Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание "умных" композиционных материалов с наноконтейнерами на основе микрогелей

Номер контракта: 14.575.21.0093

Руководитель: Иванов Дмитрий Анатольевич

Должность: Зав. лабораторией

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Настоящий проект посвящен разработке подходов для создания новых наноструктурированных наночастиц гидрогелей (микрогелей), содержащих гидрофобные нанодомены с контролируемыми размером и пространственным распределением внутри этих частиц. В рамках этого исследования такие комплесные микрогели будут синтезированы путем пост-модификации микрогелей амфифильными молекулами содержащими комплементарные функциональные группы, которые будут образовывать с полимерным каркасом микрогелей нековалентные связи. По сравнению с большиством систем для доставки лекарственных препаратов на основе мицелл или дендритных полимеров со структурой «ядро-оболочка», данная система обладает повышенной вододиспергируемостью и стабильностью в физиологических средах. Ожидается, что достигнутый контроль над гидрофобно-гидрофильным балансом частиц, их морфологией и распределением гидрофобных нанодоменов станет решающим фактором в оптимизации функциональных свойств микрогелей. В последние годы водные коллоидные микрогели стали очень важным классом полимерных систем за счет своей уникальной структуры и привлекательных свойств. Благодаря сшитому состоянию, внутренняя структура микрогелей отличается от таковой на поверхности не только доступностью веществ, присутствующих в окружающей водной среде, но и химической активностью. Большинство существующих систем доставки активных веществ являются либо мицеллами, состоящими из амфифильных молекул, либо системами типа ядро-оболочка. Последние могут состоять из гидрофобного дендритного ядра, окруженного гидрофильной полимерной оболочкой, или из гидрофобных (сшитых) звездчатых полимеров, покрытых гидрофильной короной. Общим недостатком этих систем является их относительно низкая растворимость в воде из-за низкого содержания гидрофильных групп. Кроме того, в присутствии абсорбата они склонны образовывать крупные агрегаты, в которых вещество не инкапсулировано, а адсорбировано на поверхности агрегатов. В рамках данного проекта мы собираемся решить эти проблемы, разработав оригинальные водные микрогели, содержащие внутренние гидрофобные нанодомены, которые смогут сохранять коллоидную стабильность в воде благодаря общей высокой гидрофильности. Целью работы является разработка композиций и технологии получения новых адаптивных композиционных наноматериалов на полимерной основе с микрогелями, обладающими способностью контролируемым образом реагировать на изменяющиеся внешние воздействия, изменяя свои инкапсулирующие свойства для создания нано-контейнеров для доставки и абсорбции активных веществ.

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящем проекте будет разработана методика получения композитов на основе микрогелей с заданной морфологией нанодоменов, структура которых управляется с помощью внешних воздействий. При этом данные микрогели имеют высокую растворимость в воде и не формируют агрегатов после инкапсулирования активных веществ. Основная стратегия проекта состоит в использовании молекулярной самосборки, происходящей в комплексах полимеров и амфифильных мезогенов, содержащих кислотные группы в своей полярной части. Подобное комплексообразование полимерных цепей и низкомолекулярных амфифилов, осуществляющееся с помощью нековалентных взаимодействий (ионные, координационные, водородные связи), становится все более распространенным инструментом при создании наноструктурированных композитов за счет простоты синтеза и структурного разнообразия получаемых материалов.
В соответствии с химической природой мезогенов, полимерный каркас микрогелей будет содержать основные группы, полученные реакцией сополимеризации N-винилкапролактама и сомономеров с основными группами, такими как винилимидазол, винилпиридин или 2-диметиламиноэтил метакрилат в присутствии бис-акриламида (сшивающее вещество). Оптимизация структуры микрогелей будет проводиться с помощью систематического варьирования количества связывающих основных групп в полимерной цепи, их положения (оболочка или ядро частиц микрогеля), а также взаимного распределения (статистическое или блочное). Введение дополнительных функциональных групп в структуру мезогенов, таких как, например, азобензол, позволит придать микрогелям также светочувствительные свойства. Кроме этого, варьирование химической структуры мезогенов позволит изучить ее влияние на степень набухания микрогелей в водной среде, коллоидную стабильность и чувствительность к температуре.
Описанная пост-модификация микрогелей при помощи супрамолекулярного комплексообразования является принципиально новым подходом для наноструктурирования микрогелей с помощью гидрофобных нанообластей. Описанная стратегия позволить создать системы с достаточно сложной структурой и оптимальным гидрофобно -гидрофильным балансом. При этом они смогут быть легко модифицированы с помощью технически несложной процедуры самосборки супрамолекулярных комплексов в воде. В связи с высокой чувствительностью к различным параметрам окружающей среды, микрогели обеспечат идеальную платформу для создания новых систем для инкапсулирования в нано- контейнерах различных активных веществ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В рамках данного проекта будут созданы новые композиционные микрогели на основе N-винилкапролактама, содержащих гидрофобные нанодомены, стуктура и свойства которых могут быть изменены под внешними воздействиями.
Водные микрогели со статистическим распределением основных групп будут приготовлены осаждением продуктов сополимеризации N-винилкапролактама (VCL) (главный мономер) и основного сомономера, такого как винилимидазол (VIM), винилпиридин (VP) или 2-диметиламиноэтил метакрилат (DMAEMA) в присутствии бис-акриламида (сшивающее вещество). В свою очередь, будут синтезированы также микрогели с блочным распределением основных групп, что должно привести к морфологии типа ядро- оболочка, в которой функциональные группы локализованы исключительно в центре или исключительно на периферии полимерных коллоидов. Синтез будет осуществляться методом затравочной полимеризации. Ранее нами использовались серии клиновидных амфифильных молекул, производных сульфоновой кислоты, которые способны образовывать колончатые мезофазы, для модификации микрогелей через формирование кислотно-основного комплекса. В данном проекте нами будет подробно изучено влияние структуры самоорганизующихся комплексов лиганд/полимер на свойства модифицированных микрогелей. Таким образом, будут синтезированы новые амфифильные производные сульфоновой кислоты с систематической вариацией химической структуры.
Амфифильные производные сульфоновой кислоты будут внедрены в микрогели через кислотно-основное взаимодействие. На первой стадии будет изучен перенос функциональных микрогелей из воды в органические растворители (например, в ТГФ). Перенос будет реализован путем медленного процесса диализа с использованием полупроницаемой мембраны или осаждения микрогелей при центрифугировании и повторной дисперсии в органическом растворителе. На втором этапе раствор производных сульфоновой кислоты будет добавлен к дисперсии микрогеля. Эти молекулы проникают внутрь микрогелей и связываются с основными группами под действием кислотно-основного взаимодействия с группами сульфоновой кислоты. Наконец, модифицированные микрогели будут перенесены обратно в воду с помощью диализа или процедуры осаждения / повторного диспергирования. На этом этапе амфифильные молекулы сульфоновой кислоты, присоединенные к полимерной цепи, должны образовывать гидрофобные нанодомены внутри микрогелей в силу гидрофобных взаимодействий. Микрогели, модифицированные амфифильными производными сульфоновой кислоты будут охарактеризованы разными физическими методами, таких как ИК-Фурье спектроскопия, методы микроскопии (ПЭМ, ПЭСЭМ, АСМ). Коллоидная стабильность микрогелей будет исследована с разделением в различных средах (вода, водные буферы, органические растворители). Будет определено влияние рН, температуры, ионной силы и типа растворителя на коллоидную стабильность модифицированных микрогелей. Микрогели будет характеризоваться методом димамического светорассеяния (DLS) с целью получить информацию о размере частиц микрогеля, об их распределении по размерам, а также о степени набухания в зависимости от рН или температуры. Измерения электрофоретической подвижности позволят определить поверхностный заряд микрогелей в зависимости от рН и температуры.
С использованием лабораторных и синхротронных источников рентгеновского излучения методом мало- и большеуглового рассеяния (SAXS и WAXS) будут детально изучены исходные и модифицированные микрогели. Ожидается, что эти исследования дадут наибольшую информацию о структуре микрогелей. С помощью SAXS и WAXS мы собираемся исследовать форму и структуру частиц микрогеля. Будет контролироваться формирование гидрофобных нанодоменов, сформированных в результате комплексообразования полимера с амфифильными молекулами и их последующей самоорганизации. Исследования методом рентгеновской дифракции для случая модифицированных микрогелей с различной степенью замещения дадут необходимую информацию о типе образовавшейся жидкокристаллической фазы и ее количестве (т.е. степени мезоморфичности), а также о размере и внутреннем порядке в самоорганизующихся нано-доменах. Ожидается, например, что число боковых алкильных цепей, присоединенных к ароматической сердцевине (две или три) и степень замещения может менять структуру жидкокристаллической фазы из смектической в колончатую. Кроме того, ожидается, что длина алкильных цепей будет заметно влиять на внутреннее устройство и характерные параметры решетки в этих частично упорядоченных гидрофобных областях. В экспериментах по рентгеновскому рассеянию при повышенной температуре на синхротронном источнике будет исследоваться термическая стабильность и термически- индуцированные фазовые переходы самоорганизующихся нано-доменов.
Будет изучена способность к инкапсулированию гидрофобных молекул пост-модифицированными микрогелями. В качестве модельного соединения для оценки инкапсуляционных свойств модифицированных микрогелей мы будем использовать гидрофобный краситель Нильский Красный (Nile Red). С помощью УФ и флуоресцентной спектроскопии будет изучен процесс инкапсулирования гидрофобного флуоресцентного красителя Нильского Красного в микрогелях. Будет также исследовано влияние количества и внутренней структуры (используемых типов амфифильных молекул) гидрофобных областей в структуре микрогеля на инкапсулирование красителя. Будут выполняться дополнительные эксперименты по изучению поглощения красителя при различных температурах для того, чтобы оценить вклад гидрофобной агрегации сегментов поли(винилкапролактам) при температурах выше температуры объемного перехода. Будет изучено влияние размера микрогеля, степени сшивания, уровня загрузки амфифильных молекул сульфокислот, а также распределение по объему и структура гидрофобных областей на их адсорбционную способность. Для лучшего понимания процесса адсорбции будет проведен эксперимент по рентгеновской дифракции с использованием синхротронного источника. В эксперименте мы будем контролировать структурные изменения, происходящие в микрогелях при поглощении органических молекул. Ожидается, что массовая доля поглощенных молекул в геле будет значительно влиять на порядок жидкокристаллической фазы, образованной амфифилами.
Предполагается, что микрогели, модифицированные молекулами, содержащими группу азобензола, будут изменять внутреннюю структуру при облучении УФ-светом. При комнатных условиях азобензол существует в основном в более стабильной и более вытянутой транс-конформации. Облучение УФ-светом приводит к образованию большой доли цис-изомера, который может вернуться в транс-состояние при нагревании или при облучении видимом светом. Это изменение молекулярной геометрии будет, разумеется, влиять на фазовую структуру, плотность упаковки и внутреннюю структуру гидрофобных доменов в микрогелях, и последовательно, на адсорбционную способность микрогелей. Таким образом, в рамках этой части работы будут охарактеризованы микрогели до и после облучения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Технологии производства нанокомпозитов, разрабатываемые в проекте, позволят сократить издержки производства систем доставки активных веществ различного типа. Развитие данных технологий в перспективе позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду в районах нефте- и газодобычи за счет удаления даже свехмалых концентраций вредных веществ из сточных вод.
К потенциальным потребителям разрабатываемых изделий относятся флагманы российской нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности (Роснефть, Лукойл), а также производители систем очистки сточных вод (СБМ-групп, Huber Technology и другие).
Для внедрения результатов проекта необходимо реализовать следующие мероприятия:
1) маркетинговые исследования потребностей рынка;
2) генерация идей и их фильтрация;
3) техническая и экономическая экспертиза проекта;
4) научно-исследовательские работы по тематике продукции;
5) опытно-конструкторская работа и/или опытно-технологическая работа;
6) пробный маркетинг;
7) подготовка производства продукции на промышленном заводе-изготовителе серийной продукции;
8) производство и сбыт.
В настоящее время имеется информация по п.п. 1-3: обоснована востребованность на рынке РФ новых "умных" материалов; сформулированы идеи реализации технологии; показана принципиальная техническая возможность получения гидрогелей и нанокомпозитов.
К комплексу научно-технической подготовки производства можно отнести пункты 4-7. В ее рамках будут выполнены следующие действия:
разработка новой технологии, исследование полученных опытных образцов, проведение комплекса работ по внедрению разработанной технологии на предприятии индустриального партнера, а также будут выработаны рекомендации по внедрению разработанной технологии для других потенциальных потребителей продукции, с учетом особенностей используемой технологической цепочки.
Текущие результаты проекта были представлены на двух конференциях и вызвали большой интерес у аудитории, в следующем году также планируется участие в конференциях и выставках.

Текущие результаты проекта:
В результате проведенных работ были выполнены все запланированные и задачи.
Был проведен аналитический обзор информационных источников. По результатам полного анализа и обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы и научных информационных источников был сделан вывод об уникальности выбранной тематики и эффективности применения водных микрогелей в различных областях, например, таких как фармацевтика и очистка продуктов нефтеперерабатывающих производств. Был проведен детальный анализ исследований различных свойств микрогелей, таких как набухание в различных растворителях, электрические и магнитные свойства. Установлено наличие рН- и термо-чувствительности водных микрогелей, что является одними из самых простых и доступных механизмов контроля конечной структуры и функций полученных микрогелей. В разделе 1 было показано, что водные микрогели позволяют решить проблему относительно низкой растворимости в воде часто используемых веществ для адресной доставки лекарств благодаря сохранению коллоидной стабильности в воде. Возможность инкапсулирования различных соединений была подтверждена многочисленными работами.
Было проведен анализ патентной чистоты исследуемой тематики. В ходе анализа патентов Российской федерации, Европейского Союза и Китая, а также международных заявок и патентов-аналогов было выявлено незначительное количество изобретений, описывающих микрогели, пригодные для удовлетворения промышленных нужд. Все патенты и их способы изготовления не обладают такой же простотой и выгодой с экономической точки зрения по сравнению с предлагаемым изобретением. Таким образом, был сделан вывод, что ожидаемые в проекте результаты обладают патентной чистотой и не имеют аналогов, как в Российской Федерации, так и за рубежом.
Была проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований. На основании анализа были выбраны как объекты исследований, так и экспериментальные методы для комплексного анализа структуры, термочувствительности, электролитической подвижности, влияния внешних условий на свойства исследуемых объектов, а также возможности инкапсулирования наночастиц микрогелей.
Для создания водных микрогелей были синтезированы лиганды на основе амфифильных молекул. Анализ синтезированных лигандов был проведен при помощи 1H и 13C ЯМР – спектроскопии, ИК – спектроскопии и элементного анализа и подтвердили чистоту полученных соединений. Возможность контроля структуры и процесса самоорганизации амфифильных молекул позволит на следующих этапах управлять структурой и свойствами полученных микрогелей.
Были проведены разработка и исследование вариантов возможных решений задач получения адаптивных композиционных наноматериалов с изменяющимися под воздействием внешних факторов функциональными свойствами. На основе полученных данных был произведен выбор оптимальных вариантов решения данной задачи. Особенности химического строения водных микрогелей, функционализированных амфифильными лигандами, позволят при помощи УФ-облучения, изменения температуры окружающей среды и атмосферы насыщенных паров растворителей с различной полярностью управлять и контролировать свойства новых АКНМ. Благодаря сохранению коллоидной стабильности в воде водные микрогели являются отличными претендентами для адресной доставки лекарств или других активных веществ. Фоточувствительность, обусловленная наличием азо-бензольных групп в новых АКНМ, позволит стимулировать изменения функциональных свойств при помощи УФ-облучения. Жидкокристаллическая структура водных микрогелей предоставит возможность инкапсулирования различных веществ.
Для создания водных микрогелей были синтезированы статистических и блок-сополимеров поли-N-винилкапролактама (PVCL) и винилимидазола (VIM). Возможность контроля структуры и процесса самоорганизации амфифильных молекул позволит на следующих этапах управлять структурой и свойствами полученных микрогелей.
Используя полученные на предыдущих этапах проекта полимеры и низкомолекулярные мезогены, была разработана лабораторная методика получения новых АКНМ на полимерной основе с микрогелями. Установлены основные параметры, отвечающие за формирование микрогелей и их стабильность. Используя данную лабораторную методику, были получена серия образцов АКНМ на основе статистических и блок-сополимеров PVCL и VIM. Для полученных образцов была разработана методика анализа их структуры и фотооптических свойств с использованием комплекса современных экспериментальных методов, позволяющих оценить их адаптивные свойсва.
В рамках привлечения средств Индустриального партнера было разработано программное обеспечение и программная документация для компьютерного моделирования структуры микрогелей позволяющая предсказывать характер и величину отклика новых АКНМ на внешние воздействия. Программный комплекс реализован в виде пользовательского расширения для компьютерной среды Igor Pro. Индустриальным партнером была разработана эскизная конструкторская документация на установку для исследования фотооптических свойств экспериментальных образцов АКНМ. Также Индустриальный партнер провел изготовление, пуск-наладку и испытания установки для исследования фотооптических свойств экспериментальных образцов АКНМ. Также на средства Индустриального партнера был изготовлен стенд для участия в мероприятиях по освещению результатов ПНИ в рамках 57-ой научной конференции МФТИ и проведен научно-практический семинар с использованием уникальных научных установок и установки для изучения фотооптических свойств образцов АКНМ.