Биоинженерия / Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

Рис. 3.23. Рентгеновские спектры ПОБ-со-ПОВ, синтезированного

Ralstonia eutropha B 5786,

с содержанием оксивалерата

58 и 63 мол. %;

Сх, соответственно, 54 и 51 % (Volova et al., 2002).

ном случае, оксивалерата, что не сказывается на соотношении аморфной и упорядоченной фаз и не влияет на кристалличность материала, несмотря на рост доли оксивалерата. .На рис. 3.23 представлены спектры сополимеров оксибутирата с включением оксивалерата свыше 50 мол. %.

Физико-механические свойства 3(ПОБ-со-ПОВ) отличаются от 3- ПОБ (таблица 3.7) и существенно зависят от соотношения мономерных фракций.

Как уже указывалось, важным моментом при анализе структуры и свойств гетерополимерных полиоксиалканоатов является вопрос о композиционном распределении мономерных единиц в них.

В отличие от гомополимерного ПОБ, в сополимерах оксибутирата и оксипропионата явления сокристаллизации фактически не про-

Таблица 3.7 Влияние содержания 3-оксивалерата на свойства сополимеров ПОБ-со-ПОВ

(Lee, 1996а)

130

исходит, а самостоятельные блоки поли(3-пропионата) не обнаружены в кристаллической фазе и составляют аморфные области с другой структурной единицей. Отсутствие сокристаллизации в данной системе связано, по-видимому, с большой разницей в молекулярной подвижности ячеек 3-ПОБ и 3-ПОП (Cao,1999). Обнаружено, что по мере возрастания содержания пропионата в полимере усиливается подавление кристаллизации; поэтому данный материал, аналогично, ПОБ-со-ПОВ менее кристалличен по сравнению с ПОБ. Установлено, что для формирования кристаллитов необходимо, чтобы в молекулярных цепочках подряд располагались не менее двух звеньев 3- гидроксибутирата. Необходимость этого можно понять с позиций существования неодинаковой молекулярной подвижности бутират- и пропионат-блоков.

Рентгеноструктурный анализ полимерных пленок, полученных поливом из растворов сополимеров 3-оксибутирата с 3– оксипропионатом с различным включением 3-оксипропионата (от 0 до 100 мол. %), показал, что образование кристаллической решетки имеет место только в сополимерах, у которых фракция 3-оксипропионата составляет свыше 43 мол. % (Shimamura et al., 1994; Doi et al., 1996).

Однако дальнейшее увеличение содержания 3-оксипропионата в сополимере свыше 43 мол. % мало влияло на параметры кристаллизации полимера. При увеличении пропионатной фракции от 0 до 67 мол. % степень кристалличности падала от 60 до 7 %. Предполагается, что это происходит в результате не включения оксипропионатных мономеров в решетку оксибутирата. Методом 13С ЯМР спектроскопии показано отсутствие явления сокристаллизации мономеров оксибути-

рата и оксипропионата (Ichikawa et al., 1996).

3.2.3. Сополимеры 3-ПОГ-со-3-ПОО

Другой тип ПОА, сополимеры оксигексаноата и оксиоктаноата, также относящийся к среднецепочечным полиоксиалканоатам, имеет довольно низкую температуру плавления и подобен эластичной резине (таблица 3.8). Сополимеры оксибутирата c оксигексаноатом имеет другие свойства. Например, степень кристалличности данных сополимеров снижается от 60 до 18 % по мере увеличения фракции оксигексаноата от 0 до 25 мол. %. Степень влияния мономеров осигексаноата на кристаллографические параметры сополимера незначительны, предположительно, в результате того, что единицы оксигексаноата не включаются в решетку оксибутирата. Скорость роста кристаллов в этом материале значительно снижается при увеличении оксигексаноатной фракции. Статистически случайное включение оксигексаноатных мономеров в сополимерную цепь оксивалерата резко снижает скорость размещения сегментов 3-оксибутирата при образовании кристаллических ламилей (Doi et al., 1995).

131

Таблица 3.8 Свойства полиоксиалканоатов различного состава (Lee, 1996 а)

Температурные свойства полиоксиалканоатов и кинетика кристаллизации определяют базовые физико-механические свойства. Включение в полимерную цепь 3-полиоксибутирата оксипроизводных жирных кислот различной структуры в качестве вторых сополимерных единиц кардинально меняет физико-механические свойства материала (Doi, 1990; Holmes, 19981). Семейство синтезированных и описанных к настоящему моменту ПОА включает как высококристалличные плотные полимеры, так и мягкие резиноподобные эластомеры. В принципе, большинство гетерополимерных полиоксиалканоатов являются термопластичными материалами. Однако температура плавления у различных типов ПОА варьирует от 50 до 180 С. Так, температура стеклования ПОА различного строения в зависимости от мономерного состава варьирует в широких пределах (рис. 3.24).

Выявлено, что температура плавления полимерных пленок, полученных поливом из растворов из сополимеров оксибутирата и оксигексаноата (3-ПОБ-со-3-ПОГ), снижалась от 177 до 52 С при увеличении фракции оксигексаноата от 0 до 25 мол. %; температура стеклования при этом падала от 4 до –4 С (рис. 3.24). Разрывная

Рис. 3.24. Зависимость температуры

стеклования (Тст) от фракционного состава

сополимеров 3-полиоксибутирата с другими мономерами: 1 – (3ПОБ-со-3ПОВ), 2 – (3ПОБ-со-3ПОГх), (3ПОБ-со-3ПГА), 3 – (3ПОБ-со-3ПОП),

4 – (3ПОБ-со-4ПОБ), 5 – (3ПОБ-со-6ПГГ)

(Sudesh et al., 2000).

132

прочность пленок из данного сополимера с увеличением фракции оксигексаноата от 0 до 17 мол. % падала от 43 до 20 МПа, а удлинение при разрыве возрастало от 6 до 85 % (Doi et al., 1995). Таким образом, с увеличением фракции оксигексаноата в сополимере 3-ПОБ- со-3-ПОГ пленки становятся более мягкими и эластичными.

Пленки, полученные аналогичным методом из другого типа ПОА

– сополимеров оксибутирата с оксипропионатом (3-ПОБ-со-3-ПОП), имеют другие термальные характеристики (Shimamura et al., 1994; Doi et al., 1996). С увеличением доли оксипропионата в сополимере от 67 до 100 мол. % температура плавления падает от 177 до 44°С и затем возрастает до 77 С. Температура стеклования сополимера снижалась от 4 до –19 С при увеличении доли оксипропионата от 0

до 100 мол. % (рис. 3.24).

Развитие работ по биосинтезу ПОА и применение методов параметрического управления биосинтезом в сочетании с молекуляр- но-генетическими методами позволяет в принципе иметь разнообразные типы полимеров, включая одно-, двух-, трех- и более компонентные сополимеры оксиалкановых кислот с различными физикохимическими и физико-механическими свойствами.

3.2.4. Трехкомпонентные ПОА

Полученные гомогенные образцы трехкомпонентных ПОА, содержащих 3-оксибутират (основной мономер) и в качестве вторых мономеров: кристаллизующийся (R)-3-гидроксигексаноат (ОГх); 4- оксибутират (ОБ) и некристаллизующийся 6-оксигексаноат (ОГ), ис-

следованы ренгенографически (Iwata and Doi, 1999; Iwata et al.,

1999). Каждый тип данных сополимеров показал наличие решетчатой морфологии, сходной со строением поли-3-оксибутирата. В дифрактограммах не обнаружено принципиальных различий дипространств между гомополимером оксибутирата и данными типами сополимеров. Авторы предполагают, что второй тип мономеров, входящих в состав материала, не кристаллизуется в решетку, а локализуются на ней.

Ламелярные структуры полимерных пленок, кристаллизованных из данных сополимеров при различной температуре изучены рассеивающей малоугловой ренгенографией (Abe et al., 1998). Показано, что при увеличении температуры кристаллизации от 60 до 130°С толщина ламелей поли-3-окибутирата возрастает от 5.3 до 8.2 нм. Толщина ламелей у других сополимеров, за исключением сополимеров 3-оксибутирата и 3-оксивалерата, меньше (1.6–3.5 нм). Напротив, у сополимеров 3-оксибутирата и 3-оксивалерата данный показатель был на уровне 4.0–10.8 нм и сходен с показателем у поли-3- оксибутирата. На рис. 3.25 представлена зависимость обратной величины толщины ламелей данных сополимеров от температуры

133

Рис. 3.25. Влияние температуры плавления различных ПОА на обратную величину толщины ламелей для полученных из расплава кристаллизованных пленок из:

1 – 3ПОБ;

2 – (3ПОБ-со-6 мол. % 3ПОВ); 3 – (3ПОБ-со-16 мол. % 3ПОВ); 4 – (3ПОБ-со 8 мол. % 3ПОГ); 5 – (3ПОБ-со-8 мол. % 4ПОБ); 6 – (3ПОБ-со-10 мол. % 6ПОГ); 7 – (3ПОБ-со-5 мол. % полилактида

(Abe et al., 1998).

плавления. У 3-ПОБ данная зависимость линейна; у сополимера оксибутирата с оксивалератом, имеющего более низкую температуру плавления, зависимость меняется в сторону снижения температуры при сходной толщине ламелей с увеличением доли оксивалерата. У другого типа материала – сополимеров оксибутирата с оксигексаноатами – область зависимости температуры плавления от обратной величины толщины ламели экстраполируется имеющейся зависимостью, полученной для гомополимера 3-оксибутирата, у которого более тонкие ламели.

У недавно идентифицированных (Madden et al., 2000) трехкомпонентных ПОА (рис.3.26), синтезированных R.eutropha, в зависимости от соотношения мономеров показано значительное изменение молекулярного веса. Плотность, а также температурные и механические свойства данных трехкомпонентных со-полиэфиров существенно зависят от соотношения мономеров (рис. 3.16; таблица 3.9).

Рис 3.26. 13С-ЯМРспектр сополимеров (3-оксибутирата-со-3- оксивалерата-со-4- оксибутирата)

(Madden et al., 2000).

134

Таблица 3.9 Влияние соотношения мономеров в трехкомпонентных полиоксиалканоатах

на молекулярную массу полимера (Madden et al., 2000)

Большинство из данных трехкомпонентных сополимеров характеризуются пониженной, в сравнении с 3-ПОБ, температурой плавления и имеют увеличенное время кристаллизации (рис. 3.27).

Так, период полукристаллизации составляет у разных образцов от 4 до 16 мин по сравнению с 0.5 мин для 3-ПОБ. При содержании в полимере 80 мол. % 3-ОБ и по 10 мол. % 3-ОВ и 4-ОБ механические свойства намного превосходят бинарные сополимеры 3-оксибутира- та и 3-оксивалерата.

Природные штаммы Pseudomonas oleovorans с использованием в качестве источника углерода различных алкановых кислот способны синтезировать среднецепочеченые гетерополимерные ПОА с включением в качестве мономеров оксикислот с числом атомов уг-

лерода в цепи от 6 до 12 (Kato et al., 1996).

Рис. 3.27. Зависимости температуры плавления (1), энергии кристаллизации (2) и периода полукристаллизации сополимеров(3) (3ОБ-со-3ОВ-со-4ОБ) от содержания 3-оксибутирата

(Madden et al., 2000).

135

В зависимости от фракционного состава этих среднецепочечных мономеров молекулярная масса, температура плавления и стеклования материала могут изменяться практически на порядок. Трансгенные штаммы Pseudomonas с клонированными генами синтеза ПОА из Ralstonia и других продуцентов короткоцепочечных ПОА способны синтезировать сополимеры 3-оксибутирата с разнообразными среднецепочечными оксикислотами (рис. 3.28) (Fukui et al., 1998), механические свойства которых могут быть, например, близкими низкоплотному полиэтилену (таблица 3.10).

Рис. 3.28. 100 МГц 13 С-ЯМР спектр среднецепочных ПОА, синтезируемых Pseudomonas sp 61-3 на октаноате (Fukui et al., 1998.)

Таблица 3.10 Свойства среднецепочечных ПОА (Matsusaki et al., 2000);

*фракция сополимеров оксикислот (6 мол. %) включает: 3-оксидеканоат (3 мол. %); 3-гидроксигексаноат (3мол. %); 3-гидроксиоктаноат (< 1мол. %)

и 3-гидроксидодеканоат (< 1 мол. %).

136

Разнообразные среднецепочечные ПОА получены при выращивании бактерий Ps. putida PGA1 на омыленных производных пальмового масла и жирных кислотах (Tan et al., 1997). В зависимости от состава жирных кислот используемого субстрата спектр мономеров в ПОА может быть представлен оксикислотами с длиной углеродной

цепи от С6 до С14 (рис. 3.29).

В таблице 3.11 дан состав и соотношение мономерных фракций в ПОА, синтезируемых P. putida PGA1 на разных углеродных субстратах.

Рис. 3.29. ЯМР спектры ПОА, синтезированных P.putida (Tan et al., 1997).

I – 67.8 МГц 13С ЯМР спектры сополимеров (ПОГ-со-ПОО-со-ПОД) в дейтерохлороформе при 27°С (А – олеиновая или меристиновая кислоты и В – омыленные производные пальмового масла) (даны только сигналы углеродных атомов, имеющих двойные связи в ненасыщенных мономерах);

II – 270 МГц 1Н ЯМР спектр ПОА, полученного при росте штамма на омыленных производных пальмового масла

Таблица 3.11

Состав многокомпонентных среднецепочечных ПОА,

синтезируемых P.putida PGA1 (Tan et al., 1997)

137

У данных образцов ПОА проанализированы температурные характеристики и определен молекулярный вес. Существенных различий в данных показателях между образцами, однако, обнаружено не было (таблица 3.12). Следует отметить, что по содержанию в ПОА основных фракций (С6, С8 и С10) образцы были довольно близкими; а остальные компоненты (С12–С14), присутствующие в минорных количествах, возможно, не оказывают из-за этого существенного влияния на измеренные параметры материала.

Охарактеризована серия трехкомпонентных сополимеров окси- бутирата-оксивалерата-оксигексаноата, синтезированных бактериями Ralstonia eutropha B5786, с применением хроматомасс-спектро- метрии, рентгена, сканирующей калориметрии и вискозиметрии.

На рис. 3.30 представлена хроматограмма и масс-спектры данных трехкомпонентных ПОА. Рентгеновские спектры трехкомпонентных ПОА, синтезированных R. eutropha, содержащих в качестве основного мономера оксибутират, а также включения оксивалерата и оксигексаноата, представлены на рис. 3.31.

Рис. 3.30. Хроматограмма, характеризующая химический состав трехкомпонентного ПОА, синтезированого

Ralstonia eutropha B 5786

(ПОБ-со-ПОВ-со-ПОГ) (пики метиловых эфиров β-оксибутирата (4.46), β- оксивалерата (6.16)

и β- оксигексаноата (7.82)

(Volova et al., 2002).

138

Рис. 3.31. Рентгеновские спектры ПОБ-со-ПОВ-со-ПОГ сополимеров с соотношением мономеров как: 98.0:0.7:1.3 и 96.4:1.3:2.6 мол. %.

Степень кристалличности образцов, соответственно, 72 и 73 %

(Volova et al., 2002).

В данных образцах, аналогично полиоксибутирату, доминирующей является кристаллическамя фаза. Степень кристалличности полученной серии трехкомпонентных ПОА составляет свыше 70 %.

Существенных различий температурных свойств у данных сополимеров по сравнению с гомополимером оксибутирата не выявлено (таблица 3.13). Молекулярный вес образцов имел значения в диапа-

зоне от 90 000 до 716 000 Da.

Таблица 3.13

Свойства коротко- и среднецепочечных полимеров,

синтезированных R. eutropha B5786 (Volova et al., 2002)

139