изменения структуры высушенных хитозановых гелей в процессе повторного набухания в парах воды. С этой целью были измерены изотермы адсорбции водяного пара и зависимости времени СРР и ССР протонной намагниченности как быстро-, так и медленнорелаксирущей компонент ССИ. Изотермы сорбции водяного пара, полученные в ходе исследования, имеют s-образную форму, типичную для стеклообразных полимеров, ограниченно набухающих в парах сорбата (рис. 4.) Механизм адсорбции молекул воды на начальной стадии сорбции и концентрацию первичных адсорбционных центров (ПАЦ) определяли с помощью сравнительного метода [8]. В этом случае экспериментальные данные представляют в координатах а =f(а/ар)с, где а – адсорбция в ммоль/г, ар – концентрация ПАЦ, (а/ар)с – относительная величина адсорбции на графитированной саже «Вулкан». Сравнительные изотермы сорбции для хитозановых гелей приведены на рис. 5. Если в области малых заполнений на сравнительном графике, построенном в координатах (а/ар)с – а, получается прямая, выходящая из начала координат, то на исследуемом образце полимера и саже имеется один и тот же механизм формирования изолированных кластеров из молекул воды. Тангенс угла наклона этой прямой позволяет рассчитать концентрацию ПАЦ в полимерном сорбенте. Слияние кластеров с образованием сплошной двумерной пленки сорбата проявляется через отклонение зависимости от прямой линии вниз.

Рис. 4. Изотермы сорбции паров воды Рис. 5. Сравнительные изотермы сорбции

Для всех образцов величины сорбции до p/ps 0,2 примерно одинаковы, при этом же значении относительного давления происходит слияние кластеров, соответствующее заполнениям ~ 1 молекула на центр, концентрации ПАЦ составляют 9,4, 9,4 и 9,9 ммоль Н2О/г для образцов 1, 2 и 3 соответственно. Таким образом, можно сделать вывод, что для высушенных хитозановых гелей механизм гидратации ПАЦ и их количество не зависят от условий реакции гелеобразования.

Подтверждением вышесказанному является поведение зависимостей Т1к быстрорелаксирующей компоненты ССИ от величины сорбции (рис. 6а).

Рис. 6. Зависимости Т1к (а) и Т2д (б) от величины сорбции для предварительно высушенных гелей

Известно, что восстановление продольной намагниченности за счет СРР в застеклованных полисахаридах протекает главным образом с участием подвижных функциональных заместителей и структурных дефектов (выступающих в большинстве случаев и в качестве сорбционных центров), на которые в большей мере происходит рассеяние энергии спиновой системы. В процессе сорбции паров воды значения Т1к уменьшаются, проходя через минимум. Это обусловлено релаксацией полимерной матрицы за счет молекул воды, сорбированных на доступных активных центрах и развитием локальной подвижности макромолекул, обусловленной пластификацией аморфной фазы полимера [9, 10]. Идентичность кривых Т1к=f(a) вплоть до точки минимума свидетельствует о схожей природе релаксационных центров и ПАЦ и одинаковом их распределении в объеме полимерной матрицы, что подтверждает сделанный выше вывод.

На рис. 6б представлены зависимости Т2д=f(a). Видно, что степень связанности молекул сорбата с сорбентом при набухании гелей из паровой фазы для всех образцов практически одинакова, что еще раз подтверждает предположение об идентичности природы гидратируемой поверхности для обезвоженных гелей, подвергнутых повторному набуханию в парах воды. Излом на данных графиках соответствует влагосодержанию в минимуме Т1к и наблюдается при заполнениях примерно 2 молекулы воды на один ПАЦ, при которых пластификация полимера растворителем приводит к увеличению подвижности как фрагментов макромолекул, так и молекул сорбированной воды за счет ослабления блокирующего действия матрицы полимера. В результате значения Т1к и Т2д начинают расти.

Интересным представляется отличие в сорбционной способности и изменении Т1к для геля, полученного при рН 5,6 и соотношении ГА/NH2=0,4 (образец 3) при величинах сорбции, соответствующих р/рs> 0,85 (рис. 4, 6а, кривые 3). Возможно, при низких концентрациях ГА в реакционной смеси и одновременно достаточно высокой степени депротонирования аминогрупп количество свободных карбонильных групп в продукте взаимодействия хитозана с олигомерной формой ГА незначительно. Поэтому при релаксации геля в результате сушки образуется меньшее число дополнительных зацеплений с участием карбонильных групп. Образующаяся в этом случае структура более лабильна и способна к более интенсивному набуханию особенно при высоких относительных давлениях паров воды.

Выводы

1.  Методом ЯМР-релаксации изучена молекулярная подвижность воды в гидрогелях на основе хитозана, полученных при различных рН и варьировании концентрации сшивающего реагента ГА.

2.  При анализе зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации воды в гидрогелях обнаружено, что сшивание хитозана при рН 4,1 приводит к образованию редко сшитой лабильной пространственной структуры, между узлами сетки которой может удерживаться до 10000 масс. % воды. При высокой концентрации депротонированных аминогрупп и избытке сшивающего реагента (рН 5,6, соотношение ГА/NH2 = 1,2) формируется гидрогель с высокой степенью сшивки и аномально низкой подвижностью воды.

3.  Методами ЯМР-релаксации и сорбции показано, что для высушенных хитозановых гелей при повторном набухании в парах воды механизм гидратации ПАЦ и их количество не зависят от условий реакции гелеобразования. В ходе сушки гидрогеля, полученного при рН 5,6 и соотношении ГА/NH2=0,4, образуется меньшее число дополнительных зацеплений, что способствует более интенсивному повторному набуханию его в парах воды при р/рs> 0,85, по сравнению с другими образцами.

Благодарности

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7089 от 12 июля 2012 г.) с использованием оборудования ЦКП «ЭБЭЭ» ФГБОУ ВПО «ПГТУ».

Литература

[1]  Астахова хирургические вмешательства. Хирургия. 2008. № 12. С.34-37.

[2]  Crescenzi V., Francescangeli A., Taglienti A., Capitani D. Synthesis and partial characterization of hydrogels obtained via glutaraldehyde crosslinking of acetylated chitosan and of hyaluronan derivatives. Biomacromolecules. 2003. №4. P.1045-1054.

[3]  Meade S., Miller A., Gerrard J. The role of dicarbonyl compounds in non-enzymatic crosslinking // Bioorg. Med. Chem. 2003. №11. P.853-862.

[4]  , , Нифантьев получения гидрогелеобразователя из хитозана. Пат. 2099352. Россия. C08B37/08. № 000/04. Заявл. 10.01.1996. Опубл. 20.12.1997.

[5]  , Кулакова состояния компонентов в системе органосольвентная целлюлоза – вода в процессе изотермической сушки. Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 31. № 8. С. 36-41.

[6]  , Пронин магнитная релаксационная спектроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 232 с.

[7]  Перминов взаимодействия хитозана с глутаровым альдегидом и их использование при получении ферментсодержащих полимерных материалов. Дисс...канд. хим. наук. М.: МГТУ. 2007. 152 с.

[8]  , Волощук A. M. Механизм адсорбции молекул воды науглеродных адсорбентах. Успехи химии. 1995. Т.64. С. 1055-1072.

[9]  Смотрина воды и релаксационные процессы в хитозановых пленках. Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 29. № 2. С. 98-101.

[10]  Smotrina T. V., Smirnov A. K., Popova T. V., Shcheglova N. V. Spin-lattice relaxation in biopolymeric sorbents on the presence of water. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2008. Т. 82. № 6. С. 916-919.

Molecular mobility of chitosan-based hydrogels components

© Tatiana Valer’evna Smotrina1*+ and Kildeeva Natalia Rustemovna2*

1Department of Physics. Volga State Technological University. Sq. 3 Lenin. Yoshkar-Ola, 424000. Mari El Republic. Russia. Tel.:[phone]. E-mail: *****@***ru

2Analytic, physical and colloid chemistry department. Moscow State Textile University 'A. N. Kosygin'

M. Kaluzhskaya, 1. Moscow, 119071, Russia. Tel.: [phone]. E-mail: *****@***ru

Keywords: chitosan, hydrogels, nuclear magnetic relaxation, molecular mobility

Abstract

The processes of spin-lattice and spin-spin relaxation of water proton magnetization in chitosan-based hydrogels synthesized varying pH-factor and linked agent density were investigated by nuclear magnetic relaxation. The correlation between hydrogel structure and held water mobility was shown. The character of structure changes of dried hydrogels during their reswelling in water steam was analysed. The correlation between sorption data and NMR data was shown also.