Synteza mikrosfer polimerowych - Zakład Chemii Polimerów ... · Cz ęść teoretyczna 1.1. Zagadnienia wprowadzaj ące Podstawowe poj ęcia z dziedziny chemii polimerów: monomer,

ZZaakkłłaadd CChheemmiiii PPoolliimmeerróóww

WWyyddzziiaałł CChheemmiiii UUMMCCSS ww LLuubblliinniiee

NNOOWWOOCCZZEESSNNEE MMAATTEERRIIAAŁŁYY II TTEECCHHNNOOLLOOGGIIEE

ĆĆwwiicczzeenniiee nnrr 11

SSyynntteezzaa mmiikkrroossffeerr ppoolliimmeerroowwyycchh

ćwiczenie opracowali: Łukasz Szajnecki

Marta Grochowicz

Lublin, 2011 r.

ZCHP

Synteza mikrosfer polimerowych

-1-

1. Część teoretyczna

1.1. Zagadnienia wprowadzające

� Podstawowe pojęcia z dziedziny chemii polimerów: monomer, mer, makromolekuła, polimer, tworzywo sztuczne

� Kryteria klasyfikacji i podział polimerów

� Mechanizm polimeryzacji rodnikowej z podziałem na etapy. Pojęcie transferu aktywności łańcucha. Najważniejsze inicjatory. Inhibicja

� Najważniejsze formy topologiczne polimerów. Funkcyjność

� Kopolimeryzacja i kopolimery: rodzaje kopolimerów i warunki ich powstawania (współczynniki reaktywności)

� Najważniejsze tworzywa sztuczne: metoda otrzymywania, wzór półstrukturalny monomeru (substratów) i meru. Nazwy handlowe, skróty, oznaczenia (symbole ułatwiające recykling)

� Charakterystyka techniki polimeryzacji emulsyjnej i suspensyjnej (perełkowej)

1.2. Mikrosfery polimerowe – otrzymywanie i zastosowanie

Mikrosfery polimerowe stanowią bardzo uniwersalną i rozpowszechnioną klasę materiałów polimerowych. Ze względu na różnorodność właściwości znajdują one bardzo liczne i niezwykle istotne zastosowania. Prostota technologii wytwarzania polimerów w postaci nano- i mikrosfer, a przede wszystkim możliwość olbrzymiego zróżnicowania właściwości fizykochemicznych możliwych do otrzymania układów jest głównym powodem wciąż rosnącego zainteresowania tą postacią materiałów polimerowych. Właściwości otrzymywanych kopolimerów - rzutujące na możliwości ich późniejszego zastosowania - są wynikiem odpowiedniego doboru substancji wyjściowych (monomery, odczynniki sieciujące) oraz

techniki i warunków prowadzenia procesu (obecność rozpuszczalników porotwórczych itp.). Ilość poznanych tworzyw sztucznych jest tak ogromna, a ich właściwości tak zróżnicowane, że ważnym zagadnieniem pozostaje zrozumienie wpływu poszczególnych czynników fizykochemicznych towarzyszących syntezie danego polimeru na właściwości otrzymywanego tworzywa sztucznego, które bezpośrednio rzutują na możliwości jego ewentualnych przyszłych aplikacji.

Rys. 1. Mikroskopowe zdjęcie (pow.×40) mikrosfer poli(MAn-co-DVB) otrzymanych w Zakładzie Chemii Polimerów UMCS

SSttrruukkttuurraa

SSkkłłaadd cchheemmiicczznnyy

WWłłaaśścciiwwoośśccii ZZaassttoossoowwaanniiee

DDooddaattkkii RRooddzzaajj

ssuubbssttaannccjj ii wwyyjjśścciioowwyycchh

TTeecchhnniikkaa pprroowwaaddzzeenniiaa

ppooll ii rreeaakkccjj ii

SSppoossóóbb pprrzzeettwwaarrzzaanniiaa

Rys. 2. Główne czynniki determinujące właściwości fizykochemiczne tworzyw sztucznych i decydujące o ich późniejszym zastosowaniu


-2-

Rys. 4. Miejsce nano- i mikrosfer w otaczającym nas mikroświecie.

0,05 0,2

3 20

0,1 10

20 2000

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Średnica sfer [µm]

Polimeryzacja suspensyjna

Polimeryzacja str ąceniowa

Polimeryzacja dyspersyjna

Polimeryzacja emulsyjna

W chwili obecnej znanych jest

wiele metod otrzymywania sferycznych cząstek polimerowych. Jednym z istotniejszych parametrów, na który wpływa dobór techniki syntezy, jest średnica uzyskiwanych cząstek. Średnice sfer polimerowych otrzymywanych obecnymi metodami wahają się najczęściej w granicach 50 nm - 2 mm. Oprócz doboru techniki, istotny wpływ na średnicę otrzymywanych ziaren wywiera również typ użytego stabilizatora oraz szybkość mieszania, kształt mieszadła i geometria reaktora.

Spośród innych metod otrzymywania sferycznych postaci polimerów wymienić należy

technikę ich wytrącania z roztworów za pomocą nierozpuszczalników oraz izolacji w wyniku usuwania fazy ciągłej z emulsji zawierającej roztwory polimerów.

Od chwili pierwszego zastosowania mikrosfer

polimerowych kopolimeru styrenu z diwinylobenzenem jako faz stacjonarnych w chromatografii gazowej w 1966 r. rozpoczęto intensywne badania nad syntezą nowych układów. Zaowocowały one licznymi innowacjami związanymi z wprowadzeniem i rozpowszechnieniem zastosowań mikrosfer polimerowych w medycynie i analityce medycznej, elektronice i technologiach informatycznych, chromatograficznych metodach analizy, technologii

chemicznej oraz biotechnologii. Oprócz zastosowań znanych od wielu lat (klasyczne wypełnienia kolumn GC i HPLC, nośniki katalizatorów, jonity) ciągłe prace w tej dziedzinie chemii polimerów prowadzą do coraz bardziej nowatorskich, a często i spektakularnych zastosowań.

Rys. 5 Mikroskopowe zdjęcie (pow. ×100) mikrosfer poli(MAA-co-EGDMA) otrzymanych w Zakładzie Chemii Polimerów UMCS

-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

pm nm Å µm mm cm dm m

Mrówka ~ 5 mm

Ludzki włos średnica ~ 60-120 µm

Erytrocyty ~7- 8 µm

DNA Średnica ~2 – ½ nm

log10(m)

Główka szpilki 1-2 mm

Mikromechanizmy 10 -100 µm

48 at. Fe na powierzchni Cu

średnica 14 nm

Podczerwień Nadfiolet Promieniowanie X Prom. γ Mikrofale Prom. radiowe

Nanosfery Mikrosfery

Mikroskop elektronowy

Mikroskop optyczny

Nieuzbrojone oko

Atom średnica ~100 pm

Virion 130-200 nm

Chip technologia „180 nm“

Płyta CD i DVD Odległość między ścieżkami CD - 1.6 µm, DVD - 740 nm

Rys. 3. Porównanie zakresów wartości średnic sferycznych form polimerowych otrzymywanych wybranymi metodami syntezy


-3-

1.2.1. Farmakologia – „inteligentne leki” Oprócz „klasycznego”

opakowania leków (blistry, butelki) układy polimerowe coraz częściej wykorzystywane są do bezpośredniej enkapsulacji leków i innych substancji aktywnych. Zastosowanie kapsułek i mikrokapsułek pokrytych ochronną warstwą polimerów pozwala na kontrolowanie procesu uwalniania substancji aktywnej, a przez to zapewnia jego lepsze działanie farmakologiczne oraz minimalizuje ewentualne skutki uboczne. Spośród licznych i coraz powszechniej spotykanych zastosowań tego typu układów warto wymienić:

� W przypadku leków podawanych drogą pokarmową – zamykanie substancji farmakologicznie aktywnych wewnątrz chitosanowych kapsułek lub powlekanie tabletek (np. aspiryna) kwaśnym ftalanem winylu lub octanu winylu - substancjami odpornymi na działanie kwasu solnego, natomiast pęczniejącymi i uwalniającymi lek w środowisku zasadowym (dwunastnica, jelita);

� Enkapsulacja leku (np. pilokarpiny - stosowanej w leczeniu jaskry) wewnątrz mikrosfer z octanoftalanu celulozy, które po wprowadzeniu pod powiekę oka, w środowisku zasadowym (pH łez = 7,2) żelują, a lek jest stopniowo uwalniany, przez co zostaje znacznie wydłużony czas działania dawki efektywnej;

� Zastosowanie do enkapsulacji polimerów biodegradowalnych (np. polilaktyd) pozwala na kontrolowane uwalnianie substancji aktywnych na powierzchni stentów i wszczepów, dzięki czemu spada ryzyko odrzucenia przeszczepu i wzrasta stopień biokompatybilności z tkankami.

Spośród licznych nowatorskich zastosowań mikrosfer polimerowych w medycynie, interesujące wydają się także pomysły syntezy mikrokapsułek, z powierzchnią których związane byłyby przeciwciała (np. wobec komórek nowotworowych). Rozwiązanie takie umożliwi selektywne kierowanie substancji cytotoksycznych lub cytostatycznych do komórek mających ulec zniszczeniu. Innym ciekawym pomysłem są mikrosfery „magnetyczne” – uzyskiwane po wprowadzeniu do polimeru cząstek magnetytu. Dzięki temu możliwe stanie się dostarczanie leków do określonego narządu dzięki zastosowaniu odpowiednio ukierunkowanego pola magnetycznego.

Kapsułka niepowlekana

Kapsułka powlekana

Żołądek Niepowlekana kapsułka ulega rozpuszczeniu Powlekana kapsułka pozostaje nienaruszona

Stopniowe pęcznienie i rozpuszczanie kapsułki

Jelito cienkie

Rozpad kapsułki i uwolnienie jej zawartości

Jelito grube

Rys. 6. Wchłanianie leku zamkniętego w powlekanej i niepowlekanej kapsułce

Rys. 7. Degradacja mikrosfer zawierających pilokarpinę w warunkach podwyższonego pH

Rys. 8. Przebieg zmian stężenia leku we krwi podczas tradycyjnego (A) i kontrolowanego (B) uwalniania

pH= 3.0 pH= 5.5

stez

enie

leku

dawka efektywna

dawka maksymalna

dawka efektywna

dawka maksymalna

czas

dawka dawka dawka

dawka

czas

,.st

ezen

ie le

ku

,.


-4-

1.2.2. Analityka medyczna

W dziedzinie analityki i diagnostyki medycznej nano- i mikrosfery polimerowe najczęściej pełnią rolę nośników substancji biologicznie czynnych. Spośród wielu aplikacji tych materiałów w badaniach biomedycznych do najbardziej znanych należą lateksowe testy aglutynacyjne wykonywane w celu rozpoznania infekcji wirusowych i bakteryjnych oraz chorób autoimmunologicznych. Pierwsze opisane zastosowanie testu lateksowego sięga 1956 r., kiedy to Singer i Plotz wykorzystali ideę wizualizacji reakcji immunologicznej za pomocą aglutynacji lateksowej do określenia obecności czynnika reumatoidalnego.

Lateksowe testy aglutynacyjne są jednym z wielu rodzajów testów

immunologicznych i jak wszystkie one – polegają na specyficznej reakcji antygenu ze swoistym przeciwciałem. Wytworzenie kompleksu immunologicznego powoduje dostrzegalną nieuzbrojonym okiem aglutynację układu (powstanie osadu). Wizualizacja przebiegu reakcji możliwa jest dzięki zastosowaniu mikrosfer polimerowych skoniugowanych z odpowiednim antygenem (do wykrywania swoistego przeciwciała) lub przeciwciałem (skierowanym przeciwko określonemu antygenowi).

Mikrosfery polimerowe wykorzystywane w testach lateksowych

otrzymywane są zwykle w reakcji polimeryzacji lub kopolimeryzacji prowadzonej techniką emulsyjną. Najczęściej stosowanymi monomerami są: styren, jego sfunkcjonalizowane pochodne (także wielowinylowe), monomery akrylowe, metakrylowe, winylopirydyna itd. Średnice syntezowanych w ten sposób sfer polimerowych wahają się w granicach 0,015 – 6 µm, co w pewnym zakresie pokrywa się z przedziałem

„wymiarów koloidalnych”. Przymiotnik „lateksowy” jest wyrazem podobieństwa otrzymanej emulsji mikrosfer polimerowych do koloidalnego roztworu kauczuku naturalnego zwanego lateksem naturalnym.

Przed zastosowaniem emulsji do lateksowego testu aglutynacji niezbędne jest

skoniugowanie (opłaszczenie) otrzymanych mikrosfer wybranym antygenem (lub przeciwciałem). Najprostszym, choć niepozbawionym wad, sposobem połączenia białka z powierzchnią syntetycznego polimeru jest jego pasywna adsorpcja. Znacznie lepsze rozwiązanie stanowi immobilizacja określonej proteiny za pomocą wiązania kowalencyjnego utworzonego ze sfunkcjonalizowaną powierzchnią polimeru.

Emulsja mikrosfer polimerowych ze skoniugowanymi antygenami w obecności

swoistego przeciwciała w czasie 10 min – 1 godz. ulega koagulacji (aglutynacji), przy czym jej stopień jest proporcjonalny do stężenia oznaczanego przeciwciała. Zastosowanie mikrosfer opłaszczonych określonym przeciwciałem pozwala w analogiczny sposób wykryć obecność swoistego antygenu.

Mikrosfery polimerowe opłaszczone określonym antygenem

Swoiste przeciwciało Powstanie kompleksów immunologicznych i aglutynacja układu

Rys. 9. Test aglutynacji lateksowej; wynik pozytywny (obserwowana koagulacja)


-5-

Chociaż wiele testów aglutynacyjnych jest

wykonywanych bez użycia dodatkowych przyrządów pomiarowych (wynik testu jest określany na podstawie obserwacji „gołym okiem”), to zastosowanie prostej aparatury (spektrofotometr, nefelometr) pozwala na

dokonanie ilościowej interpretacji uzyskanych wyników, a także znacznie poprawia czułość wykonywanych analiz.

Obecnie, stosując lateksowe testy aglutynacyjne, rutynowo diagnozuje się ok. 100

chorób zakaźnych. Do najbardziej znanych należą: � Reumatoidalne zapalenie stawów (gościec) – choroba o niejasnej etiologii –

prawdopodobnie wirusowa z jednoczesną reakcją autoimmunologiczną; � Wirusowe zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych – liczne patogeny wirusowe

i bakteryjne (np.. Streptococcus pneumoniae) – w ciężkich przypadkach – śpiączka, a nawet śmierć;

� Mononukleoza zakaźna - zakaźna choroba wirusowa prowadząca do groźnych

powikłań; � Choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy – głównym patogenem bakteria

Helicobacter pylori. Mlecznobiały kolor emulsji lateksowej jest często

modyfikowany w celu poprawy jednoznaczności uzyskiwanych wyników. Możliwość trwałego barwienia mikrosfer znacząco rozszerza granice ich aplikacji w diagnostyce, elektronice, biotechnologii, ochronie środowiska.

Oprócz klasycznych testów lateksowych (LAT) mikrosfery polimerowe stosuje się

również w testach immunoenzymatycznych (ELISA), do zatężania analitów metodą powinowactwa immunologicznego oraz w metodach rozdziału i identyfikacji substancji opartych na mechanizmie chromatografii powinowactwa immunologicznego. Mikrosfery polimerowe wykorzystuje się również w technikach wytwarzania biosensorów, biochipów oraz membran.

1.2.3. Elektronika : e-atrament i e-papier

Pomysł elektronicznego papieru narodził się w roku 1970.

Nicholas Sheridon pracujący wówczas w firmie Xerox zastanawiał się nad stworzeniem wyświetlacza, który w przeciwieństwie do ekranów telewizyjnych posiadałby cechy jak najbardziej upodabniające go do kartki papieru. Duży postęp w dziedzinie wyświetlaczy elektroforetycznych dokonał się na przełomie lat ’70 i ’80 ubiegłego stulecia. Niestety problemy z powstawaniem aglomeratów w czasie pracy prototypowych wersji takich

wyświetlaczy zbiegły się w czasie z szybkim rozwojem technologii ekranów ciekłokrystalicznych (LCD). Szybki rozwój zastosowań paneli LCD na wiele lat opóźnił postęp technologii e-papieru. Rozwiązaniem umożliwiającym dalszy rozwój e-atramentu stały się mikrosfery polimerowe. Enkapsulacja naładowanych cząstek barwnika we wnętrzu polimerowych mikrosfer (e-Ink) skutecznie zapobiegła problemowi aglomeracji i ogromnie uprościła wytwarzanie e-papieru.


-6-

Oprócz sposobu wyświetlania opartego na

elektroforezie naładowanych cząstek barwnika wytwarzanie obrazu na wyświetlaczu wykonanym w technologii e-papieru może być realizowane poprzez elektroforezę dwubarwnych mikrosfer (Gyricon), zmianę faz układów ciekłokrystalicznych (Liquid Crystal Institute) lub efekt Starka (NTERA).

Technologie rozwijane przez firmę E-Ink są oparte na zjawisku elektroforezy tj. ruchu naładowanych cząstek w polu elektrycznym. Miliony przeźroczystych mikrosfer polimerowych wypełnionych olejem i zawierających setki mikroskopijnych cząstek barwnika są umieszczone pomiędzy elektrodami. Przednia przeźroczysta elektroda jest

wspólna dla wszystkich komórek wyświetlacza, natomiast polaryzacja napięcia na tylnej, grafitowej elektrodzie (osobnej dla każdego segmentu) jest kontrolowana przez odpowiednie układy elektroniczne. Zmiana widocznej barwy każdej mikrosfery jest wywoływana impulsem elektrycznym na tylnej elektrodzie, pod wpływem którego następuje zgodna z wytworzonym polem elektrycznym orientacja cząstek barwnika.

Zastosowanie selektywnie barwionych mikrosfer polimerowych

w roli elektronicznego atramentu jest pomysłem o bardzo wielu potencjalnie ważnych zastosowaniach, tym bardziej, że wyświetlacze wykonane tą technologią łączą w sobie zalety kartki papieru i klasycznych paneli ciekłokrystalicznych. Najważniejsze cechy charakteryzujące e-papier to:

� Niewielka grubość (większość ok. 2 mm, niektóre tylko 0,3 mm)

� Niewielka masa (kilka, kilkanaście gramów)

� Elastyczność

� Wysoki kontrast z zachowaniem głębokiej czerni i neutralnej bieli

� Niski poziom odbijania promieniowania – brak potrzeby powlekania powierzchni warstwami antyrefleksyjnymi

� Bistabilność tj. raz wyświetlony obraz utrzymuje się bez jakiegokolwiek dodatkowego zużywania energii na jego podtrzymywanie (niewielkie zużycie prądu - od 10 do 100 razy mniejsze niż monitory LCD)

� Rozdzielczość (aktualnie 160 dpi)

� Wyświetlanie obrazów monochromatycznych, w skali odcieni szarości i kolorowych

� Krótki czas odświeżania (typowo 0,25 s; niektóre technologie - nawet 10 ms) Konieczność zastosowania układów elektronicznych i odpowiedniego

oprogramowania sterującego działaniem wyświetlacza pozwala na wprowadzenie, niezwykle istotnych z punktu widzenia funkcjonalności urządzenia, dodatkowych możliwości:

Rys. 10. Poprzeczny przekrój przez wyświetlacz wykonany w technologii E-Ink oraz zasada jego działania

Górna przeźroczysta

elektroda

Przeźroczysty płyn

Tylna grafitowa elektroda o

regulowanym potencjale

Naładowane ujemnie cząstki

białego barwnika

Naładowane dodatnio cząstki czarnego barwnika

stan jasny stan po średni stan ciemny (biały) (szary) (czarny)


-7-

� Duży rozmiar dostępnej pamięci (kilkadziesiąt książek i setki dokumentów w formacie txt, pdf, xhtml)

� Wyszukiwanie słów, tworzenie wirtualnych zakładek, sporządzanie notatek dowolnej długości

� Możliwość wyróżniania i powiększania wybranych fragmentów tekstu i obrazu

� Odtwarzanie wyświetlanego tekstu w formie audio

Dodatkowym atutem w przyszłości może okazać się atrakcyjna cena urządzenia – raz zakupiony czytnik może służyć do przeglądania wielu publikacji i w odróżnieniu od tradycyjnej książki nieistotne stają się koszty druku (szczególnie kolorowego), pośrednictwa i narzucanej marży - cena cyfrowego odpowiednika klasycznej publikacji będzie o 60 – 70% niższa.

1.2.4. Porowate mikrosfery polimerowe w chromatografii

Modyfikując odpowiednio proces syntezy mikrosfer polimerowych możliwe staje się wytworzenie mikrosfer porowatych, które charakteryzują się rozwiniętą powierzchnią właściwą (rzędu 100-1000 m2/g).

Jedną z metod syntezy polimerów porowatych jest polimeryzacja suspensyjna.

Stwierdzono, że skład jakościowy i ilościowy użytych komonomerów decyduje o chemicznej budowie otrzymywanych kopolimerów, natomiast warunki i sposób prowadzenia syntezy determinują ich strukturę porowatą. Wymienione parametry odgrywają kluczową rolę w mechanizmie rozdziału chromatograficznego.

W celu wytworzenia znacznej powierzchni właściwej uzyskiwanych w ten sposób

adsorbentów, do środowiska reakcji oprócz monomerów , inicjatora oraz stabilizatorów wprowadza się rozpuszczalniki organiczne lub ich mieszaniny, pełniące rolę odczynników porotwórczych (najczęściej stosowane w tym celu są alkany, węglowodory aromatyczne, alkohole alifatyczne i kwasy karboksylowe). Od rodzaju rozpuszczalnika, jego ilości, a w przypadku układów sol-nonsol także i stosunku objętościowego rozpuszczalników, zależy zarówno struktura, jak i objętość porów otrzymywanych produktów. Makroporowate kopolimery otrzymuje się w układzie nonsol, stosując rozpuszczalniki słabo solwatujące łańcuchy polimerowe w ilości 0,3 – 1 objętości termodynamicznie dobrego rozpuszczalnika na jedną objętość komonomerów. Zauważono, że kształt powstających porów wynika po części z budowy chemicznej cząsteczki użytego rozpuszczalnika. Również wytrzymałość mechaniczna ziaren kopolimerowych jest związana z ilością i rodzajem stosowanego rozpuszczalnika. Od stężenia użytego monomeru sieciującego zależy stopień usieciowania powstającego polimeru, co znajduje odbicie w jego właściwościach termicznych i mechanicznych, a także wywiera wpływ na rozmiar otrzymywanych porów.


-8-

Dzięki rozwiniętej powierzchni, porowate

mikrosfery polimerowe (PMP), znajdują liczne zastosowania. Jedną z ważniejszych aplikacji PMP jest chromatografia – najbardziej rozpowszechniona i jedna z najdoskonalszych metod analizy i rozdziału związków chemicznych. PMP sprawdzają się doskonale jako wypełnienia kolumn chromatograficznych (fazy stacjonarne) zarówno w chromatografii cieczowej (HPLC), jak i gazowej (GC). Klasyczne wypełnienia polimerowe pełnią rolę adsorbentów, na powierzchni których przebiega proces rozdziału chromatograficznego. Cząsteczki każdej substancji wchodzącej w skład (nieraz bardzo złożonej) mieszaniny oddziałują z powierzchnią fazy stacjonarnej (mechanizm adsorpcyjny) z różną siłą, a wynikiem tego jest obserwowany rozdział chromatograficzny. Siła oddziaływań fazy stacjonarnej z cząsteczkami analitu zależy przede wszystkim od właściwości chemicznych użytego adsorbentu – a te, dla wypełnień na bazie PMP można w razie potrzeby stosunkowo łatwo modyfikować.

S Ważną grupę PMP stanowią kopolimery styrenu (ST) z rozmaitymi, zdolnymi do

polimeryzacji, związkami chemicznymi. W porównaniu z odpowiednimi polimerami linowymi, usieciowane np. za pomocą diwinylobenzenu (DVB) kopolimery charakteryzują się znaczną odpornością chemiczną i termiczną.

Spośród wielu rodzajów kopolimerów szeroko stosowanych jako sorbenty

w technikach chromatograficznych na szczególną uwagę zasługują kopolimery kwasu metakrylowego (MAA) i dimetakrylanu glikolu etylenowego (EGDMA). Dzięki swoim właściwościom fizykochemicznym kopolimery na bazie poli(MAA-co-EGDMA) stały się uniwersalnym układem powszechnie wykorzystywanym w nowatorskiej technice wytwarzania wysoce selektywnych sorbentów polimerowych tj. syntezie polimerów imprintowanych (ang. Molecularly Imprinted Polymers – MIPs). Ideę specyficzności

Rys. 11. Idea rozdziału chromatograficznego z wykorzystaniem PMP jako fazy stacjonarnej w chromatografii kolumnowej

Stęż

enie

w e

luac

ie

Czas

Faza stacjonarna (adsorbent)

Faza ruchoma (eluent)

Analizowana próbka

(mieszanina)

ABCD AD BC

D A B C

C B A D


-9-

molekularnej, którą charakteryzowałby się określony sorbent względem określonej cząsteczki rozpatrywano od dłuższego czasu. Pierwsze prace, które można zakwalifikować do tego nurtu tematycznego ukazały się we wczesnych latach ’30 ubiegłego stulecia i dotyczyły preparatyki żeli krzemionkowych w obecności barwników alkilooranżowych (Dickey).

Specyficzność oddziaływania powierzchni polimeru z cząsteczkami jednej, wybranej

substancji chemicznej jest następstwem zaistnienia słabych oddziaływań pomiędzy molekułami „odciskanego” związku – tzw. templatem (a), a monomerem funkcyjnym (b) w początkowym etapie polimeryzacji (1). Obecność odczynnika sieciującego (c) i inicjatora (e) umożliwia wbudowanie związanych z templatem cząsteczek monomeru funkcyjnego w sztywną, trójwymiarową strukturę polimeru (2), natomiast rozpuszczalnik porotwórczy (d) zapewnia wytworzenie odpowiedniej struktury porowatej produktu. Po usunięciu cząsteczek templatu (ekstrakcja) powstała matryca polimerowa wykazuje zdolność odwracalnego wiązania cząsteczek związku użytego do wytworzenia odcisku molekularnego (3) bądź jego analogu strukturalnego. Technologia imprintowania molekularnego (MIT) pozwala projektować, syntezować i wykorzystywać materiały posiadające w swej strukturze obszary zdolne do rozpoznawania molekularnego określonych cząsteczek na podstawie ich kształtu, wielkości oraz budowy chemicznej.

Szczególną rolę w powstawaniu odcisku

molekularnego odgrywa dobór odpowiedniego monomeru funkcyjnego. Decydując się na zastosowanie określonego monomeru funkcyjnego należy mieć na uwadze budowę chemiczną cząsteczki – wzornika. Tylko zastosowanie monomeru „komplementarnego” w stosunku do właściwości imprintowanej molekuły daje szansę zaistnienia kluczowych oddziaływań i samoorganizacji układu prowadzącej do otrzymania odcisku molekularnego. Monomer funkcyjny, będąc związany (najczęściej niekowalencyjnie – np. wiązaniami wodorowymi) z molekułami templatu bierze aktywny udział w tworzeniu sieci polimerowej. Im większa jest ilość grup niezależnych oddziaływań pomiędzy wzornikiem a monomerem funkcyjnym, tym większe prawdopodobieństwo utworzenia dobrze wykształconego i poprawnie działającego odcisku molekularnego. Usunięcie cząsteczek templatu po zakończeniu procesu polimeryzacji odsłania puste przestrzenie na powierzchni wytworzonej matrycy, których topochemia ściśle dopasowana jest do molekuł tego związku rozmiarem, kształtem i właściwościami.

Te same oddziaływania, które odpowiadają za powstanie odcisku molekularnego

w trakcie polimeryzacji, warunkują możliwość wiązania w selektywny i odwracalny sposób (rozpoznawania molekularnego) cząsteczek określonego związku chemicznego – tego, dla którego dana matryca polimerowa została zaprojektowana.

Rys. 12. Schematyczny mechanizm syntezy molekularnie imprintowanych polimerów (wytwarzanie odcisku molekularnego w polimerowej matrycy)

(1) (2) (3) (a)

(b)

(c)

(e)

(d)

O

N

HH

HOH

O

HO

O

OH

O

HO

O

Rys. 13. Zasada rozpoznawania molekularnego


-10-

Uniwersalność technologii wytwarzania polimerów imprintowanych określonymi

molekułami (leki, pestycydy, cukry, nukleotydy, białka) wynika z możliwości łatwej modyfikacji właściwości otrzymywanych matryc poprzez dobór odpowiedniego monomeru funkcyjnego oraz właściwej techniki i warunków prowadzenia syntezy. Imprintowane sorbenty polimerowe wykorzystać można przy oznaczaniu „prawie każdego” spotykanego na co dzień związku chemicznego – od leków po pestycydy, od specyficznej sorpcji kationów metali, po cząsteczki wirusa mozaiki tytoniowej. Wypełnienia te są na tyle selektywne, że powalają rozpoznawać i różnicować enancjomery – szczególnie istotne w chemii leków.

Polimery imprintowane wkraczają z wielką dynamiką w wiele dziedzin chemii,

biochemii, biotechnologii, medycyny i ochrony środowiska. Technologię tą wykorzystuje się także do wytwarzania selektywnych membran i czujników (analogi biosensorów). Od chwili pierwszych prób zastosowania polimerów imprintowanych w technice SPE (Sellergren, 1994 r.) zaczynają być one coraz częściej i powszechniej używane jako selektywne sorbenty wybranych analitów ze skomplikowanych mieszanin i matryc (analiza żywności próbki biologiczne). Fazy stacjonarne MIPs cieszą się dużą i ciągle rosnącą popularnością w chromatografii cieczowej (HPLC), ich zastosowanie otwiera zupełnie nowe możliwości. MIP’s zwane są często syntetycznymi przeciwciałami. W porównaniu z klasycznymi immunosorbentami – wypełnienia na bazie MIP’s zachowują wszystkie zalety immunosorbentów przy jednoczesnym braku ich wad (zbliżony stopień selektywności, większa stabilność, wielokrotnie tańsze oraz łatwiejsze do przygotowania).

1.2.5. Mikrosfery polimerowe w protetyce

Tworzywa na bazie metakrylanu metylu (MMA) mają bardzo szerokie zastosowanie w stomatologii, a zwłaszcza w protetyce stomatologicznej. Służą głównie do wykonywania różnego typu protez ruchomych i stałych oraz są używane podczas wielu zabiegów klinicznych, np. podścielania protez, wykonywania koron i mostów tymczasowych lub indywidualnych szyn okluzyjnych. Jednym z półproduktów używanych do wytwarzania tworzyw akrylowych do zastosowań protetycznych są polimerowe mikrosfery poli(MMA). Procedura syntezy tworzywa akrylowego obejmuje przygotowanie mieszaniny reakcyjnej oraz jej polimeryzację. Mieszanina reakcyjna jest sporządzana w oparciu o dwa składniki: stały i ciekły. Składnik stały ma postać proszku i jest mieszaniną wspomnianych wcześniej mikrosfer poli(MMA), inicjatora polimeryzacji (w tym celu zwykle stosowany jest nadtlenek benzolu), barwników, plastyfikatorów oraz innych dodatków (np. ditlenek tytanu, suche włókna syntetyczne). Głównymi komponentami składnika ciekłego (płynu) są: metakrylan metylu (MMA) stabilizowany hydrochinonem, dimetakrylan glikolu etylenowego (EGDMA) oraz amina aromatyczna jako akcelerator procesu polimeryzacji. Polimeryzacja mieszaniny reakcyjnej może zostać zainicjowana termicznie. Podwyższenie temperatury (do ok. 74°C) powoduje dysocjację termiczną (rozkład) użytego inicjatora na rodniki. Rozkład inicjatora może zostać przyspieszony obecnością aminy aromatycznej. W trakcie polimeryzacji następuje przemiana łańcuchowego poli(MMA) w usieciowany kopolimer poli(MMA-co-EGDMA). Większość ciekłego MMA ulega wbudowaniu w strukturę powstającego kopolimeru – niewielka ilość pozostaje jednak w postaci niezmienionej jako tzw. monomer resztkowy. Obecność nieprzereagowanego MMA może odpowiadać za obserwowane niekiedy reakcje alergiczne oraz przyczyniać się do wzrostu toksyczności. Akrylany polimeryzowane w temperaturze pokojowej (w obecności aminy aromatycznej) zawierają większą ilość resztkowego monomeru w porównaniu z akrylanami polimeryzowanymi termicznie.


-11-

2. Część eksperymentalna


-12-

Wariant 1:

SSyynntteezzaa ppoorroowwaattyycchh mmiikkrroossffeerr ppoolliimmeerroowwyycchh

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest synteza porowatych mikrosfer polimerowych techniką emulsyjną lub suspensyjną w perspektywie ich wykorzystania jako wypełnień kolumn do chromatografii GC lub HPLC.

2. Wykonanie ćwiczenia

1.2.1. Odczynniki

Polimeryzacja

○ Wodny roztwór surfaktanta lub koloidu ochronnego ○ Monomer ○ Odczynnik sieciujący ○ Porotwórcza mieszanina rozpuszczalników ○ Inicjator polimeryzacji rodnikowej

1.2.2. Sprzęt

Synteza - przygotowanie fazy wodnej

• Kolba trójszyjna okrągłodenna o poj. 250 ml

• Chłodnica zwrotna wodna

• Termometr

• Zestaw do mieszania zawartości kolby (napęd elektryczny + element mieszający)

• Łaźnia powietrzna z regulatorem napięcia

• Cylinder miarowy o poj. 250 ml

Synteza - przygotowanie fazy organicznej

• Zlewka o poj. 50 ml

• Pipety wielomiarowe o poj. 5, 10 i 25 ml

• Pipety Pasteura (4 szt.)

• Bagietka szklana

• Lejek szklany

Sączenie

• Zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem

• Szalka Petriego

1.2.3. Sposób wykonania

A) Przed rozpoczęciem ćwiczenia prowadzący podaje szczegółowe informacje dotyczące:

− warunków prowadzenia syntezy (temperatura, czas trwania polimeryzacji),

− rodzaju używanego monomeru i odczynnika sieciującego,

− założonego stosunku molowego monomer : odczynnik sieciujący oraz teoretyczną masę produktu polimeryzacji,

− rodzaju oraz ilości pozostałych odczynników.


-13-

12

34

5 67

8

9

B) Zmontować zestaw aparatury przedstawiony na rysunku i przygotować środowisko polimeryzacji:

W kolbie okrągłodennej rozpuścić (na gorąco) określoną ilości koloidu ochronnego w zadanej ilości wody destylowanej. Ustabilizować temperaturę układu na żądanym poziomie. Poczekać do całkowitego rozpuszczenia dodanej substancji!

C) W oparciu o podany wcześniej względny stosunek molowy monomer : odczynnik sieciujący, molowe masy cząsteczkowe tych substancji oraz założoną masę produktu uzyskiwanego w czasie polimeryzacji, obliczyć niezbędne ilości (w gramach) monomeru i odczynnika sieciującego do syntezy.

D) W zlewce przygotować mieszaninę reakcyjną zawierającą odpowiednie ilości

monomeru i inicjatora:

Obliczone ilości poszczególnych substancji kolejno odważyć do zlewki, notując masę (z dokładnością 0,0001 g) każdego z dodanych składników, a następnie dodać określoną ilość wskazanych wskazanego inicjatora. Zawartość zlewki dokładnie wymieszać.

E) Rozpoczęcie procesu polimeryzacji:

Utrzymując zadaną temperaturę w kolbie, przy ciągłej pracy mieszadła mechanicznego, powoli wprowadzić zawartość zlewki do kolby poprzez lejek umieszczony w jednym z jej bocznych tubusów.

F) Utrzymując stałą temperaturę i szybkość obrotów mieszadła prowadzić polimeryzację układu przez podany czas.

G) Wydzielenie produktu z mieszaniny poreakcyjnej:

Po zakończeniu procesu polimeryzacji zawartość kolby przesączyć pod zmniejszonym ciśnieniem, a pozostałe na sączku mikrosfery przemyć obficie gorącą wodą destylowaną (do zaniku piany w odbieralniku). Otrzymany produkt wysuszyć i zważyć.

H) Wyznaczyć podstawowe parametry charakteryzujące strukturę porowatą

produktu tj. powierzchni właściwej, objętości porów i średniej średnicy porów.


-14-

Wariant 2:

SSyynntteezzaa mmiikkrroossffeerr ppoollii((MMMMAA)) oorraazz

uussiieecciioowwaanneeggoo kkooppoolliimmeerruu ppoollii((MMMMAA--ccoo--EEGGDDMMAA))

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest synteza mikrosfer polimerowych poli(MMA) techniką suspensyjną, a następnie inicjowany termicznie lub promieniowaniem UV proces sieciowania uzyskanego polimeru przy użyciu dimetakrylanu glikolu etylenowego (EGDMA), jako przykład otrzymywania materiałów protetycznych stosowanych w stomatologii.

2. Wykonanie ćwiczenia

1.2.1. Odczynniki

Synteza mikrosfer polimerowych ○ Woda destylowana ○ Koloid ochronny ○ Substancje do przygotowania roztworu buforowego ○ Monomer ○ Inicjator polimeryzacji rodnikowej

Sieciowanie polimeru

○ Mikrosfery poli(MMA) ○ Odczynnik sieciujący ○ Inicjator polimeryzacji termicznej ○ Inicjator polimeryzacji UV

1.2.2. Sprzęt

Synteza - przygotowanie fazy wodnej i mieszaniny buforującej

• Kolba trójszyjna okrągłodenna o poj. 250 ml

• Chłodnica zwrotna wodna

• Termometr

• Zestaw do mieszania zawartości kolby (napęd elektryczny + element mieszający)

• Łaźnia powietrzna z regulatorem napięcia

• Cylinder miarowy o poj. 100 ml



Synteza - przygotowanie fazy organicznej


• Szpatułka metalowa

• Pipeta wielomiarowa o poj. 10 ml


• Lejek szklany

Sączenie

• Zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem

• Szalka Petriego


-15-

12

34

5 67

8

9

Sieciowanie – polimeryzacja termiczna




• Probówki szklane

• Łaźnia wodna

• Szpatułka metalowa

Sieciowanie – polimeryzacja UV




• Forma do polimeryzacji

• Lampa UV

1.2.3. Sposób wykonania

A) Przed rozpoczęciem ćwiczenia prowadzący podaje szczegółowe informacje dotyczące:

− warunków prowadzenia syntezy (temperatura, czas trwania polimeryzacji),

− ilości używanego monomeru i odczynnika sieciującego,

− rodzaju oraz ilości pozostałych odczynników.

B) Zmontować zestaw aparatury przedstawiony na rysunku i przygotować środowisko polimeryzacji:

W kolbie okrągłodennej rozpuścić (na gorąco) określoną ilości koloidu ochronnego w zadanej ilości wody destylowanej. Ustabilizować temperaturę układu na żądanym poziomie. Poczekać do całkowitego rozpuszczenia dodanej substancji. Następnie dodać przygotowany wcześniej wodny roztwór buforowy.

C) W zlewce przygotować mieszaninę reakcyjną zawierającą odpowiednie ilości monomeru i inicjatora polimeryzacji:

Odważyć do zlewki określoną ilość monomeru, a następnie dodać określoną ilość wskazanego inicjatora. Zawartość zlewki dokładnie wymieszać.

D) Rozpoczęcie procesu polimeryzacji suspensyjnej:

Utrzymując zadaną temperaturę w kolbie, przy ciągłej pracy mieszadła mechanicznego, powoli wprowadzić zawartość zlewki do kolby poprzez lejek umieszczony w jednym z jej bocznych tubusów.

E) Utrzymując stałą temperaturę i szybkość obrotów mieszadła prowadzić polimeryzację układu przez podany czas.

F) Wydzielenie produktu z mieszaniny poreakcyjnej:

Po zakończeniu procesu polimeryzacji zawartość kolby przesączyć pod zmniejszonym ciśnieniem, a pozostałe na sączku mikrosfery przemyć obficie gorącą wodą destylowaną (do zaniku piany w odbieralniku). Otrzymany produkt zważyć.


-16-

G) Sieciowanie - kopolimeryzacja w bloku inicjowana termicznie:

Do zlewki zawierającej określoną ilość odczynnika sieciującego (lub monomeru) dodać zadaną ilość inicjatora polimeryzacji. Zawartość mieszać do całkowitego rozpuszczania inicjatora. Następnie dodać ustaloną ilość otrzymanych wcześniej mikrosfer poli(MMA). Otrzymaną kompozycję dokładnie wymieszać i przenieść do probówki. Mieszaninę reakcyjną ogrzewać w łaźni wodnej w temperaturze 80°C, przez 20 minut. Scharakteryzować wybrane właściwości otrzymanego produktu.

H) Sieciowanie - kopolimeryzacja w bloku inicjowana promieniowaniem UV:

Do zlewki zawierającej określoną ilość odczynnika sieciującego (lub monomeru) dodać zadaną ilość inicjatora polimeryzacji. Zawartość mieszać do całkowitego rozpuszczania inicjatora. Następnie dodać ustaloną ilość otrzymanych wcześniej mikrosfer poli(MMA). Otrzymaną kompozycję dokładnie wymieszać i przenieść do formy. Mieszaninę reakcyjną naświetlać promieniami UV przez 20 minut. Scharakteryzować wybrane właściwości otrzymanego produktu.

Lublin, 30 marca 2011 r.

Documents

Synteza mikrosfer polimerowych - Zakład Chemii Polimerów ... · Cz ęść teoretyczna 1.1. Zagadnienia wprowadzaj ące Podstawowe poj ęcia z dziedziny chemii polimerów: monomer,