способ получения макропористого полимерного материала

Формула изобретения

1. Способ получения макропористого полимерного материала путем приготовления раствора полимерного основания, его замораживания и удаления исходного растворителя, отличающийся тем, что удаление исходного растворителя проводят без размораживания системы с последующей фиксацией макропористой структуры полимерного каркаса в среде нерастворителя полимера обработкой раствором низкомолекулярного основания, или раствором сшивающего агента, или раствором низкомолекулярного основания с последующим сшиванием и удалением обрабатывающего раствора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление исходного растворителя осуществляют лиофилизацией, или криоэкстракцией, или криоэкстракцией с одновременной обработкой низкомолекулярным основанием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно, к получению макропористых материалов, состоящих из полимерных оснований. Изобретение может быть использовано в традиционных для полимерных оснований областях применения, например, для адсорбции, ионного обмена, в аналитических процессах, для иммобилизации молекул и клеток и т.п. а также в биотехнологии, медицине и др.

Известны различные методы получения пористых полимерных материалов [1] в том числе и макропористых. Например, известен способ получения пористых гранул из полимерного основания хитозана [поли(1,4--D-глюкозамин)][2,3] Способ предусматривает приготовление 3-12%-ой вязкой текучей хитозановой пасты в 4% -ой водной уксусной кислоте с последующим фильтрованием пасты, деаэрацией и экструзией малыми порциями через фильеру (иглу) диаметром 0,15 или 0,2 мм в осадительную ванну с имеющими комнатную температуру этанольным раствором NaOH или KOH. При этом образуются частицы хитозана-основания, которые далее последовательно промываются горячей и холодной водой, а затем для сшивания обрабатывают бифункциональными агентами типа диэпоксидов или диизоцианатов. Получаемый материал имеет поры размером 0,1-0,2 мкм и используется для иммобилизации ферментов.

Этот способ имеет следующие недостатки:

1. Способ позволяет получать целевой материал только в виде гранул, таким методом нельзя приготовить материал в виде пластины, трубки, блока и др. т. е. способ имеет недостаточную универсальность в отношении формы, которую можно придать пористому полимерному основанию, каковым является хитозан.

2. Способ предусматривает получение целевого материала только из хитозана, т.е. характеризуется малой универсальностью в отношении химической природы полимерного основания, из которого формируется указанный материал.

3. Известный способ не позволяет получать целевой материал с порами более 0,2 мкм, не дает возможность приготовить материал, пригодный, например, для работы с клетками (животными, растительными и др.), имеющими размеры, значительно превышающие 0,2 мкм. Иными словами, способ не позволяет сформировать целевой материал макропористой ячеистой структуры.

Одним из путей, позволяющих получать макропористые полимерные материалы, является так называемое криоструктурирование [5] метод формирования гелеобразных полимерных систем в среде замороженного растворителя, замерзшие поликристаллы которого выполняют функцию порообразователя.

Так, известен принимаемый за прототип способ [6] получения макропористых полимерных материалов взаимодействием отверждаемого соединения и сшивающего агента в присутствии кристаллического вещества, причем в качестве кристаллического вещества используют закристаллизованный растворитель и взаимодействие проводят при температуре на 1-60^oC ниже температуры кристаллизации растворителя в течение 4-72 ч, т.е. структурирование протекает в замороженной среде. После оттаивания системы и промывки полученного макропористого полимерного геля растворитель из него может быть, в случае необходимости, удален высушиванием. С помощью этого способа можно получить целевой макропористый материал и из мономерных, и из высокомолекулярных предшественников, включая и полимерные основания (например, хитиозан, полиэтиленимин и др.).

Однако, способ-прототип имеет определенные недостатки:

Во-первых, он позволяет приготовить только химически-сшитые макропористые полимерные материалы, поскольку в отсутствии сшивающих агентов криогенная обработка раствора предшественника не приводит после оттаивания к получению структурированных продуктов раствор после замораживания-оттаивания остается жидким. Иными словами, известное техническое решение не позволяет сформировать нековалентные макропористые полимерные материалы, т.е. обладает недостаточной универсальностью.

Во-вторых, способ-прототип характеризуется также недостаточной технологичностью из-за того, что исходная композиция обязательно содержит кросс-агент. В этом случае смешение исходных ингредиентов автоматически запускает процесс сшивания макромолекулярных цепей в трехмерную пространственную сетку, поэтому вязкость системы, если ее раствор сразу же не начать замораживать, быстро нарастает вплоть до потери текучести. Такое поведение создает серьезные технические трудности получения, например, гранулированных форм целевого макропористого материала, когда наработка партий гранул общим объемом в несколько мл уже становится сложной задачей система быстро густеет и ее точное дозирование становится невозможным.

Задачей изобретения является преодоление недостатков известных технических решений, т.е. повышение универсальности способа в отношении типа полимерных оснований, из которых можно сформировать целевой продукт, и улучшение технологичности способа получения макропористых полимерных материалов.

Указанная задача решается тем, что получение пористого полимерного материала осуществляется путем приготовления исходного раствора полимерного основания с последующим замораживанием полученного раствора и удалением исходного растворителя из системы. При этом удаление растворителя осуществляется без размораживания системы с последующей фиксацией макропористой структуры полимерного каркаса. Удаление исходного растворителя из замороженной системы осуществляют лиофильной сушкой или криоэкстракцией, или криоэкстракцией с одновременной обработкой (фиксацией) низкомолекулярным основанием, а фиксацию макропористой структуры проводят либо обработкой полимера раствором низкомолекулярного основания или сшивающего агента в органическом растворителе, являющимся нерастворителем полимера, с последующим удалением обрабатывающего раствора, либо полимер обрабатывают раствором низкомолекулярного основания с последующим сшиванием и удаление обрабатывающего раствора.

Затем в зависимости от того, где и как будет применяться получаемый пористый материал, его можно использовать без высушивания или без промывки, или использовать промывку до нейтральных промывных вод, или использовать промывку и сушку известными приемами. В эависимости от предназначения целевой материал может быть изготовлен в любой форме в виде пластин, дисков, блока, гранул, трубок и т.д.

Способ применим к самым различным полимерным основаниям, таким как хитозан, полиаргинин, полилизин, кислотная желатина (т.е. желатина с изоэлектрической точкой выше 7), поли(4-аминостирол), сополимер акриламида с акрилгидразидом и другие.

Предусматриваемая последовательность операций позволяет:

замораживать водорастворимую форму полиэлектролита даже в виде высококонцентрированнной по полимеру системы, не опасаясь потери ею текучести из-за гелеобразования, как в случае способа-прототипа, что дает возможность в широких пределах регулировать механические свойства конечного материала

равномерно смачивать обрабатывающими растворами пористый каркас структурированного замораживанием полимера, что обеспечивает однородную обработку препарата при фиксации макропористой структуры полимерного каркаса по всему его объему;

готовить замороженный "полуфабрикат" в любой необходимой форме: плоской, цилиндрической, трубчатой, гранулированной, не опасаясь застудневания исходного раствора.

После удаления водного растворителя фиксация макропористой структуры полимерного каркаса в среде нерастворителя полимерного компонента осуществляется либо перезарядкой (депронированием) ионогенных группировок для переведения полимерного основания в нерастворимую форму (примеры NN 1,4,6,9,10), либо депротонированием основных группировок с последующим химическим сшиванием полимерных цепей для придания сетке нерастворимости (примеры NN 5,12), либо сразу химическим сшиванием в подходящей среде (примеры NN 7,8,11); также возможно совмещение удаления замороженного исходного растворителя с перезарядкой ионогенных группировок полимера (примеры NN 2 и 3).

Способ иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Готовят 2%-ный раствор хитозана в 2%-ной уксусной кислоте. Полученный раствор разливают в пластиковые чашки Петри диаметром 40 мм при толщине слоя 3 мм. Чашки помещают на полку камеры сублимационной сушилки, замораживают при -15^oC и удаляют водный растворитель лиофилизацией. Полученные пористые полимерные диски погружают на 2,5 часа в насыщенный раствор NaOH в метилэтилкетон, а затем промывают метанолом до нейтральной реакции, сушат на воздухе, а затем до постоянного веса в вакууме (0,1 мм рт.ст.). Получают пористые диски хитозана-основания плотностью 0,06 г/см³ с порами размером 0,3-0,4 мм (определено оптической микроскопией); содержание основных (аминных) группировок 5,1 ммоль/г сухого полимера.

Пример 2. Готовят 3%-ный раствор хитозана в 2,5%-ной уксусной кислоте. Раствор фильтруют под вакуумом через стеклянный фильтр для удаления механических примесей, затем заливают в полиэтиленовый цилиндр, смазанный изнутри низкотемпературной вакуумной смазкой. Внутренний диаметр цилиндра 20 мм. Далее в него коаксиально погружают также смазанный аналогичной смазкой полый металлический палец с внешним диаметром 10 мм. Затем в полость пальца заливают жидкий азот (Т -196^oC), подливая его по мере расходования до тех пор, пока жидкое содержание формы не замерзнет. После этого извлекают охлажденный палец из формы, а затем уже извлекают оттуда замерзшую трубку, которую на 30 минут помещают в охлажденный до -50^oC пентан, чтобы отмыть от вакуумной смазки не размораживая. Далее препарат переносят в сосуд с охлажденным до -50^oC насыщенным раствором KOH в ацетоне, где в течении 18 ч проводят криоэкстракцию водного растворителя с одновременной перезарядкой ионогенных групп хитозана путем их депротонирования. Полученную пористую полимерную трубку затем переносят в водную ванну, где промывают деионизированной водой до нейтральной реакции. Промытую трубку далее используют без высушивания: она имеет толщину стенок порядка 5 мм, плотность материала стенок в набухшем состоянии 1,03 г/см³, поры размером 10-15 мкм (определенно сканирующий электронной микроскопией), содержание основных (аминных) группировок 4,9 ммоль/г сухого полимера.

Пример 3. Готовят 2,5%-ный раствор хитозана в 2,5%-ной муравьиной кислоте. Полученный раствор фильтруют под вакуумом через стеклянный фильтр для удаления механических примесей, а затем каплями объемом 0,4-0,8 мкл вводят в столб охлажденного до -8^oC петролинейного эфира. За время седиментации на дно сосуда сфереческие капли водной фазы замерзают. Полученные таким образом замороженные гранулы переносят в снабженный погружной мешалкой цилиндрический сосуд, содержащий криоэкстрагент-модификатор насыщенный раствор NaOH в ацетоне, охлажденный до -20^oC. Перемешивают 6 ч. затем сливают обрабатываемый раствор, гранулы промывают до pH8 дистиллированной водой и обрабатывают 0,25%-ным водным раствором глутарового альдегида в течении 1 ч при комнатной температуре. Далее промывают гранулы дистиллированной водой до отсутствия запаха сшивающего агента и обрабатывают 2-кратным избытком натрийборгидрида в течение 0,5 ч. при комнатной температуре. Целевой продукт макропористые гранулы сшитого хитозана-основания получают после их исчерпывающей промывки деонизованной водой. Промытые гранулы диаметром 1,0-1,2 мм в набухшем виде имеют плотность 1,02 г/см³ и поры размером 40-80мкм (данные сканирующей электронной микроскопии): содержание основных (первичные и вторичные аминогруппы) функций в сумме составляет 5,0 ммоль/г сухого полимера.

Пример 4. Готовят 1%-ный раствор хитозана в 0,01 N соляной кислоте фильтруют под вакуумом через стеклянный фильтр для удаления механических примесей. Далее из этого раствора по методике пр.3 получают замороженные гранулы, при этом в качестве дисперсионной среды используют толуол с температурой -78^oC, а объемом капель водной фазы составляет 2-5 мкл. Затем замороженные гранулы помещают в снабженный погружной мешалкой сосуд с ацетоном, охлажденным до -20^oC. Криоэкстракцию при этой температуре ведут 4 ч, экстрагент декантируют, шарики 1 раз промывают холодным ацетоном, а затем заливают насыщенным ацетоновым раствором гидроокиси лития и оставляют на ночь. Далее гранулы промывают бидистиллированной водой до нейтральной реакции. Получают гранулы диаметром 2,0-2,3 мм плотностью 1,01-1,02 г/см³, содержащие 5,3 ммоль аминогрупп на грамм сухого вещества, и имеющие поры 10-20 мкм (показано с помощью сканирующей электронной микроскопии).

Пример 5. Готовят 1,3%-ный водный раствор гидробромида поли-L-лизина. Полученный раствор слоем 1 мм заливают во фторопластовую форму и замораживают при -35^oC. Далее форму переносят в сублимационную сушилку и удаляют водный растворитель лиофильно. Полученный сухой диск помещают в 0,1 M раствор триэтиламина в метаноле и выдерживают при периодическом встряхивании в течении 3 ч. Обрабатывающий раствор сливают, пор истый полимер промывают 2 раза дистиллированной водой, а затем помещают в 0,5%-ный раствор глиоксаля, где выдерживают на качалке в течении ночи. Далее материал промывают бидистиллированной водой до отсутствия запаха глиоксаля и сушат между слоями фильтрованной бумаги при нагрузке не выше 10 г. Получают плоский пористый полимерный диск плотностью 0,08 г/см³ с порами размером 0,1-0,2 мм (определено с помощью оптической микроскопии); содержание основных (гуанидиловых) группировок 5,3 ммоль/г сухого вещества.

Пример 6. Готовят 5,2%-ный водный раствор хлоргидрата поли-L-аргинина, который заливают в лунки плашки для иммунопреципитации: диаметр лунок 5мм, глубина 5мм. Плашки помещают в морозильную камеру с температурой -10^oC. Замерзшие препараты переносят в камеру сублимационной сушилки и высушивают препараты лиофильно. Далее таблетки сухого пористого полимера заливают 0,1 M раствором триэтиламина в метаноле и выдерживают 24 ч при комнатной температуре. Обрабатывающий раствор сливают, таблетки промывают до отсутствия запаха NEt₃ и сушат в вакууме (10 мм рт.ст.) до постоянного веса. Получают пористые таблетки полимерного основания плотностью 1,01 г/см³ с порами 0,28-0,33 мм (определено оптической микроскопией); содержание основных (гуанидиловых) группировок 5,4 ммоль/г сухого вещества.

Пример 7. Готовят 20%-ный водный раствор кислотной желатины (изоэлектрическая точка белка 7,9) при 40^oC. Полученный раствор тонкой струей вводят в стакан с перемешиваемым, охлажденным до -20^oC, уайт-спиртом. При этом струя водной фазы дробится на сферические капли, которые быстро замерзают. Замороженные гранулы переносят в охлажденный до -20^oC этанол и проводят криоэкстракцию замороженного исходного растворителя по методике п.3. Экстрагент сливают, а гранулы переносят в 0,02 M раствор эпихлоргидрина в диоксане, содержащем 0,01 M триэтиламина. Суспензию перемешивают 2 ч при комнатной температуре и еще 2 ч при 50^oC. Обрабатывающий раствор сливают, гранулы промывают диоксаном до отсутствия запаха триэтиламина, а затем дистиллированной водой до нейтральной реакции. Получают макропористые желатиновые гранулы диаметром 1-5 мм плотность в набухшем виде 1,08 г/см³: размер пор 0,1-0,2 мм (определено оптической микроскопией), содержание основных (аминных и алкиламинных) группировок 0,12 ммоль/г сухого вещества.

Пример 8. Получение целевого продукта проводят по методике примера 7, но концентрация полимера в исходном растворе 2% а температура замораживания -2^oC. Получают макропористые желатиновые гранулы диаметром 1,1-2,8 мм; плотность в набухшем состоянии 1,01 г/см³; размер пор 0,2-0,3 мм (определено оптической микроскопией); содержание основных группировок аналогично примеру 7.

Пример 9. Готовят 12%-ный раствор поли(4-аминостирола) в смеси (1:1 по объему) диметилформамида и 0,1N соляной кислоты. Полученный раствор заливают слоем 2 мм в противень размером 24х30 см, который помещают в низкотемпературный холодильник, где замораживают раствор полимера при -62^oC. Далее сверху замершего листа заливают холодный этанол слоем 15 мм и проводят криоэкстракцию в течение 5 ч, экстрагент сливают, замороженный полимер заливают новой порцией холодного (-62^oC) этанола и повторяют цикл криоэкстракции. Получают пористый лист полимера, который свертывают в трубочку и помещают в контейнер с аммиачной водой, где выдерживают в течении ночи. Затем лист промывают дистиллированной водой, этанолом и сушат на воздухе. Получают пористый полимерный лист толщиной около 2 мм, имеющий плотность 0,14 г/см³ и поры размером 20-30 мкм (определенно сканирующей электронной микроскопией); содержание основных (аминоарильных) группировок 8,1 ммоль/г сухого полимера.

Пример 10. Готовят 7,5%-ный раствор поли(4-аминостирола) в исходном растворителе по примеру 9. Полученный раствор заливают в снабженный поршнем пластмассовый цилиндрический сосуд с внутренним диаметром 12 мм; высота столба жидкости 60 мм. Сосуд помещают в морозильную камеру, где при температуре -62^oC замораживают раствор полимера. Затем с помощью поршня замороженный цилиндр выдавливают в ванну с криоэкстрагеном и ведут экстракцию исходного замерзшего растворителя по примеру 9. Дальнейшую обработку также осуществляют по пр.9. Получают цилиндрический (12x60 мм) образец пористого полимерного основания плотностью 0,09 г/см³ c порами 35-40 мкм (определено с помощью сканирующей электронной микроскопии); содержание аминоарильных группировок 8,0 ммоль/г.

Пример 11. Готовят 4,8%-ный раствор сополимера акриламида с 10 мольн. акрилгидразида в 0,05N HCl. Полученный раствор слоем 5 мм заливают в чашку Петри диаметром 100 мм помещают в морозильную камеру с температурой -18^oC. Замерзший препарат высушивают лиофильно, сухой пористый полимерный диск извлекают из чашки и погружают в ванну с обрабатывающим раствором 0,02%-ным раствором хлористого триазина в 0,1 M спиртовом растворе N-метилморфолина. Обработку ведут 2 часа, далее обрабатывающий раствор сливают, диск сшитого полимерного основания промывают метанолом до нейтральной реакции и сушат в вакууме. Получают макропористый полимерный диск плотностью 0,07 г/см³; размеры пор 150-190 мкм (определено с помощью оптической микроскопии); содержание основных (гидразидных и алкилгидразидных) группировок около 0,08 ммоль/г сухого полимера.

Пример 12. Готовят раствор полимера по примеру 11 и из него по той же методике получают сухой пористый диск, но температура замораживания в данном случае -50^oC. Далее диск на 1 ч помещают в насыщенный раствор NaOH в изопропаноле. Затем препарат извлекают из обрабатывающего раствора, 3 раза промывают чистым растворителем и помещают в ванну с 2,5%-ным водным раствором глутарового альдегида. Сшивку ведут в течении 4 ч и затем промывают диск сшитого полимерного основания водой до отсутствия запаха диальдегида. Получают макропористый полимерный материал, имеющий плотность в набухшем состоянии 1,03 г/см³ и поры размером 90-130 мкм (данные оптической микроскопии); содержание основных (гидразидных и азометиновых) группировок около 0,08 ммоль/г сухого полимера.