SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE. Témavezető: Varga Imre egyetemi adjunktus. Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszék

 Tudományos Diákköri Dolgozat 

KARDOS ATTILA SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE

Témavezető: Varga Imre egyetemi adjunktus Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszék

 Eötvös Loránd Tudományegyetem   Természettudományi Kar   Budapest, 2010 

1. Tartalomjegyzék SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE .......................................1 1. TARTALOMJEGYZÉK ...........................................................................................................2 A DOLGOZATBAN HASZNÁLT RÖVIDÍTÉSEK ...........................................................................3 2. BEVEZETÉS..........................................................................................................................4 3. INTELLIGENS HIDROGÉLEK .................................................................................................5 4. POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) ALAPÚ HIDROGÉLEK ........................................................6 4.1. POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) MAKRO- ILLETVE MIKROGÉLEK ................................................................8 4.1.1. Poli(N-izopropil-akrilamid) makrogélek ............................................................................................ 8 4.1.2. Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek.............................................................................................. 9

4.2. POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) MIKROGÉLEK SZINTÉZISE ...................................................................... 10

5. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK .....................................................................................................12 5.1. FELHASZNÁLT ANYAGOK................................................................................................................ 12 5.2. P(NIPAAM-CO-AAC) ÉS P(NIPAAM-CO-AAC)-SHELL-(PEO)N-MEMA MIKROGÉLEK ELŐÁLLÍTÁSA ............... 12 5.3. AZ ELŐÁLLÍTOTT MIKROGÉLEK TISZTÍTÁSA ......................................................................................... 18 5.4. VIZSGÁLATI MÓDSZEREK ............................................................................................................... 19 5.4.1. Dinamikus fényszóródásmérés (DLS) *25+ ....................................................................................... 19 5.4.2. Elektroforetikus mobilitás meghatározása...................................................................................... 21 5.4.3. Termogravimetria (TG) .................................................................................................................. 24 5.4.4. Mikrogélek keletkezésének kinetikai vizsgálata HPLC-vel ................................................................ 24 5.4.5. Turbidimetriás mérések.................................................................................................................. 25

6. MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉS ...............................................................................26 6.1. A MIKROGÉL RÉSZECSKÉK KARAKTERIZÁLÁSA...................................................................................... 26 6.1.1. A mikrogél részecskék keletkezésének kinetikai vizsgálata .............................................................. 26 6.1.2. Az előállított rendszerek turbidimetriás méréseinek eredménye ...................................................... 30 6.1.3. A mikrogél részecskék hőmérséklet érzékenysége ........................................................................... 38 6.1.4. A mikrogél részecskék pH érzékenysége.......................................................................................... 40

6.2. MIKROGÉL RÉSZECSKÉK ÉS ELLENTÉTESEN TÖLTÖTT TENZIDEK KOMPLEXEINEK STABILITÁS VIZSGÁLATA ............ 42

7. ÖSSZEFOGLALÁS...............................................................................................................45 8. IRODALOMJEGYZÉK .........................................................................................................47

Köszönetnyílvánítás: Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni Dr. Varga Imre egyetemi adjunktusnak, aki jelen dolgozatom elkészítésében támogatott, illetve hasznos tanácsaival ellátott. Továbbá szeretnék köszönetet mondani Roberta Acciaro Phd hallgatónak és Sebestény Krisztinának munkám során nyújtott segítségükért.

A dolgozatban használt rövidítések

NIPAAm

N-izopropil-akrilamid

PNIPAAm, p(NIPAAm)

poli(N-izopropil-akrilamid)

NaDS

nátrium-dodecilszulfát

BIS

N,N'-metilén-biszakrilamid

AAc

akrilsav

(PEO)n-MEMA

poli(etilénoxid)-metil-metakrilát

DTAB

dodeciltrimetilammónim-bromid

APS

ammónium-perszulfát

NaOH

nátrium-hidroxid

2. Bevezetés Az intelligens anyagok definíciójának meghatározásakor nehéz dolgunk van, ugyanis szabatos, általános érvényű meghatározás napjainkig nem létezik. Magát a szóösszetételt az 1980-as években kezdték el alkalmazni olyan anyagok gyűjtőszavaként, melyek a környezetük fizikai és/vagy kémiai ingereire előnyösen képesek reagálni. Mindemellett az elnevezés az anyagtudomány egy olyan új ágára is felhívja a figyelmet, mely „az anyag és közvetlen környezete aktív kapcsolatát igyekszik feltárni és kiaknázni”. (Zrínyi Miklós, Magyar Tudomány; 1999. június) Az intelligens anyagokat feloszthatjuk kemény és lágy intelligens anyagokra. Az intelligens kemény anyagok közé sorolhatjuk az ötvözeteket, emlékező fémeket és műanyagokat, melyek a környezeti ingerekre alak vagy méret változtatással válaszolnak. Az intelligens lágy anyagokat további két csoportra oszthatjuk: intelligens folyadékokra és polimergélekre. A gélek olyan rendszerek, melyek alaktartóak és könnyen deformálhatóak, ugyanakkor nagy folyadéktartalmuk, fizikai tulajdonságaik az oldatokéhoz hasonlóak. Az intelligens polimergélek a környezeti paraméterek (hőmérséklet, elegyösszetétel, pH stb.) változására a gél térfogatának változásával reagál. Az intelligens lágy anyagok megjelenése a technikai fejlődés új útját nyitotta meg, ugyanis ezek jelentős orvosi, orvos-biológiai, gyógyszerészeti alkalmazásokat tesznek lehetővé. A fentiekből kiindulva az intelligens polimergélek gyorsan fejlődő kutatási területe a hatóanyagok célzott és elnyújtott kibocsájtását lehetővé tevő rendszerek vizsgálata. Az elmúlt évtizedekben történt erőfeszítések nyomán manapság már a hétköznapi életben is találkozhatunk ilyen rendszerekkel (Pluronics, Tetronics), anélkül hogy különösebb figyelmet szentelnénk nekik. Segítségükkel a hatóanyag mennyisége csökkenthető, és hatékonysága mégis növelhető az emberi szervezetben. Munkám kiinduló pontja, hogy intelligens anyagokat

(hőmérséklet

érzékeny

mikrogéleket)

használjunk

fel

makromolekulás

hatóanyagok célba juttatására. Ennek során a mikrogélek szerkezetébe töltéssel rendelkező csoportokat polimerizálunk, melyek a későbbiekben lehetőséget nyújtanak ionos kölcsönhatások révén a hatóanyagok megkötésére majd a pH változásának függvényében kibocsájtására (ezzel a lépéssel mikrogélünk már nem csak hőmérséklet, hanem pH érzékeny is). Azonban már az elméleti megfontolások alapján is arra a következtetésre juthatunk, hogy a rendszer kolloid stabilitása az ellentétesen töltött részecskék kölcsönhatásának

eredményeképpen megszűnik és úgynevezett asszociatív fázisszeparáció játszódik le. Így a rendszer stabilitását helyreállítandó - munkám közvetlen céljává vált - olyan mikrogélek előállítása, melyek sztérikus stabilitással rendelkeznek. Ennek eredményeképpen a már stabil rendszer egyszerűen használható bármilyen ellentétesen töltött molekula szállítására. A sztérikus stabilitást poli-etilénoxid láncok felületbe való polimerizálásával kívántam biztosítani, melynek során az irodalomban fellelhető előzményekkel szemben a mag-héj szerkezetű mikrogél előállítását egy lépésben próbáltam kivitelezni. Ez jelentős idő és energia megtakarítást eredményezhet a korábbi eljárással szemben, ahol először előállították a későbbiekben magként szolgáló mikrogélt, majd hosszasan tisztították és a kész mikrogél felületén kezdtek el egy újabb polimerizációs lépést. Így a kész terméket ismételten tisztítani kell, ezzel egy-egy minta előállítása akár hónapokba is kerülhet.

3. Intelligens hidrogélek A hidrogéleket úgy definiálhatjuk, mint keresztkötött polimer térhálókat, melyek nagy mennyiségű vizet képesek felvenni, gyakran saját száraztömegük több ezerszeresét [1,2,3,4]. Megkülönböztethetünk fizikai és kémiai géleket. A fizikai géleket az egymást átható polimer hálózatok, vagy másodlagos erők tartják egyben, míg a kémiai géleket erős kovalens kötések tartják össze. Ennek köszönhetően reverzibilis válaszreakcióra képesek környezeti ingerek fellépésekor, ugyanis a térháló nem bomlik fel ellentétben a fizikai gélekével. Kémiailag térhálósított gélek előállítására három lehetséges út kínálkozik. Az első esetben a monomereket láncelágazás létrehozására képes vegyületek jelenlétében polimerizáljuk, ilyen például a PNIPAAm vagy a bakelit. A másik lehetséges eljárás, hogy már szintetizált makromolekulákat kötünk össze térhálósító molekulák segítségével. Ennek eredménye blokk kopolimerek keletkezése lesz. Erre klasszikus példaként a gumi vulkanizálását említhetjük, ahol az izoprén-polimer láncokat kénatomok tartják össze. A harmadik lehetőség, hogy két egymásba hatoló térhálóból alakítjuk ki a szerkezetet, ahol a két- vagy többféle láncot másodlagos kötések tartják össze, attól függően, hogy a felhasznált kopolimerek fizikai vagy kémiai térhálók-e. Ezeket nevezi a szakirodalom IPN (InterPenetrating Networks), vagy interpenetráló térhálóknak.

A hidrogéleket csoportosíthatjuk méretük szerint, így

különbséget tehetünk mikro- illetve makrogélek között. Mind a fizikai-, mind a kémiai térhálók közös jellemzője a nagy deformálhatóságuk, aminek oka, hogy Young-modoluszuk

(E) és nyírómodoluszuk (G) több nagyságrenddel kisebb az összenyomhatósági moduluszuknál (K). Ez azt eredményezi, hogy a külső erő hatásának irányától függetlenül az összes hálólánc deformálódni fog. A gél teljes alakváltozásához tartozó szabadenergia értéke egyenlő lesz az egyes hálóláncok deformációjából származó szabadenergia-változások értékének összegével. Különböző fizikai tulajdonságok, mint például a duzzadás mértéke, befolyásolható a térhálósító szer mennyiségének változtatásával. A gélek alaktartását a polimer láncok hálózata biztosítja. A gélváz nem engedi, hogy a benne levő folyadék ”kifolyjon”, a folyadék pedig megakadályozza a hálóláncok összetapadását. A gél méretét a láncok elasztikus modulusza, valamint az ozmózisnyomás egyensúlya határozzák meg. A duzzadási képesség kifejezésére bevezethető a tömeg-, illetve a térfogati duzzadásfok, amely a gél duzzadt állapotban mért tömege/térfogata a szárazanyagtartalomra vonatkoztatva. Ez utóbbi reciproka a térfogattört (), amely alkalmas a polimer gél jellemzésére [5]. A hidrogélek, akár kémiai, akár fizikai hidrogélekről beszélünk, lehetnek környezeti hatásokra érzékenyek, vagy érzéketlenek. A környezeti hatásokra érzékeny gélek olyan anyagok, melyek változtatják duzzadásukat a környezeti paraméterek függvényében. Az intelligens hidrogélek három lényeges tulajdonsággal rendelkeznek: duzzadásuk legalább egy környezeti paraméternek nem lineáris függvénye, duzzadásuk reverzibilis, optimális esetben az intelligens hidrogéleknek a környezeti paraméterek megváltozására adott válasza gyors. A gélek duzzadásának hirtelen megváltozásáért a gélben a környezeti paraméterek megváltozásának hatására fellépő kölcsönhatások változása a felelős. A duzzadás a taszító erők dominanciájának a következménye, míg a kollapszus a vonzóerőké. Az ilyen intelligens hidrogélek tipikus képviselői többek között a hőmérséklet érzékeny és a pH érzékeny hidrogélek is.

4. Poli(N-izopropil-akrilamid) alapú hidrogélek A hidrogélek, amint fentebb állítottam keresztkötött polimerek, melyek térfogatának több mint 90%-a víz. Az intelligens hidrogélek egyik leggyakrabban vizsgált családja hőmérséklet érzékeny poli(alkil-akrilamid) [6,7,8] monomerekből épül fel, közülük is kiemelkednek a poli(N-izopropil-akrilamid) (pNIPAAm) alapú hidrogélek [8,9,10,11,12,13]. A poli-(N-izopropil-akrilamid) polimer szobahőmérsékleten korlátlanul elegyedik vízzel. Azonban a hőmérséklet emelésének hatására a polimer oldat szételegyedik egy polimerben

gazdag, illetve egy vízben gazdag fázisra. Azt a legalacsonyabb hőmérséklet értéket, ahol ez a fázisszeparáció lejátszódik alsó kritikus szételegyedési hőmérsékletnek (Lower Critical Solution Temperature; LCST) nevezzük (1. ábra).

1. ábra LCST értékkel rendelkező polimerek fázisdiagramja Ha egy ilyen tulajdonságokkal rendelkező polimerből gélt gyártunk, a részecske az LCST érték alatt duzzad az oldószerben, míg az LCST értéknél elveszíti a víztartalmának nagy részét (kollapszál).

Gélek

esetében

ezt

a

reverzibilis

tulajdonságot

nevezik

térfogati

fázisátalakulásnak (Volume Phase Transition; VPT). A PNIPAAm gélek e tulajdonsága a gélben fellépő kölcsönhatások segítségével magyarázható. A rendszerben kétféle kölcsönhatás van jelen, a víz molekulák és a polimerlánc amid csoportjai között lép fellépő H-kötés, illetve a polimerláncok hidrofób kölcsönhatása. Alacsony hőmérsékleten (TLCST) a polimer molekulák közötti kölcsönhatás a domináns (a víz rossz oldószere a polimernek), így a részecske duzzadása jelentősen csökken, a polimer kipréseli magából az előnytelen kölcsönhatást biztosító oldószer molekulákat. (2. ábra)

2. ábra A PNIPAAm gélekben fellépő kölcsönhatások szemléltetése

4.1. Poli(N-izopropil-akrilamid) makro- illetve mikrogélek A makrogélek tipikusan milliméteres vagy annál nagyobb mérettel rendelkeznek. A mikrogéleket definiálhatjuk úgy, mint a makrogélek olyan stabil analógjait, melyek mérete a mikro- és nanométeres tartományba esik. Mikro- és makrogéleket előállíthatunk ugyanazon kiindulási anyagokból

(PNIPAAm),

lehetnek

környezeti hatásra

érzékenyek, vagy

érzéketlenek. A legfontosabb különbség, hogy a környezeti hatásokra érzékeny mikrogélek sokkalta gyorsabb válaszreakcióra képesek, mint makroszkopikus mérettartományba eső társaik. A leggyakrabban kutatott mikrogélek egyike az N-izopripil-akrilamid (NIPAAm) monomerekból épül fel (3. ábra).

3. ábra Az N-izopropil-akrilamid, N,N'-biszakrilamid, illetve akrilsav szerkezete

4.1.1. Poli(N-izopropil-akrilamid) makrogélek A környezeti hatásokra érzékeny hidrogélek megjelenése óta, a PNIPAAm makrogélek a leginkább tanulmányozott hőmérséklet érzékeny intelligens anyagok. Ezen anyagok mérete tipikusan milliméteres skálán mérhető, és ~32 oC-on reverzibilis térfogatváltozáson mennek keresztül. Az eredmények azt mutatták, hogy a gél nedvesedési kinetikája nagyban függ a

rendszer méretétől, méghozzá a duzzadás csökkenése fordítottan arányos a hidrogél sugarának négyzetével [14,15,16,]. Tehát elmondhatjuk, hogy a milliméteres, illetve ennél nagyobb dimenziójú PNIPAAm makrogélek fázisátalakulási folyamata több órát, vagy akár napot is igénybe vehet.

4.1.2. Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek A mikrogélek tipikus mérete a mikro/nano skálán mozog. Köszönhetően ennek a kis méretnek a mikrogélek fázisátmeneti ideje pillanatszerű, a másodperc tört része alatt lejátszódik. Hasonlóan a makrogélekhez a mikrogélek is több mint 90% víz felvételére képesek duzzadt állapotban, míg kollapszáltan csupán 20% oldószer molekula befogadására képesek. A 4. ábrán látszik, hogy a PNIPAAm mikrogél mérete hogyan változik a hőmérséklettel. Amint a hőmérséklet eléri a polimerre jellemző LCST értéket (~32 oC), gél mérete nagymértékben lecsökken. Az ábrán látható a szórt fény intenzitásának változása is, a görbe egyszerűen magyarázható azzal, hogy míg a duzzadt állapotban levő mikrogélek és a közeg között kicsi a törésmutató különbség, addig a kollapszált részecskék esetében különbség jelentősen megnő, így a szórt fény intenzitása nagy mértékben növekszik. A fázisátmenet hőmérséklete hatékonyan befolyásolható, különböző funkciós csoportokat tartalmazó monomerek kopolimerizációjával a térhálóba. A PNIPAAm mikrogélek előállítása során használt komonomerek közül az egyik legelterjedtebb az akrilsav (AAc), melynek segítségével poli(N-izopropil-akrilamid-co-akrilsav) kopolimerket kapunk (pNIPAAm-co-AAc). Az akrilsav disszociációjának a hatására a mikorgél fázisátmeneti hőmérséklete jelentősen megemelkedik, illetve az akrilsav monomerek pH érzékenysége miatt a mikrogél duzzadása is pH függővé válik.

4. ábra PNIPAAm gél átmérőjének tipikus hőmérséklet függése (fényszóródás kísérletekből)

4.2. Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek szintézise p(NIPAAm) alapú mikrogéleket általában precipitációs polimerizációval állítják elő [17,18,19,20,21]. Ezen eljárás során a prekurzór molekulák vízoldhatóak, míg a keletkező polimerek nem. A rendszer előállításához NIPAAm monomert és BIS (N,N’-biszakrilamid) keresztkötő monomert,

illetve NaDS-t (nátrium-dodecilszulfát) használunk. A NaDS-t a

kritikus micellaképződési koncentrációnál jóval kisebb koncentrációban adjuk az elegyhez. A tenzid molekulák szerepe a keletkező mikrogél részecskék stabilizálása. A reakció megindításával (APS, ammónium-perszulfát adagolása) a monomerekből polimer láncok kezdenek el nőni, majd egy kritikus hossznál a polimer lánc vízoldhatósága megszűnik és kollapszál. A növekvő láncokból keletkező kollapszált részecskék nem rendelkeznek kolloid stabilitással, ezért aggregátumokat képeznek. Ezek az aggregátumok addig nőnek, míg az iniciátor molekulából származó töltött csoportok, illetve az adszorbeálódó tenzid molekulák elég nagy felületi töltést nem biztosítanak a részecskék stabilizálásához. Az így keletkezett prekurzór részecskékben tovább folyik a lánc növekedése, míg a reakció elegyből el nem fogynak a monomerek. A keletkezett mikrogélek monodiszperz méret eloszlással rendelkeznek. A mikrogél részecskék mérete a NaDS mennyiségével befolyásolható, ugyanis több NaDS adagolása esetén kisebb prekurzór részecskék stabilizálódnak. Az eljárás előnye, hogy számos komonomer adagolható a rendszerhez, így a mikrogélek különböző funkciójú

csoportokkal láthatóak el *8], így a rendszerhez adagolhatunk pl. AAc (akrilsav) komonomereket.

5. ábra A mikrogélek keletkezésének egyes fázisai (1. lánc növekedés, 2. lánc kollapszus, 3.prekurzor részecske képződése, 4. mikrogél részecske képződése)

Az irodalomban számos példa létezik arra, hogy az előállított p(NIPAAm) mikrogélek részecskékre egy további polimer héjat polimerizáltak, és így alakítottak ki egy mag/héj szerkezetű mikrorészecskét*22,23]. A mag-héj szerkezetű nanokapszulák előállítását úgy végezték, hogy az előzetesen előállított p(NIPAAm-co-AAc) mikrogéleket megtisztították, majd a monomerekkel és NaDS-sel együtt a reakcióelegyhez adagolták. Emelt hőmérsékleten a p(NIPAAm) részecskék kollapszált állapotban vannak és magként szolgálnak a polimerizáció során. Ezzel az eljárással elérhető, hogy a második lépésben polimerizált monomerek nagy része a részecske felületén polimerizálódjon. Ezzel az eljárással szemben egy olyan módszert akartam kidolgozni, mely lehetővé teszi, hogy egyetlen reakciólépésben hozzuk létre a mag-héj szerkezetű mikrogél részecskéket, így nincs szükség a keletkezett p(NIPAAm-co-AAc) latexek tisztítására, ami jelentős idő és energia megtakarítást tesz lehetővé.

5. Kísérleti módszerek 5.1. Felhasznált anyagok Az 1. táblázat a mikorgélek előállítása során használt anyagokat mutatja be. 1. táblázat A felhasznált anyagok listája

Felhasznált anyagok Vegyület

Rövidített név

N-izopropil-akrilamid

NiPAAm

N,N’-metilén-BIS-akrilamid

BIS

Na-dodecilszulfát

NaDS

Akrilsav komonomer

AAc

Ammónium-perszulfát

APS

Képlet

poli-(etilénoxid)-metilmetakrilát

5.2. p(NIPAAm-co-AAc) és p(NIPAAm-co-AAc)-shell-(PEO)n-MEMA mikrogélek előállítása A mikrogélek előállítása precipitációs polimerizációval történik. Az eljárás során a 2. táblázatban leírt mennyiségű NIPAAm monomert és BIS keresztkapcsolószert 190 g vízben oldottam fel, az elegyhez hozzáadtam 2 ml NaDS-t is, hogy a koncentrációja 0,7 mM legyen a reakció elegyben. Miután a komponensek feloldódtak, az elegyet a reaktoredénybe töltöttem és kb. 30 percen keresztül N2 gázt buborékoltattam át a rendszeren oxigénmentesítés céljából, eközben a rendszer 80 oC-ra termosztálódott. Ezután a kevertetés sebességét az eddigi 2-es fokozatról 4-esre emeltem, és fecskendőből a rendszerhez adagoltam az AAc komonomert, majd amilyen gyorsan csak lehetett az APS iniciátort is hozzáadtam (fontos ez a sorrend). A szintézist további 4 órán keresztül folytattam, majd befejeztével hagytam a rendszert lehűlni, és a terméket dializáló csövekbe töltöttem.

2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége

Bemérések Anyag

Bemért mennyiség /(g)

Koncentráció / (mM)

p(NIPAAm-co-AAc) NIPAAM

2,607

114

BIS

0,057

1,8

0,380 NaDS 0,702 AAc 0,560 APS

, melyből 2 ml-t használtam

0,7


12,9


1,2

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 2,5 mol% (PEO)23-MEMA (1100 g/mol (PEO)23-MEMA) NIPAAM

2,607

109,5

BIS

0,057

1,7

0,380 NaDS 0,702 AAc 0,560 APS (PEO)23-MEMA


0,6


12,3


1,2

0,767

3,25

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 5 mol% (PEO)23-MEMA (1100 g/mol (PEO)23-MEMA) NIPAAM

2,607

109,5

BIS

0,057

1,7



0,6


12,3


1,2

1,534

6,5

2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége (folyt.)

Bemérések Anyag




2,607

109,5

BIS

0,057

1,7



0,6


12,3


1,2

2,301

9,8

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA (80%-os konverzió) (1100 g/mol (PEO)23-MEMA) NIPAAM

2,607

109,5

BIS

0,057

1,7

0,380 NaDS 0,702 AAc 0,560 APS


0,6


12,3


1,2

3,046 (PEO)23-MEMA

13

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA (90%-os konverzió) (1100 g/mol (PEO)23-MEMA) NIPAAM

2,607

109,5

BIS

0,057

1,7



0,6


12,3


1,2

1,534

6,5


Bemérések Anyag




2,607

109,5

BIS

0,057

1,7

0,380 NaDS 0,702 AAc 0,560 APS (PEO)45-MEMA)


0,6


12,3


1,2

2,71

3,25


2,607

109,5

BIS

0,057

1,7

0,380 NaDS 0,702 AAc 0,560 APS (PEO)45-MEMA)


0,6


12,3


1,2

5,41

6,5


2,607

109,5

BIS

0,057

1,7



0,6


12,3


1,2

8,11

9,8


Bemérések Anyag




2,607

109,5

BIS

0,057

1,7



0,6


12,3


1,2

10,82

13

Munkám során 10 szintézist végeztem. Az első esetben olyan p(NIPAAm-co-AAc) mikrogéleket állítottam elő, melyben a keresztkötések sűrűsége 70, azaz minden 70. monomer keresztkapcsoló, illetve az akrilsav tartalom 10 mol%, ezt a rendszert alkalmaztam referencia rendszerként. A (PEO)n-MEMA héj létrehozása érdekében két szintézis sorozatot végeztem, melyek során 1100 g/mol illetve 2080 g/mol molekulatömegű (PEO)n-MEMA makromonomereket adagoltam a rendszerbe. Az adagolás általában 90%-os konverziónál történt, azonban az 1100 g/mol molekulatömegű 10 mol% (PEO)23-MEMA monomert tartalmazó mikrogélből szintetizáltam egy 80%-os konverziónál adagolt mintát is. Annak megállapítására, hogy az adagolás mikor történjen, a monomerek fogyásának kinetikai görbéjét alkalmaztam, amit az 5.4.4. fejezetben leírtak szerint határoztam meg (13. ábra). A makromonomereket

tartalmazó

oldatokat

az

adagolás

előtt

vákuumban

oxigénmentesítettem. Ez egy fontos lépés, ugyanis az oldott O 2 gyökfogóként viselkedik és zavarja a reakció lejátszódását.

6. ábra A lejátszódó reakció sémája

A 7. ábrán látható a reakció során alkalmazott reakcióedény. A reakcióedényen négy csiszolat található. A bal hátsó szeptummal lezárt csiszolatba kerül az a tű, melyen keresztül a N2-áramot vezetjük be a reakciótérbe. A bal első csiszolatba kerül a hőmérő, a jobb hátsóba kerül a parafinos gázmosóval lezárt visszafolyós hűtő. A negyedik, szintén szeptummal lezárt csiszolaton keresztül történik a monomerek és az iniciátor adagolása a reakció során.

7. ábra A reakcióhoz használt reakcióedény

5.3. Az előállított mikrogélek tisztítása Az előállított mikrogéleket tartalmazó szuszpenziót a reakció lejátszódása után hagytam lehűlni, majd dializáló csövekbe töltöttem. A dialízist több héten keresztül folytattam, miközben naponta cseréltem a vizet, amelyben a dialízis csövek álltak. Erre azért van szükség, hogy megakadályozzuk a szennyezők (pl. az el nem reagált monomerek, képződött oligomerek) koncentrációjának lassú kiegyenlítődését a tisztított rendszer és a környezete között, ami a tisztulási folyamat leállásához vezetne. Több hetes dialízis után a további tisztítás érdekében a mintákat ultraszűrésnek vetettem alá. Az ultraszűréshez 100 kDa-os szűrőmembránt tartalmazó VivaFlow200 típusú cellát használtam. Az ultraszűrés során a dializált mintáknak egy részét (10-20 ml) minimum hatszorosára hígítottam, és 10 mM-os NaOH-val beállítottam a pH-t 9-10 közé. A hígítás azért szükséges, mivel a dializált minta közvetlen lúgosítása esetén az egész rendszer begélesedhet. Miután a pH-t beállítottam a kívánt értékre a mikrogélben található AAc csoportok sóvá alakultak- az eddigi 100-120 ml-es mintát tovább hígítottam 1000 ml-re és az így kapott híg latexet ultraszűrtem, míg a térfogata újra 100-120 ml-re csökkent. A tisztítás mértéke ideális esetben (amikor a szennyezők homogénen oszlanak el a rendszerben) en lefutású, ahol n az ismételt ultraszűrések száma,

a higított rendszer térfogata,

pedig

a térfogat az ultraszűrés után. Ennek értelmében a tisztítandó minta nagyságrendi hígítása és ultraszűrése esetén, egy szűrés után már egy nagyságrenddel kevesebb a szennyező anyag mennyisége a rendszerben, n ismételt szűrés esetén pedig elvileg 10n–ed részére hígul a szennyezők koncentrációja. Az általam készített mikrogélek esetén azonban kevésbé hatékonynak bizonyult a módszer, mivel nemcsak a közeg, hanem a gélrészecskék is tartalmaztak

szennyezőket.

A

gélrészecskék

és

szennyezők

kölcsönhatásának

következménye, hogy a közegből eltávolított szennyezők nagy része a hígítás után pótlódik a gélrészecskékből. Emiatt a tisztulás sokkal lassabb lehet az elméletileg várt ideális esetnél. A tisztulási folyamatot vezetőképesség mérésével követtem, a tisztítást addig folytattam, míg a minta szűrésével nyert szűrlet vezetőképessége el nem érte a tiszta desztillált víz vezetőképességét.

14

Vezetokepesseg / (S)

12 10 8 6 4 2 0 1

2

3

4

5

6

Szuresszam

8. ábra A minta tisztulásának követése vezetőképesség méréssel

5.4. Vizsgálati módszerek 5.4.1. Dinamikus fényszóródásmérés (DLS) [24] A nanorészecskék, és egyéb kolloidális méretű részecske méretének meghatározására manapság rutinszerűen alkalmazzák a fényszóródás mérésén alapuló eljárásokat. Közülük is a legelterjedtebb a dinamikus fényszóródás mérés, mely alkalmas pl. polielektrolitok szerkezetének és dinamikájának meghatározására, valamint polimer rendszerek általános jellemzésére. A módszer alapja, hogy a vizsgált részecskék hőmozgásának következtében a részecskékről szóródó fény interferenciája folytonosan változik, így a szórt fény intenzitása is állandó ingadozást mutat (fluktuál). Ha az intenzitás fluktuációja, csak a részecskék hőmozgásának következménye, akkor a fluktuációk mérésével a részecskék mozgásának sebességéről és ezen keresztül a részecskék méretéről kaphatunk információt.

A DLS mérések során az intenzitás-intenzitás autokorrelációs függvényt határozzuk meg , melyből aztán a Siegert-egyenlet segítségével megkapjuk a térerő autokorrelációs függvényt: (1) ahol A a kísérletileg meghatározott alapvonal, b

egy konstans, q a szórási

vektor, τ pedig a korrelációs idő. (2) ahol n a közeg törésmutatója, λ0 a lézer fényforrás hullámhossza,

a szórás szöge.

Amennyiben a vizsgált rendszer polidiszperz (a részecskék különböző sebességgel mozgnak) a kísérletileg meghatározott autokorrelációs függvényt az alábbi összefüggés írja le: (3) ahol a relaxációs idő,

pedig a relaxációs idő eloszlás görbe. Ennek meghatározására

számos numerikus eljárás létezik. Az általunk használt módszer (Kumulant analízis) segítségével egy átlagos relaxációs időt és polidiszperzitás paramétert határozunk meg, anélkül, hogy a relaxációs idő eloszlásról bármilyen előzetes információnk is lenne. A módszer mérsékelten polidiszperz minták esetén használható. Ha az intenzitásbeli fluktuáció a részecskék mozgásából származik, akkor a diffúziós együttható

az alábbi egyenlet értelmében származtatható a relaxiációs időből: (4)

ahol

a girációs sugár és C egy konstans.

-ból kiszámolható a

hidrodinamikai átmérő

a Stokes-Einstein egyenlet értelmében: (5) ahol k a Boltzmann-állandó, T a hőmérséklet, és

a közeg viszkozitása.

A numerikus eljárásban alkalmazott sorfejtésből származó,

második redukált

együttható felhasználásával kiszámolhatjuk a rendszer polidiszperzitását is: (6) ahol u a rendszer polidiszperzitása

.

A méréseket Brookhaven típusú fényszóródásmérő berendezéssel végeztem, mely mind sztatikus-, mind dinamikus fényszóródásmérés végrehajtására nyújt lehetőséget. A mérőberendezés BI-200SM típusú goniométerből, BI-9000AT típusú digitális korrelátórból,

és egy Omnichrome típusú argon-ion lézerből épül fel, mely 488 nm-es hullámhosszúságú, vertikálisan polarizált fényt bocsájt ki. Detektorként fotosokszorozót használtam. A vizsgált mintákat a mérés előtt 1,2 µm-es membránszűrőn szűrtem a nagy méretű szennyezők (pl. por szemcsék) eltávolítása érdekében. Mivel a mikrogélrészecskék nagy mérete miatt a szórt fény intenzitása erős szögfüggést mutatott a méréseket minden esetben

-nál végeztem.

9. ábra A fényszoródásmérő berendezés elvi vázlata

5.4.2. Elektroforetikus mobilitás meghatározása Elektroforetikus mobilitás meghatározására a Malvern Instrument által gyártott Malvern Zetasizer NanoZ típusú készüléket használtam, ami a legmodernebb eszköz a töltött részecskék elektroforetikus mobilitásának meghatározására. A berendezés a lézer Doppler elektroforézis technikát alkalmazza. Az elektromos tér hatására mozgó részecskékről a fény szóródik, és annak frekvenciája eltolódik. A frekvencia eltolódását interferometrikus technikával tudjuk mérni. Ez a gyakorlatban úgy történik, hogy koherens lézerpár nyalábot alkalmazunk, amik egy forrásból származnak. Az egyik nyaláb (szóródó nyaláb) a töltött részecskéhez érve eltérül, másik nyaláb pedig változatlanul átmegy a cellán (referencia nyaláb). Összehasonlítva a referencia- és a szóródó nyaláb frekvenciáját a töltött részecskék mobilitása meghatározható az alábbi összefüggésből:

(1) ahol az

az elektroforetikus mozgékonyság,

térerősség,

a közeg dielektromos állandója,

az elmozdulás, E az alkalmazott az elektrokinetikai potenciál,

a közeg

viszkozitása. Az elektroforetikus mozgékonyságból az elektrokinetikai potenciál az (1) egyenlet értelmében számolható. Szilárd/folyadék határfelületek elektromos kettősrétegének elektromos térrel való kölcsönhatása a kettősréteg hasadásával járó mozgásjelenségben nyilvánulhat meg. Diszperziók diffúz kettősréteggel rendelkező részecskéi egyenfeszültségű elektromos erőtér hatására felületi töltésükkel ellenkező töltésjelű pólus irányába igyekeznek elmozdulni, és ha mozgásuknak nincs akadálya, ténylegesen a pólus felé vándorolnak. Ezt a folyamatot elektroforézisnek nevezzük. Ha a kettősréteg a többnyire hidratált ion méretű Stern-síknál kiterjedtebb, diffúz része a részecske vándorlásakor egy mozdulatlan, és egy részecskékkel együtt mozgó részre szakad szét az ún. hasadási sík mentén. A hasadási sík és a tömb fázis között

létrejövő

potenciálkülönbséget

definíciószerűen

elektrokinetikai

vagy

zeta

potenciálnak nevezzük. A hasadási sík pontos helyét a diffúz kettősrétegben általában nem ismerjük, mert a Stern-rétegben lévő ionokon kívül bizonyos mennyiségű folyadék is kötődhet a töltéssel rendelkező részecskék felületéhez. Indokolt azonban feltételeznünk, hogy a hasadási sík kissé távolabb helyezkedik el a felülettől, mint a Stern-sík és így a zeta potenciál is általában kisebb, mint a Stern-potenciál, a felületi potenciál és zeta potenciál közötti különbség a diszperziós közegbeli ionerősség növelésével nő, mert az elektrolit töménység növelése a kettősréteg diffúz részének kiterjedését csökkenti, így nagyobb potenciálesést eredményez. Az (1). egyenletből következik, hogy nem vezető részecskék elektroforetikus mozgékonysága független a részecskék méretétől és alakjától, ha a zeta potenciál állandó.

10. ábra Az elektromos kettősréteg szerkezete 1. a részecske felszíne, 2. Stern-sík, 3. hasadási sík, 4. diffúz réteg, 5. Stern-réteg. A jelölések jelentése felületi potenciál, :elektrokinetikai vagy zeta potenciál, : Stern-sík vastagsága, 1/χ: a kettősréteg vastagsága.

11. ábra A tanszéken alkalmazott Malvern Instuments által gyártott készülék

:

5.4.3. Termogravimetria (TG) Az ultraszűrt minták koncentrációjának meghatározásához termogravimetriát alkalmaztam. Az eljárás során ismert mennyiségű mintát mértem be, majd előre megadott fűtési program alapján (30-1000 oC) a mintát előbb bepároltam, majd a polimert elégettem. A folyamat során mért tömegváltozásokból meghatároztam a tisztított minta összetételét. Az alkalmazott készülék a MOM Budapest által gyártott Derivatograph-C típusú termoanalizátor volt. Az előállított latexek koncentrációja az alábbi táblázatban került összefoglalásra. Minta

Töménység meghatározás módja

Koncentráció / (w/w%)

p(NIPAAm-co-AAc) dializált p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA dializált p(NIPAAm-co-AAc) ultraszűrt p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA ultraszűrt

Szárazanyag-tartalom megh.

1,08

Szárazanyag-tartalom megh. Termogravimetria

1,96 0,30

Termogravimetria

0,30

5.4.4. Mikrogélek keletkezésének kinetikai vizsgálata HPLC-vel A folyadékkromatográfiás eljárások lényege, hogy az elválasztandó komponenseket oldat fázisban injektáljuk az elválasztásra szolgáló oszlopra, ahol a komponensek különböző mértékű affinitása miatt az oszlop anyagához elkülönülnek egymástól. Az eljárás során töltetes oszlopot alkalmazunk, ezért hogy az elválasztási idő elfogadható idő tartományban maradjon emelt nyomást kell alkalmazni. Az álló fázis egy általában 1-4 mm belső átmérőjű, 10-30 cm hosszú acélcsőbe töltött µm-es méretű, nagy fajlagos felülettel rendelkező poláris vagy apoláris felületű szemcsékből áll. Apoláris töltetek esetén az áramló fázis erősen vagy közepesen poláris, általában metanol vagy acetonitril és víz meghatározott arányú keveréke. Az eljárás fontos része a mintaadagolás, ugyanis ez teszi magát az eljárást reprodukálható, robosztus technikává. Az alkalmazható detektorok száma rendkívül nagy, általában elmondható, hogy ilyen mérések esetében érdemes univerzális, azaz nem egy komponens mérése kifejlesztett detektort alkalmazni. A legegyszerűbben alkalmazható ilyen detektor az átfolyócellás UV/VIS detektor. A detektor jelét a feldolgozó egység regisztrálja és alakítja analitikai jellé, melyből kvantitatív és kvalitatív analitikai információ is nyerhető. A detektor által adott analitikai jel-idő függvényét nevezzük kromatogramnak. A kromatogramon megjelenő csúcsok területe (integrálja) az adott komponens mennyiségével lesz arányos. Relatív koncentráció méréséhez elég, ha a mérési tartományban a detektor lineáris

válaszjellel rendelkezik, abszolút koncentráció meghatározáshoz azonban kalibrációs eljárás alkalmazása szükséges. A mérések során az alkalmazott eluens 55:45 arányú metanol/víz elegy volt, mely 0,25 mM DTAB-t is tartalmazott. A kationos tenzid alkalmazása azért vált szükségessé, hogy az AAc csúcsa elváljon a majd két nagyságrenddel intenzívebb jelet szolgáltató NiPAm monomer csúcsától. Az alkalmazott oszlop fordított fázisú, C8-as töltetű oszlop (Shandon Hypersil, 5 µm), az injektált térfogat 20 µl volt. Az eljárás során UV/VIS detektor alkalmaztam, melyet előzetes vizsgálatok alapján 280 nm-es hullámhosszon üzemeltettem.

5.4.5. Turbidimetriás mérések A turbidimetriás méréseket spektrofotometriás készülék alkalmazásával kiviteleztem. Az eljárás alapja, hogy egy kolloid rendszeren áthaladó fénynyaláb intenzitása csökken a kolloid részecskéken történő fényszóródás miatt. A turbiditás mérések során ezt az intenzitás csökkenést regisztráljuk. A szórt fény intenzitását, így a rendszer turbiditását is, a szóró részecskék mérete, a részecske és közeg törésmutatójának a különbsége (kontraszt) és a részecskék kölcsönhatása határozza meg. Híg rendszerek esetén a részecskék kölcsönhatásának általában nincs meghatározó szerepe, így a vizsgált rendszer turbiditásának növekedése a részecskék aggregációjának (szóró centrumok növekedése), vagy a kontraszt növekedésének (pl. polimer részecskék víztartalmának csökkenése) a következménye. Vizsgálataimhoz Perkin Elmer Lambda 2 típusú spektrofotométert használtam. A méréseket 400 nm-en végeztem. A mérés során 0,1 tömeg%-os mikrogél tartalmú mintákat használtam, melyek ismert töménységű DTAB ionos tenzidet (2-20 mM) tartalmaztak. A minták turbiditását 3 napos szobahőmérsékletű várakozás után mértem. Ezt követően 40oC-os vízfürdőbe helyeztem a mintákat, és újabb három napos termosztálás után mértem a turbiditásukat 40oC-on.

6. Mérési eredmények és értékelés A tapasztalat szerint a polielektrolitok, így a p(NIPAAm-co-AAc) mikrogél részecskék is, komplexeket képeznek ellentétesen töltött makromolekulákkal (pl. fehérjékkel). Mivel a képződő komplexek egy széles összetételi tartományban nem rendelkeznek elegendően nagy felületi töltéssel, elvesztik kolloid stabilitásukat, így aggregátumokat képeznek, és fázisszeparálnak. A célom olyan mikrogélek előállítása volt, melyek megőrzik kolloid stabilitásukat a komplex képződés után is. Mivel egy kolloid részecske stabilitása nem csak elektrosztatikusan hanem sztérikusan is biztosítható, ezért olyan részecskék előállítását tűztem ki célul, melyek egy külső semleges polimer héjjal rendelkeznek. Mint korábban említettem a poli-etilénoxidot elterjedten használják felületek biokompatibilitásának a biztosítására, ezért ez a polimer különösen alkalmasnak tűnt célom megvalósítására. A (PEO)n-MEMA héj kialakítására egy olyan makromonomert használtam fel, melyben a (PEO)n lánc egy észter kötés segítségével egy metakrilsav molekulához kapcsolódik. Ez lehetővé teszi a makromonomer beépülését a szintézis során kialakuló térhálóba. Bár az irodalomban már korábban is készítettek mag/héj típusú mikrogél részecskéket, erre mindig két önálló szintézislépésben került sor, és a héj kialakítását minden esetben az előállított primer részecskék hosszas tisztítása előzte meg. Az általam kidolgozott eljárás elvileg lehetőséget biztosít a szintézis egyetlen lépésben történő kivitelezésére. A szintézis kivitelezés során a makromonomereket csak a szintézis utolsó fázisában adtam a reakció elegyhez, ezzel biztosítva, hogy a monomerek a részecskék felületére épüljenek be. Annak eldöntésére, hogy melyik a megfelelő pillanat a (PEO)n-MEMA makromonomerek reakció elegyhez adására, a szintézis lefolyását HPLC vizsgálatokkal követtem és meghatároztam a komponensek fogyását az idő függvényében.

6.1. A mikrogél részecskék karakterizálása 6.1.1. A mikrogél részecskék keletkezésének kinetikai vizsgálata Amint

a

fentiekben

már

említettem

a

monomerek,

komonomerek,

és

keresztkapcsolószerek beépülése a mikrogélbe fontos információ abban az esetben, ha a célunk olyan mikrogélek előállítása, melyek a felületükön (PEO)n-MEMA láncokat tartalmaznak. Ezért részletesen megvizsgáltam a 10 mol%-os AAc tartalmú mikrogélek keletkezésének kinetikáját. A rendszer NIPAAm, BIS, és AAc monomereket tartalmaz, ezért a

mérés során ezek elválasztása és mennyiségi meghatározása volt a célom. Azért, hogy a beépülés kinetikáját követni tudjam adott időközönként a reakcióelegyből mintát vettem, és ezekben vizsgáltam a monomerek mennyiségét. A mintavételre 25 ml-es zárható üvegküvettát használtam. Ezekben 1-1 ml 5mM koncentrációjú gyökfogó (hidrokinon monometil-éter) volt. A mérés során minden edény és minta pontos tömegét megmértem. A kb. 1 ml mennyiségű mintát a gyökfogó oldathoz adtam. Ennek hatására a reakció azonnal leállt, így pontosan meghatározható, hogy az adott pillanatban vett mintában milyen mennyiségben találhatóak a monomerek. Az első mintát a reakció megindítása (iniciátor adagolása) előtt vettem, míg, a többi mintát az 1 és 240 perc közötti időintervallumban. A mintavétel után a mintát azonnal a gyökfogóhoz adtam, majd a rendszerhez további 13 ml vizet adtam. Az így nyert mintákat egy órán keresztül 20000 rpm-es fordulaton centrifugáltam a keletkezett polimerek eltávolításának céljából. Ezek után a felülúszóból 6-7 ml mintát vettem. A továbbiakban ezen mintát analizáltam, és ebből állapítottam meg a monomerek fogyását az idő függvényében. A mennyiségi analízis során a pontos tömegek ismeretében meghatározható volt a rendszer hígulása, így a monomerkoncentrációk pontosan meghatározhatók voltak a mintákben. A monomerek szeparációjára, illetve koncentrációjuk meghatározására HPLC méréseket végeztem. Az egyes csúcsokhoz tartozó mennyiségeket a legtöményebb oldatban (reakció megindítása előtti oldat) mért mennyiségekre normáltam, így összevethetővé váltak az egyes vizsgáltok eredményi, és a tapasztalatok egyszerűen levonhatóak.

NiPAAm

200

intenzitas / (mV)

160

120

80

40

BIS hidrokinon-monometil-éter

AAc 0 3

4

5

6

ido / (min)

12. ábra Az elválasztással nyert kromatogram

7

3. táblázat A retenciós idők és területek

Azonosított vegyület

Retenciós idő / (min)

Terület / (mVs)

BIS

2,86

181,9

NIPAAm

3,82

1880,5

AAc

4,29

18,9

A 12. ábra és 3. táblázat az első mintavételhez tartozó kromatogramot és a csúcsokhoz tartozó retenciós időket, illetve integrál értékeket tartalmazza. A továbbiakban vett minták kromatogramjának kiértékelése az első esetben alkalmazott módszerrel analóg módon történt.

13. ábra A vizsgálatokból nyert kinetikai görbék

A 13. ábra alapján elmondható, hogy a BIS keresztkapcsolószer gyorsabban épül be a keletkező részecskékbe, mint az AAc komonomer és a NIPAAm monomer, melyek hasonló sebességgel fogynak a reakció elegyből. Ezek alapján megállapítható, hogy a mikrogél részecskék egy jobban keresztkapcsolt maggal és egy lazább, kevéssé keresztkötött külső héjjal rendelkeznek, ez a tapasztalat megfelel az irodalomban felelhető eredményeknek is. Ugyanakkor az AAc monomerek eloszlása viszonylag egyenletes a részecskéken belül. Sztérikusan stabilizált mag/héj szerkezetű hidrogélek előállítása során ügyelni kell arra, hogy a sztérikus stabilitást biztosító polimert mikor adagoljuk a rendszerhez. Abban az esetben, ha az adagolás későn történik, az adagolt makromonomerek többsége nem lép reakcióba a felülettel, a felületre történő polimerizációs lépés kis konverzióval megy végbe. Az így nyert mikrogélek nem tartalmaznak elegendő felületen kötött polimert, hogy sztérikusan stabilak legyenek. Amennyiben a makromonomerek adagolására túl hamar kerül sor, nem mag/héj szerkezetű mikrogéleket kapunk, vagy a felületen kialakított héj túlságosan vastag lesz a gél méreteihez képest, jelentősen megváltoztatva ezzel a mikrogél részecskék előnyös tulajdonságait (pl. gél kollapszus hőmérséklete, illetve duzzadását). Munkám során a (PEO)n-MEMA makromonomereket a fenti megfontolásokból két időpontban adagoltam. Az első esetben a (PEO)23-MEMA polimereket 80 %-os konverziónál adtam a reakció elegyhez, majd az így előállított gél stabilitását, és hőmérsékletfüggését megmérve a további szintéziseket 90%-os konverziónál végeztem. A kinetikai görbe ismeretében megállapítható, hogy e konverzióknak megfelelő időpontok 13, illetve 20 percnél vannak. Így a makromonomereket a reakció megindítása után ezen időpontoknál adagoltam a rendszerhez, majd a reakciót további 4 órán keresztül folytattam.

6.1.2. Az előállított rendszerek turbidimetriás méréseinek eredménye A fejezetben alkalmazott rövidítések jelentéseit a 4. táblázat foglalja össze. 4. táblázat A fejezetben alkalmazott rövidítések jelentései

Jelölés

Konverzió (Cx) (PEO)n-MEMA / (g/mol) (Px)

C80P1M10 C90P1M2,5 C90P1M5 C90P1M7,5 C90P1M10 C90P2M2,5 C90P2M5 C90P2M7,5 C90P2M10

80% 90% 90% 90% 90% 90% 90% 90% 90%

1100 1100 1100 1100 1100 2080 2080 2080 2080

(PEO)n-MEMA tartalom / (mol%)(Mx) 10 2,5 5 7,5 10 2,5 5 7,5 10

Az előállított mikrogél latexek kolloid rendszerek, melyek stabilitását a részecskék között fellépő kölcsönhatások határozzák meg. A kolloid részecskék közötti eredő kölcsönhatás az összes kölcsönhatási energia összegzésével adható meg:

ahol

a Born-féle potenciál,

elektrosztatikus taszítási potenciál,

van der Waals-féle vonzási potenciál,

az

a szterikus kölcsönhatásokból származó eredő

potenciál. A kolloid rendszer abban az esetben lehet stabil, ha a részecskék közeledése esetén

vagy

a meghatározó kölcsönhatás, így az eredő kölcsönhatás taszításban

nyilvánul meg.

14. ábra Az eredő kölcsönhatási potenciál a részecskék közötti távolság függvényében

Ha egy elektromosan stabilizált kolloid részecskéhez ellentétesen töltött ionok kötődnek, akkor a kolloid részecske felületi töltéssűrűsége, így a részecske stabilítását biztosító potenciálgát nagysága is csökken. Ha a részecskéhez olyan nagy mértékben kötődnek ellentétesen töltött molekulák, hogy a potenciálgát nagysága összemérhetővé válik a hőmozgás energiájával a részecskék először aggregálnak, majd a nagy méretű aggregátumok kiülepednek, fázisszeparáció játszódik le. Az előállított p(NIPAAm-co-AAc) rendszerek elektrosztatikusan stabilizált kolloid rendszerek, a felületükön lévő karboxil csoportok által kifejtett taszító kölcsönhatások miatt. Ha a rendszerhez kationos DTAB tenzidet adagolunk (modellezve ezzel az ellentétesen töltött fehérjékkel való kölcsönhatást), a tenzid molekulák kölcsönhatásba lépnek az ellentétesen töltött mikrogél részecskékkel. A tenzid kötés hajtóerejének két fő járuléka van. Egyrészt az ellentétesen töltött mikrogél és tenzid molekulák elektrosztatikus kölcsönhatása, másrészt a hidrofób hajtóerő, ami a tenzid molekulák alkilláncainak vizes közegből történő távozását kísérő energiaváltozás. A mikrogélek és tenzidek kölcsönhatásának eredményeképpen eleinte a mikrogél belsejében csökken az eredő töltéssűrűség, így a mikrogél részecskék által kötött DTAB mennyiségének növekedésével folyamatosan csökken a részecskék duzzadása, de az egyes részecskék önállósága nem szűnik meg. Azonban amikor a mikrogél ”összes” töltése kompenzálódik az ellentétesen töltött molekulák által, a rendszer elektrosztatikus stabilitása megszűnik, a gél aggregál, az aggregátumok kiülepszenek. Ha azonban a mikrogél részecskék felszínén sikerül kialakítanunk egy olyan polimer héjat, ami biztosítja a kollapszált, semleges részecskék sztérikus stabilitását, akkor a részecskék aggregációja és a fázisszeparáció lejátszódása elkerülhető. Az előállított mikrogél-DTAB rendszerek kolloid stabilitásának jellemzésére turbiditás méréseket végeztem. Amennyiben egy kolloid rendszer stabil, annak turbiditása időben állandó. Ha viszont a kolloid rendszerben a részecskék aggregálnak, akkor a szóró centrumok méretének növekedése miatt a rendszer turbiditása időben nő. A turbiditás növekedése addig tart, amíg a keletkezett aggregátumok ki nem ülepednek a folyadék fázisból, ami egy víztiszta, kolloid részecskékben szegény folyadékfázis és egy turbid üledék képződéséhez vezet. A turbiditás mérések elvégzésére három napig öregített mintákon került sor, hogy az esetleges lassan lejátszódó folyamatok megfigyelésére is mód legyen.

A referencia rendszerként alkalmazott p(NIPAAm-co-AAc)/DTAB rendszerek 25oC-on mért turbiditás görbéje a 17. ábrán látható. Megállapítható, hogy a kezdeti kis turbiditás érték a DTAB koncentrációjának növekedésével emelkedik, ugyanis a mikrogélben egyre több töltés kompenzálódik a DTAB molekulák által, így a gél duzzadása csökken, ami a részecske törésmutatójának növekedése miatt a rendszer tubiditásának növekedését erdményezi. Elérve a 10-12 mM-os DTAB koncentrációt, a turbiditás jelentős mértékben csökken, ugyanis a rendszer elveszíti kolloid stabilitását, és fázisszeparáció játszódik le. A DTAB mennyiségét tovább növelve 14 mM-nál, a rendszer turbiditása ismét jelentősen meg nő. Vizsgálataink azt mutatták, hogy ezekben a rendszerekben több hét elteltével sem figyelhető meg fázisszeparáció, a rendszer stabil marad. A 17. ábrán látható, hogy a koncentráció további növelésével a rendszer turbiditása folyamatosan csökken. Ez a megfigyelés elvileg kétféleképpen is magyarázható. Egyrészt elképzelhető, hogy a tenzid koncentráció növekedésével egyre jobban visszaszorul az ellentétesen töltött komponensek keverése során bekövetkező nem-egyensúlyi aggregátumok képződése. Másrészt ez is elképzelhető, hogy ~14 mM DTAB koncentrációnál megkezdődik a tenzidmolekulák kooperatív

kötődése

a

mikrogél részecskében, ami a

részecskék

duzzadásához

(törésmutatójának csökkenéséhez), így a rendszer turbiditásának csökkenéséhez vezet. Annak eldöntésére, hogy a két lehetséges mechanizmusból melyik magyarázza az észlelt változásokat e mérések alapján még nincs lehetőségünk. A C90P1Mx mikrogélek 25oC-on elvégzett turbiditás méréseinek eredménye a 15. ábrán látható. Összességében elmondható, hogy már C90P1M2,5 rendszer is megőrizte kolloid stabilitását teljes tenzidkoncentráció tartományban (2-20 mM). A rendszerek turbiditása a DTAB mennyiségének növekedésével emelkedik, azonban a 10-12 mM-os tartományban nincs aggregáció. E mikrogélek esetében is megfigyelhető az abszorbancia érték csökkenése a 14-20 mM-os tartományban. Az ábrán jól látszik, hogy a különböző mennyiségű (PEO) 23MEMA makromonomert tartalmazó gélek kezdeti turbiditása (2 mM), az alkalmazott makromonomer mennyiségének emelkedésével csökken, ami arra utal, hogy a gérészecskék egyre több vizet tartalmaznak (csökken a törésmutató). Ebből arra következtethetünk, hogy a gél a (PEO)23-MEMA-tartalom emelkedésével egyre hidrofilebbé válik. Ez a tendencia tükröződik a C90P2Mx mikrogélek esetében is (16.ábra). A C90P2Mx hidrogélek 16.ábrán látható 25oC-on mért turbiditás görbéiről elmondható, hogy a C90P2M2,5, illetve C90P2M5 mikrogélek 10-12 mM-os tartományban nem stabilak,

aggregálnak, míg a C90P2M7,5, illetve C90P2M10 stabilak. A tapasztaltak arra engednek következtetni, hogy a (PEO)45-MEMA makromonomerek nagy mérete miatt, a beépülés a mikrogél részecskékbe kevésbé hatékony folyamat. A 25oC-on végzett turbiditás mérések arra utalnak, hogy a (PEO)n-MEMA makromonomerek segítségével lehetőség van olyan PEO-héj kialakítására a mikrogél részecskék felszínén, ami alkalmas a részecskék sztérikus stabilizásására. Ugyanakkor a DTAB jelenlétében mért viszonylag kis turbiditás értékek azt jelzik, hogy bár a tenzid kötődésének következtében csökkent a mikrogél részecskék duzzadása, a részecskék kollapszusára nem került sor. Ennek a jelentőségét az adja, hogy a kompakt kollapszált részecskék jóval nagyobb szegmens-sűrűsége miatt kollapszált részecskék között jóval nagyobb vonzó kölcsönhatás fellépése várható, mint a duzzadt részecskék esetén. Így elképzelhető, hogy míg a képződött PEO-héj hatékonyan stabilizálja a részecskéket 25oC-on duzzadt állapotban, magasabb hőmérsékleten, ahol a részecskék kollapszált állapotban vannak, már nem működik hatékonyan. Ezért a turbiditás méréseket megismételtük valamennyi mintán három napos 40oC-on végzett öregítést követően. Ezen a hőmérsékleten a semleges mikrogél térháló már kollapszált állapotban van, így a maximális vonzó kölcsönhatások fellépése várható a mikrogél részecskék között. Az 17. ábrán, a p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélek különböző hőmérsékleten mért tubiditás görbéi láthatók. A hőmérséklet megemelésével az enyhén csapadékos tartomány kiszélesedett (világos tartomány), illetve a csapadékos rendszer 10-12 mM-os tartománya a 4-6 mM-os értékekhez tolódott el. A csapadékos tartomány kisebb tenzid koncentrációkhoz tolódásának oka, hogy 40oC-on jóval nagyobb a tenzidek kötődésének hajtóereje a mikrogél részecskében, mint 25 oC-on, hiszen a kollapszált részecskék jóval hidrofóbabb közeget biztosítanak a tenzid molekulák számára, mint a duzzadt, vízben gazdag mikrogél részecskék.

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- X mol% (PEO)23-MEMA

0,7 0 mol% 2,5 mol% 5 mol% 7,5 mol% 10 mol%

0,6

Abszorbancia

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM] 15. ábra Különböző mol% (PEO)23-MEMA kopolimereket tartalmazó mikrogélek turbiditás görbéi

p(NIPAAm-co-AAc)-shell-[X mol% (PEO)45-MEMA]

0,7 0,6

0 mol% 2,5 mol% 5 mol% 7,5 mol% 10 mol%

Abszorbancia

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM] 16. ábra Különböző mol% (PEO)45-MEMA kopolimereket tartalmazó mikrogélek turbiditás görbéi

p(NIPAAm-co-AAc) o

t=25 C o t=40 C

2,5

Abszorbancia

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM]

17. ábra A p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélek különböző hőmérsékleten mért turbiditás görbéi

A (PEO)n-MEMA monomereket tartalmazó mikrogélek 40oC-on mért turbiditás görbéi láthatóak a 18., 19. ábrán. Az ábrákról leolvasható, hogy a turbiditás jelentősen megnövekedett, azaz a gél részecskék kollapszált állapotban vannak. Ami elsőként megállapítható, hogy szemben a p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélekkel, ezen esetekben a csapadékos tartományok nem tolódtak el a kisebb koncentrációk felé. Ez arra utal, hogy a mikrogéleknek a (PEO)n-MEMA felület miatt megnövekedett a hidrofilitásuk, tehát a tenzid kötődésének hajtóereje nem nőtt olyan mértékben a részecske kollapszusával, mint a (PEO)n-MEMA héjjal nem rendelkező mikrogélek esetén. A legtöbb esetben elmondható, hogy a felületi (PEO)23-MEMA láncoknak köszönhetően nincs jele fázisszeparációnak ezen a hőmérsékleten sem. A kivételt képező C 90P1M2,5 mikrogélek esetében enyhe turbiditás esés lép fel 14mM-os koncentrációnál, azonban számottevő csapadék itt sem ülepedett ki a rendszerben.

A

C90P2M5

mikrogélek

esetén

csapadékképződés

ugyanabban

a

tenzidkoncentráció tartományban volt megfigyelhető, mint ahol 25 oC-on. A C80P1M10 mikrogél viselkedése eltér a C90 mikrogélekétől, mind 25, mind 40 oC-on (20. ábra). A 25oC-on mért minta abszorbanciája enyhén növekszik, majd a DTAB koncentráció növelésével konstans értéket vesz fel. A 40oC-on mért minta esetében konstans érték után 14 mM-tól enyhén csökken a rendszer turbiditása.

A turbiditás mérési eredmények ismeretében 3 rendszer további vizsgálatával foglalkoztam. A p(NIPAAm-co-AAc) rendszert referencia rendszerként alkalmaztam a további mérések során. A C90P1M5 és C80P1M10 voltak azon rendszerek, melyek minden hőmérsékleten stabil rendszerként viselkedetek, illetve az utóbbi rendszert többitől eltérő viselkedése miatt vizsgáltam a továbbiak folyamán.

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- X mol% (PEO)23-MEMA 3,0

2,5

o

t=40 C 0 mol% 2,5 mol% 5 mol% 7,5 mol% 10 mol%

Abszorbancia

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM]

18. ábra Különböző mol% (PEO)23-MEMA kopolimereket tartalmazó mikrogélek turbiditás görbéi 40oC-on

p(NIPAAm-co-AAc)-shell-[X mol% (PEO)45-MEMA] 3,0

2,5 o

t=40 C 0 mol% 5 mol% 7,5 mol% 10 mol%

Abszorbancia

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM]

19. ábra Különböző mol% (PEO)45-MEMA kopolimereket tartalmazó mikrogélek turbiditás görbéi 40 oC-on

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA 2,0

Conv. 90% o t=25 C o t=40 C

Abszorbancia

1,5

1,0

0,5

0,0 0

5

10

15

20

cDTAB / [mM]

20. ábra A 90%-os konverziónál adagolt (PEO)23-MEMA-t tartalmazó minta turbiditás görbéi különböző hőmérsékleten

6.1.3. A mikrogél részecskék hőmérséklet érzékenysége A mikrogél részecskéket negatív hőmérséklet érzékenységgel rendelkező monomerek (NIPAAm) építik fel, így az előállított nanogélek adott hőmérsékleten (LCST) fázisszeparációra képesek. Mivel a gélkollapszus hőmérséklete nagymértékben függ a részecske által tartalmazott komonomerektől, a tisztított mikrogélek duzzadásának hőmérséklet függéséből megállapítható, hogy az akrilsav monomerek valóban beépültek-e a gél szerkezetébe. Mivel a (PEO)23-MEMA láncok szintén hatással lehetnek a részecske duzzadására, a mért hőmérsékletfüggés

görbékből

arra

is

következtethetünk,

hogy

a

(PEO)23-MEMA

makromonomerek is sikeresen belepolimerizálódtak-e a részecskébe.

p(NIPAm) p(NIPAm-co-AAc) p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 5 mol% (PEO)23-MEMA

900

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA

800 700

deff. / (nm)

600 500 400 300 200 100 25

30

35

40

45

50

55

60

65

o

t / ( C)

21. ábra Az előállított mikrogél részecskék méretének hőmérséklet függése

A 21. ábrán látható, hogy a p(NIPAAm) mikrogél részecske mérete hogyan változik a hőmérséklet emelésével. A részecske

esetben duzzadt állapotban van, a

hőmérsékletet növelésével elérve a kritikus hőmérsékletet (T~33 oC) a gél kollapszál, mérete hirtelen lecsökken, majd a hőmérséklet további emelésére nem változik. Az AAc hatására a

részecske duzzadása nagymértékben megnő, mely a mikrogél belsejében fellépő elektrosztatikus taszítás, és hidrofilicitás növekedésének eredménye. Látható, hogy az akrilsav tartalom hatására az LCST érték magasabb hőmérsékletek felé tolódik el. A p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélek kollapszált mérete közel azonos az akrilsavat tartalmazó és akrilsavat nem tartalmazó részecskék esetében. A hőmérséklet-függés görbék alapján megállapítható, hogy a keletkezett mikrogél részecskék tartalmaznak akrilsavat, tehát az előállítás sikeres volt. A (PEO)23-MEMA hatására a kezdeti duzzadás kisebb, mint a p(NIPAAm-co-AAc) latexeké. Ennek magyarázata, hogy a [(PEO)23-MEMA]-t nem tartalmazó részecskék egy AAcben gazdagabb kevésbé keresztkötött külső héjjal rendelkeznek, ami nagyon nagymértékű duzzadásra képes. A (PEO)23-MEMA láncoknak a részecskék felületi rétegébe való polimerizálásával a külső héj töltéssűrűségét csökkentettük, ami a részecske duzzadásának csökkenéséhez vezet. A kialakított (PEO)23-MEMA héj a kollapszus hőmérsékletét is megemeli. Pontosabban a mag kollapszus megindul T~33 oC környékén, de ez a folyamat a (PEO)23-MEMA héj miatt lelassul. Az 5 mol% (PEO)23-MEMA tartalmú mikrogélek esetében azonban kicsit magasabb hőmérsékleten a részecskék kollapszálnak, míg a 10 mol% (PEO)23MEMA tartalomnál a vizsgált hőmérséklet tartományban csak a részecske elnyújtott zsugorodása figyelhető meg. Ez azt sugallja, hogy a két részecske eltérő szerkezettel rendelkezik. Az 5 mol%-os részecskénél valószínűleg sikerült a felületen kialakítani egy héjat, ami főleg (PEO)23-MEMA láncokat tartalmaz, így ezek a kollapszust nem akadályozzák meg. Ez a feltevés megfelel annak a tapasztalatnak is, hogy a kollapszált részecskék mérete kicsit nagyobb a felületükön található (PEO)23-MEMA láncok miatt, mint a p(NIPAAm-co-AAc) mikrogéleké. A 10 mol% (PEO)23-MEMA-t tartalmazó latexek esetében a (PEO)23-MEMA monomerek egy viszonylag vastag héjat alakítanak ki. Ennek a héjnak a kollapszusát viszont megakadályozza a magas (PEO)23-MEMA tartalom (hidrofillé teszi). Az előállított mikrogélek elvileg monodiszperz rendszerek. Ennek ellenőrzésére a latex részecskéket tartalmazó oldatokat 40 oC-on 60 percen keresztül centrifugáltam 18000 rpm-es fordulatszámon, majd a rendszert állni hagytam szobahőmérsékleten egy napon keresztül. A centrifugálás hatására a kollapszált részecskék kiülepedtek az edények aljára. A centrifugálást követő állás során a hőmérséklet visszaesett, így a részecskék megduzzadtak, ami a monodiszperz mikrogélek rendeződését és kolloid kristályok kialakulását idézte elő. Arról, hogy valóban kolloid kristályok keletkeztek egyszerűen meglehetett győződni, mivel a

kolloid kristályban a rácssíkok távolsága a látható fény hullámhossz tartományába esik a kristályon bekövetkező Bragg-diffrakció következtében a fehér fénnyel megvilágított rendszer irizált (22. ábra). A kísérlet sorozat eredményeképpen tehát megállapítható, hogy a vizsgált mikrogélek mindegyike monodiszperz részecskéméret-eloszlással rendelkezik. A rendelkezésre álló idő szűkössége miatt a további vizsgálataimat csak a (PEO)23-MEMA-t nem tartalmazó és a 10 mol% (PEO)23-MEMA-t tartalmazó rendszereken végeztem.

22. ábra Előállított irizáló kolloid kristályok: 1.kép p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 5 mol% (PEO)23-MEMA 2.kép p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA 3.kép p(NIPAAm-co-AAc)

6.1.4. A mikrogél részecskék pH érzékenysége Az előállított mikrogélek az akrilsav tartalmukon keresztül pH érzékenységgel is rendelkeznek. A pH-nak a részecskék duzzadására gyakorolt hatását dinamikus fényszóródás mérések segítségével jellemeztük, állandó (10 mM) ionerősség mellett. A mérési eredmények a 23. ábrán kerültek összefoglalásra. Alacsony pH értékeknél a karboxilcsoportok protonálva vannak, így nem lép fel Coulomb-taszítás a rendszerben, a méret itt a legkisebb. Ha a rendszer pH-ját növeljük a –COOH csoportok disszociálnak, töltést nyernek, növekszik a szegmensek között fellépő taszítás, a méret ennek megfelelően növekszik. A pH-t emelve elérünk egy olyan pontot, ahol a részecskék átmérője nem növekszik tovább, mivel a legtöbb disszociációra képes csoport már ionos formában van jelen. A részecskék duzzadásának a rendszer rugalmassági modulusza szab határt. A 23. ábrán jól látszik, hogy az akrilsavas mikrogél méretének meghatározása csupán pH 6,5-ig történt. Ennek oka, hogy a szórt fény intenzitása olyan mértékben visszaesett a pH növelésével, hogy a méret

meghatározása csak nagy hibával lett volna lehetséges. A 23. ábra jól mutatja, hogy a szórt fény intenzitása nagymértékben csökkent a pH emelésével, ugyanis a gélek duzzadásával egyre több víz kerül a szerkezetbe, így a tömb fázis és a mikrogélek közötti törésmutató különbség (a kontraszt) a pH növelésével rohamosan csökken.

750

deff / (nm)

700 650 600 550 500 450 2

4

6

8

10

12

p(NIPAAm-co-AAc) p(NIPAAm-co-AAc)-shell-10 mol% (PEO)23-MEMA

normalt intenzitas / (kcps)

p(NIPAAm-co-AAc) p(NIPAAm-co-AAc)-shell-10 mol% (PEO)23-MEMA

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

2

4

6

8

10

12

pH pH 23. ábra A részecske méret (a) és szórt fény intenzistásnak (b) változása a pH függvényében

Vizsgáltam az előállított mikrogél részecskék elektroforetikus mobilitásának a pH függését is (24. ábra). Ezeket a méréseket szintén konstans (10 mM) ionerősség mellett végeztem. A mobilitás alacsony pH-nál kis negatív értéket vesz fel, aminek az a magyarázata, hogy a mikrogél részecskék felszínén az előállításnál használt iniciátor molekulák (nátriumperszulfát) fragmentumai is felhalmozódnak. Mivel ezek a csoportok (

) erős

elektrolitok, akkor is negatív töltést biztosítanak a részecskéknek, ha a karboxil-csoportok protonált formában vannak jelen. A pH-t növelve egyre nagyobb negatív értékű mobilitásokat kapunk, hiszen egyre több karboxil-csoport disszociál. Az ábrán jól látható, hogy a mobilitás pH 7-8 körül konstanssá válik, ugyanis ekkor már az összes karboxil-csoport disszociált állapotban van, a töltések száma nem növelhető tovább. A mobilitás görbék értelmezése során két folyamattal kell számolnunk. A pH növelésével egyre több csoport kerül szabad, ionos formába, mely növeli a mobilitást, hiszen megnövekszik a felületi töltéssűrűség. A másik folyamat a pH növelésével való méret növekedés, mely a DLS vizsgálatokból is egyértelműen látszik, ami viszont a mobilitás csökkenését vonja maga után. A kísérletileg meghatározott mobilitás görbe, ennek a két ellentétes hatású folyamatnak az eredménye.

p(NiPAAm-co-AAc) p(NiPAAm-co-AAc)-shell-10 mol% (PEO)23-MEMA

0,5

mobilitas / (mcm/Vs)

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

-2,5

2

4

6

8

10

pH

24. ábra Az elektroforetikus mobilitás változása a pH függvényében

6.2. Mikrogél részecskék és ellentétesen töltött tenzidek komplexeinek stabilitás vizsgálata A 25. ábrán látható a p(NIPAAm-co-AAc) hidrodinamikai méretének változása a DTAB koncentrációjának a függvényében. Az ábra alapján elmondható, hogy a p(NIPAAm-co-AAc) rendszer már nagyon kis mennyiségű tenzid hatására is (~0,2 mM) kollapszál (a méréseket 40 oC-on végeztem), de a részecskék egészen 2mM DTAB koncentrációig megőrzik kolloid stabilitásukat. A tenzid koncentrációjának további növekedésével azonban bekövetkezik a fázisszeparáció és csak közvetlen a cmc előtt (15 mM) keletkezik újra stabil kolloid rendszer. Ezek a tapasztalatok jól magyarázhatók a 27. ábrán látható elektroforetikus mobilitás adatok segítségével. Mint az ábrán is látható a tenzid koncentrációjának növelésével a részecskék mobilitása folyamatosan csökken, de csak 2mM-nál nagyobb tenzidkoncentrációk estén csökken olyan mértékben, hogy a részecskék elveszítsék kolloid stabilitásukat. Ennek oka, hogy az elektroforetikus mobilitás változásához két folyamat járul hozzá. Egyrészt a tenzid molekulák kötődése miatt csökken a felületen lévő töltések száma, másrészt a részecskék zsugorodása miatt nő a töltéssűrűség. Ennek a két hatásnak az eredője biztosítja, hogy a részecskék kollapszusát csak viszonylag kismértékű mobilitás változás kíséri. A kollapszust követően a tenzid molekulák egyre nagyobb mértékben adszorbeálódnak a részecskék felszínén a tenzid koncentráció növekedésével. Egy bizonyos mennyiség után

(~2mM) a felületi töltéssűrűség olyan kicsivé válik, hogy a rendszer nem képes fenntartani kolloid stabilitását és a részecskék aggregálódnak. Az aggregált állapot egészen addig megmarad, míg a DTAB koncentráció olyan naggyá nem válik, hogy a részecskék felszínén adszorbeálódott tenzid molekulák olyan mértékben át nem töltik a felszínt, ami már elég a stabilitás biztosításához (~14mM). A 26. ábra a p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA rendszer duzzadásának változását mutatja a DTAB koncentrációjának a függvényében. Amint az ábrán is látható ezek a mikrogél részecskék a teljes tenzidkoncentráció tartományban stabilak maradnak, annak ellenére, hogy az elektroforetikus mobilitásuk hasonló változásokat mutat, mint amit a p(NIPAAm-co-AAc) részecskék esetén tapasztaltam (25. ábra). Ezek alapján megállapítható, a terveknek megfelelően sikerült a részecskék felszínén egy olyan (PEO)23-MEMA héjat kialakítanom, ami stabilizálja a részecskéket kollapszált és felületi töltésektől mentes állapotukban is.

p(NIPAAm-co-AAc) 800

700

deff. / (nm)

600

500

Csapadékos tartomany

400

300

200 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

2

4

6

8

10

12

14

cDTAB / (mM)

25. ábra p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélek méretének változása az adagolt DTAB függvényében

p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA 600

deff. / (nm)

500

400

300 0

1

2

3

4

6

8

10

12

14

cDTAB / (mM)

26. ábra p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA mikrogélek méretének változása az adagolt DTAB függvényében

A 25. és 26. ábrán felfigyelhetünk még egy érdekes jelenségre. A DLS mérések azt mutatják, hogy a méret egy minimális érték elérése után újból növekedni kezd. Ez a jelenség valószínűleg a tenzid mikrogél belsejében való kooperatív kötődésének a következménye, ami újból elektrosztatikus kölcsönhatások megjelenéséhez és a részecske duzzadásához vezet. Mivel a részecske duzzadásával csökken annak törésmutatója, ez a tapasztalat megfelel annak, hogy turbiditás mérések során valamennyi rendszer esetén a turbiditás csökkenését lehetett megfigyelni nagy tenzidkoncentrációk esetén.

p(NIPAm-co-AAc) p(NIPAAm-co-AAc)-shell- 10 mol% (PEO)23-MEMA

Mobilitas / (mcm/Vs)

2

0

-2

-4 0

10

cDTAB / (mM)

27. ábra Az elektroforetikus mobilitás értékek változása a DTAB töménységének változásával

7. Összefoglalás Az elmúlt évtizedekben jelentős változásokon ment át a gyógyszeres kezelések megítélése és a figyelem mind inkább a hatóanyagok irányított célba juttatása és kontrollált kibocsájtása felé fordult. Ezeknek a céloknak az elérése érdekében számos különböző anyagot és nanostruktúrát fejlesztettek ki. A kifejlesztett új anyagok egyik legígéretesebb csoportja a környezetihatásokra érzékeny hidrogélek, melyek nem csak makroszkópikus méretű gél tömbök, hanem néhány száz nanométer átmérőjű, monodiszperz mikrogél részecskék formájában is előállíthatók. Amennyiben az előállított mikrogél részecskék töltéssel rendelkeznek, elvileg lehetőség van olyan hatóanyag komplexek létrehozására, melyek az ellentétesen töltött makromolekulák között fellépő kölcsönhatásokat használják ki a mikrogél/hatóanyag komplexek kialakítására és a hatóanyag kontrollált kibocsájtására. A mikrogélekkel képzett komplexek előállítása során azonban a kialakuló komplexek elveszítik kolloid stabilitásukat az őket stabilizáló elektrosztatikus kölcsönhatások megszűnése miatt, ami a komplexek aggregációjához és fázisszeparációjához vezet. Munkám távlati célkitűzése olyan fehérje-mikrogél komplexek kialakítása, melyek lehetővé teszik fehérje hatóanyagok irányított célbajuttatását. Ennek feltétele olyan mikrogél részecskék elállítása, melyek fehérje molekulákkal képzett komplexei megőrzik kolloid stabilitásukat. Munkám közvetlen célja annak vizsgálata volt, hogy (PEO)23-MEMA-

makromonomerek felhasználásával ellőállíthatóak-e olyan mikrogél részecskék, melyek rendelkeznek egy a komplex részecskék stabilitását biztosító (PEO)23-MEMA héjjal. Ennek érdekében első lépésként HPLC mérések segítségével vizsgáltam a p(NIPAAm-co-AAc) mikrogélek szintézisének kinetikáját és meghatároztam, hogy milyen reakció idő után célszerű a reakcióelegyhez adni a (PEO)23-MEMA makromonomereket. Ezek alapján két sorozat különböző hosszúságú (PEO)n-MEMA makromonomert tartalmazó mikrogél sorozatot állítottam elő. A mikrogélek makromonomer tartalma 2,5, 5, 7,5, illetve 10 mol% között változott. A minták közül a 10 mol% (PEO)23-MEMA-t tartalmazó mikrogél rendszerből előállítottam egy olyan rendszert is, ahol az adagolás 90%-os konverziónál történt, a többi minta esetében 95%-os konverziónál. Az előállított rendszerek kolloid stabilitását turbidimetriásan jellemeztem, így a mérések elvégzése után kiválaszthattam két olyan rendszert (5 mol%/95% konv.; 10 mol%/90% konv.) melyekre a további vizsgálatokat elvégeztem. Az előállított részecskéknek vizsgáltam a monodiszperzitását, illetve dinamikus fényszoródás és elektroforetikus mozgékonyság mérések segítségével a részecskék pH és hőmérséklet

érzékenységét.

Végül

tanulmányoztam

az

előállított

részecskék

komplexképzését és fázistulajdonságait egy ellentétesen töltött tenzid (DTAB) segítségével. Eredményeim alapján megállapítható, hogy sikerült kidolgoznom egy olyan egy lépéses szintézis eljárást, ami lehetővé teszi (PEO)23-MEMA héjak kialakítását hőmérséklet és pH érzékeny mikrogél részecskék felszínén, továbbá az így kialakított (PEO)23-MEMA héjak alkalmasak a mikrogél részecskék által képzett komplexek stabilitásának biztosítására széles hőmérséklet, pH és ionerősség határok között.

8. Irodalomjegyzék [1] Hoffman, A. S. Adv. Drug Deliv. Rev. 2002, 54, 3-12. [2] Drury, J. L.; Mooney, D. J. Biomaterials 2003, 24, 4337-4351. [3] DeRossi, D.; Kajiwara, K.; Osada, Y.; Yamauchi, A. Polymer Gels. Fundamentals and Biomedical Applications; Plenum Press: New York, 1991. [4] Dhara, D.; Nisha, C. K.; Chatterji, P. R. J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem. [5] Filipcsei Genovéva; polimergélek kolloid rendszerei (PhD disszertáció) 2001 [6] Pelton, R. Adv. Colloid. Interface Sci. 2000, 85, 1-33. [7] Shibayama, M.; Tanaka, T. Adv. Polym. Sci. 1993, 109, 1-62. [8] Inomata, H.; Goto, S.; Saito, S. Macromolecules 1990, 23, 4887-4888. [9] Eddington, D. T.; Beebe, D. J. Adv. Drug Deliv. Rev. 2004, 56, 199-210. [10] Wu, X. S.; Hoffman, A. S.; Yager, P. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 1992, 30, 2121-2129 [11] Chen, J.; Park, H.; Park, K. Polym. Mater. Sci. Eng. 1998, 79, 236-237 [12] Pelton, R. Adv. Colloid. Interface Sci. 2000, 85, 1-33. [13] Kaneko, Y.; Nakamura, S.; Sakai, K.; Aoyagi, T.; Kikuchi, A.; Sakurai, Y.; Okano, T. Macromolecules 1998, 31, 6099-6105. [14] Li, Y.; Tanaka, T. J. Chem. Phys. 1990, 92, 1365-1371. [15] Tanaka, T.; Fillmore, D. J. J. Chem. Phys. 1979, 70, 1214 - 1218. [16] Matsuo, E. S.; Tanaka, T. J. Chem. Phys. 1988, 89, 1695-1703. [17] Feher, J.; Filipcsei, G.; Szalma, J.; Zrinyi, M. Colloids Surf., A 2001, 183-185, 505-515. [18] Murdan, S. J. Control. Release 2003, 92, 1-17. [19] )Shiga, T. In Neutron Spin Echo Spectroscopy Viscoelasticity Rheology, 1997; Vol. 134, pp 131-163. [20] Roubeau, O.; Colin, A.; Schmitt, W.; Clerac, R. Angew. Chem.-Int. Edit. 2004, 43, 32833286. [21] Xulu, P. M.; Filipcsei, G.; Zrinyi, M. Macromolecules 2000, 33, 1716-1719. [22] Jones, C. D.; Lyon, L. A. Macromolecules 2003, 36, 1988-1993. [23] Jones, C. D.; Lyon, L. A. Langmuir 2003, 19, 4544-4547. [24] Varga, I.; Gilányi, T.; Mészáros, R.; Filipcsei, G.; Zrinyi, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9071-9076

SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE. Témavezető: Varga Imre egyetemi adjunktus. Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszék

Recommend Documents