Способ изготовления криогеля поливинилового спирта

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИОГЕЛЯ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Бондаренко Павел Игоревич Пинчук Леонид Семенович Цветкова Елена Александровна Гольдаде Виктор Антонович Дворник Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления криогеля поливинилового спирта, включающий приготовление водного раствора поливинилового спирта, замораживание раствора, выдержку в замороженном состоянии и оттаивание образовавшегося криогеля, отличающийся тем, что раствор замораживают до температуры от -1 до -5 С, выдерживают в замороженном состоянии в течение 10-25 мин и оттаивают при комнатной температуре. Изобретение соответствует области обработки пластиков, в частности области получения изделий медицинской техники из формовочного материала на основе поливинилового спирта. Синтетические полимеры на основе поливинилового спирта (ПВС) широко используют в медицине плазмозаменители (Полиглюкин, Гемодез, Поливинол), дренирующие и ускоряющие заживление ран средства, биоцидные материалы, которые длительно находятся в организме, создавая лечебных эффект 1, 2. ПВС - твердый полимер, в порошке - белого цвета, в виде пленки - прозрачный, без вкуса и запаха. ПВС получают кислотным или щелочным алкоголизом поливинилацетата в спиртовых растворах, обычно в среде метанола в присутствии небольших количеств щелочи 1. Средняя степень полимеризации 600-4000, кристаллизуется в интервале температур 20-150 С и может содержать до 70 кристаллической фазы. Кристаллы поливинилового спирта имеют широкое распределение по величине и степени совершенства. Соотношение размеров кристаллических и аморфных областей зависит от строения 15555 1 2012.02.28 макромолекул, условий приготовления образцов и других факторов. Наличие сильных водородных связей обусловливает растворение ПВС в воде при нагревании (80-100 С). Водные растворы ПВС обладают уникальными свойствами нетоксичность, отсутствие сенсибилизирующего, мутагенного, канцерогенного и тератогенного действия 2. Растворы ПВС - основа для разработки высокопрочных, высокосорбирующих и наполненных полимерных материалов 3. ПВС в растворах неустойчив и легко образует гели (студни). Процесс гелеобразования протекает с увеличением вязкости, обусловленным агрегацией макромолекул, менее интенсивно с ростом молекулярной массы полимера 2. Вследствие этого в растворе ПВС,охлажденном после растворения, могут обнаруживаться агрегаты макромолекул, связанные кристаллическими узлами, что обуславливает нарастание мутности гелей 4. Плотность растворов ПВС линейно возрастает с увеличением концентрации полимера. Начиная с 4 -ной концентрации ПВС в растворе, молекулярные глобулы переплетаются друг с другом. При достижении концентрации 10-12 формируется сетчатая структура,которую обычно называют твердым гелем 5. Пространственная сетка из ассоциатов макромолекул лишает систему текучести и придает ей эластичность и пластичность. Наиболее интересны для медицины криогели и сшитые гидрогели. Криообработка приводит к структурированию геля, который переходит из растворимого состояния в нерастворимое 6. Замораживание при температуре от -5 до -20 С концентрированных растворов ПВС, выдерживание образцов в течение определенного времени в замороженном состоянии и последующее их оттаивание обусловливает формирование термообратимых анизотропных гидрогелей (криогелей ПВС). Их структура и физико-химические характеристики определяются температурой и продолжительностью криогенного структурирования, концентрацией полимера в исходном растворе, молекулярной массой ПВС и содержанием в его молекулах ацетильных группировок 7. При воздействии на водные растворы ПВС низких температур (ниже температуры фазового перехода растворителя) в системе развиваются криолитические процессы, в результате которых одновременно протекает деструкция и структурирование макромолекул, образуются поперечные связи между ними 8. Природа полимера, а также температурно-временные режимы замораживания-оттаивания определяют свойства 6, структуру 9 и микроморфологию поверхности 5 получаемых криогелей. Криогели ПВС используют в качестве основы плотных питательных сред, достоинством которых являются отсутствие разжижения гелевой фазы и возможность регулирования упругости 2. Они служат превосходными носителями иммобилизованных биологических молекул и клеток не только микроорганизмов, но и некоторых животных 9. Известна полимерная композиция, используемая для приготовления криогелей на основе поливинилового спирта, имеющих сообщающиеся макропоры. Она содержит 3-25 мас.поливинилового спирта, 0,001-1 мас.ионогенного - катионного, анионного или амфотерного или неионогенного поверхностно-активного вещества и воду (до 100 мас. ). В ходе криогенной (Т- 15 С) обработки она превращается в макропористый криогель с размером взаимосвязанных макропор от 2 до 10 мкм, который представляет собой материал биомедицинского назначения 10. Технология получения такого криогеля отличается значительной сложностью и высокой энергоемкостью. Прототипом изобретения является способ получения криогеля 11. Исходную композицию, содержащую от 6 до 26 мас.растворенного ПВС, замораживают при температуре 15-30 С, выдерживают в замороженном состоянии 1-24 ч и оттаивают, после чего полученный криогель подвергают заключительной обработке. Получаемые таким способом материалы могут быть использованы в биотехнологии в качестве хроматографических или адсорбционных матриц, а также в качестве гемосорбен 2 15555 1 2012.02.28 тов. Благодаря однородной структуре расширяются возможности использования криогелей ПВС в медицинской технике. Недостатки прототипа технологическая сложность и многостадийность способа получения криогеля ПВС отсутствие оптимизации параметров скорости, глубины и длительности криовоздействия на полимерную композицию высокая энергоемкость способа. Задачи, на решение которых направлено изобретение упростить технологию приготовления образцов криогеля ПВС оптимизировать режимы замораживания и оттаивания криогеля ПВС по критериям прочности и эластичности обеспечить экономию энергоресурсов в процессе получения криогеля ПВС. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ получения криогеля ПВС,заключающийся в приготовлении раствора ПВС, замораживании его до температуры от 15 до 30 С, выдерживании в замороженном состоянии 1-24 ч, оттаивании и заключительной обработке криогеля, дополнен следующими новыми операциями. Водный раствор ПВС в дистиллированной воде охлаждают до температуры Т-1-5 С, выдерживают при этой температуре до 30 мин, после чего оттаивают на воздухе. Сущность изобретения состоит в том, что выдерживание гидрогеля ПВС именно в области субнулевых температур (-1-5 С) обусловливает формирование пространственной сетки макромолекул, что приводит к получению криогеля с повышенной прочностью и достаточной эластичностью. Примеры осуществления способа Использовали порошок ПВС по ГОСТ 10779-78 марки М. Суспензию порошка в дистиллированной воде медленно нагревали на электрической плитке до 80 С при постоянном помешивании. Далее раствор в течение 1,5 часов выдерживали для набухания частиц полимера. После этого температуру повышали до 95 С и еще 2 часа выдерживали систему при указанной температуре. Нагретый гомогенный раствор охлаждали до комнатной температуры (21 С) и хранили в темном влажном месте. Приготовленный гидрогель ПВС концентрацией 10 мас.заливали в форму для получения пластин толщиной 1 мм и помещали в хладотермостат 3/40-1. Образцы замораживали со скоростью 2 С/мин и выдерживали в области так называемых субнулевых температур от -1 до -5 С. После криообработки образцы оттаивали при комнатной температуре. Согласно способу-прототипу криогель со скоростью 2 С/мин замораживали до-20 С, выдерживали при этой температуре в течение 3 ч, после чего оттаивали пластину. Из пластин полученных таким образом криогелей вырубали образцы в виде лопаток и проводили их механические испытания в соответствии со стандартом 12 с помощью разрывной машины . При скорости движения зажимов 50 мм/мин регистрировали предел прочности образцов при растяжениии относительное удлинение при разрыве . Представленные ниже результаты являются средними арифметическими значениями 7-10 идентичных измерений, погрешность составляла не более 5 при коэффициенте корреляции 0,9. Режимы обработки образцов оптимизировали в два этапа. На первом определяли оптимальное времявыдержки образцов при-3 С. Результаты экспериментов приведены в табл. 1. Их анализ приводит к следующим заключениям Таблица 1 Значения характеристик, соответствующие(мин), при-3 С Характеристики 0 5 10 15 20 25 30 29 65 74 77 82 86 86 15555 1 2012.02.28 1) криогели значительно (в 2-3 раза) превосходят гели ПВС (0) по прочности, но имеют более низкие (до 4,5 раз) значения 2) существенное увеличение прочности криогеля начинается с 10 мин, при таком времени выдержки образцы имеют также достаточно высокие значения 183) увеличение 25 мин не имеет смысла, т.к. значения 86 МПа и 7 стабилизируются при этом времени воздействия температуры-3 С. На втором этапе устанавливали оптимальный (по критериям деформационнопрочностных характеристик) диапазон субнулевых температур формирования криогелей при постоянном времени выдержки 15 мин. Результаты приведены в табл. 2. Таблица 2 Значения характеристик, соответствующих Т ( С), при СпособХарактеристики 15 мин прототип 0 1 3 5 6 33 69 77 75 62 61,Анализ данных табл. 2 свидетельствует, что 1) образцы криогелей, полученных по предложенному способу, превосходят образцы,сформированные способом-прототипом, по деформационно-прочностным характеристикам 2) верхней границей оптимальных температур криообработки гелей является-1 С,поскольку повышениедо 0 С обусловливает существенное снижение прочности 3) нижняя граница оптимального диапазона температур соответствует-5 С, поскольку выдержка образцов при-6 С снижает их прочность, несущественно изменяя . Таким образом, оптимальными (по критериям деформационно-прочностных характеристик) режимами формирования криогелей являются- 1-5 С и 10-25 мин. Предложенный способ характеризуется низкой температурой обработки гелей, обуславливающей снижение энергоемкости при повышенных деформационно-прочностных характеристиках криогелей. Это свидетельствует, что задачи, поставленные при создании изобретения, решены. Способ изготовления криогелей ПВС найдет применение в медицинской технике при изготовлении контактных линз, хирургических имплантатов, носителей иммобилизованных бактериальных клеток, ферментов, гормонов, витаминов, а также в качестве полимерной матрицы терапевтических систем пролонгированного выделения лекарственных средств в среду организма. Источники информации 1. Бойкова, З.К., Петрова, Л.И., Богомольный, В.Я., Киселева, М.Н. Санитарно-химические свойства ПВС-пленки медицинского назначения // Пластические массы. - 1985.5. - С. 19-21. 2. Николаев, А.Ф., Мосягина, Л.П. Поливиниловый спирт и сополимеры винилового спирта в медицине // Пластические массы. - 2000. -3.- С. 34-42. 3. Пахомов, П.М., Хижняк, С.Д., , ., , ., , Процессы структурообразования в водных растворах поливинилового спирта // Высокомолекулярные соединения. - 1999. - Том 41,6. - С. 1035-1039. 4. Панков, С.П. Студнеобразное состояние полимеров / С.П. Панков. - Л. Химия,1974. - 253 с. 5. -, , -, , -, .- - // . .. . - 1999. - 21,1. - . 40-43. 4 15555 1 2012.02.28 6. Ухарцева, И.Ю. Влияние температурных воздействий на структуру и физико-механические свойства наполненных гелей поливинилового спирта // Пластические массы. 2002. -8. - С. 15-17. 7. Лозинский, В.И., Вайнерман, Е.С., Домотенко, Л.В., Блюменфельд, А.Л., Рогов, В.В.,Барковская, Е.Н., Федин, Э.И., Рогожин, С.В. Характерные особенности замерзания растворов поливинилового спирта взаимосвязь со свойствами гидрогелей, получающихся после оттаивания // Коллоидный журнал. - 1989. - Том 51,4. - С. 685-690. 8. Беляцкая, О.Н., Булатникова, Л.И., Быкова, Л.В. Влияние температурно-временных воздействий на процесс модификации поливинилового спирта // Пластические массы. 1995. -6. - С. 16-18. 9. Лозинский, В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. - 1998. -67 (7). - С. 641-655. 10. Патент РФ 2252945. Полимерная композиция для получения криогеля поливинилового спирта / В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкали. МПК 08 29/04. Опубл. 2003. 11. Патент РФ 2190644. Композиция для получения криогеля поливинилового спирта и способ получения криогеля / В.И. Лозинский, И.П. Савина, В.А. Даванков. МПК 08 29/04. Опубл. 2002 (прототип). 12. ГОСТ 14236-81. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение. ГКС СССР. - Москва Изд-во стандартов, 1989. - 8 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5