Биоинженерия / Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

зует кристаллизационное поведение материала. Добавление нуклеирующих агентов ведет к увеличению области кристаллизации и области этого пика.

Одна из идей оказания влияния на скорость процесса кристаллизации полимеров – например, использование нитрида бора (Withe and Hay, 1999). Установлено, что помимо нитрида бора, на увеличение скорости зародышеобразования кристаллической фазы полимера оказывают влияние также сахарин и фталимид, микрочастицы талька и слюды, мел, карбонат кальция и гидроксиапатит кальция (Webb, 1998). Нитрид бора широко используют в качестве нуклеирующего агента для ПОБ и других полиоксиалканоатов. Эффективным нуклеирующим агентом в водных растворах является NH4Cl. Нитрид бора, который способен увеличить температуру кристаллизации до 110–130°С, оказался наиболее подходящим компонентом для кристаллизации полиоксиалканоатов. Недостатком нитрида бора является лишь то, что этот реагент не подвержен биодеградации. Поэтому в качестве кристаллизатора к подготовленному заранее расплавленному сополимеру ПОБ-со-ПОВ можно добавлять чистый полиоксибутират, влияние которого на начало и температурный диапазон кристаллизации аналогичен нитриду бора. Добавление ПОБ способствует появлению значительного количества сферолитов, своеобразной полимерной текстуры (Webb, 1998). Методом локальной инфракрасной спектроскопии было показано, что излишки кристаллизационных агентов вытесняются из кристаллизованных сферолитных областей в область фронта кристаллизации, а по сечению сферолитов образуются многофазные системы, включающие сахарин, фталимид или BN.

В работе (Liggat, 1999d) в качестве ядер кристаллизации сополимера ПОБ-со-ПОБ (с включением оксивалерата 12 мол. %), имеющего температуру плавления (Тпл) 149.9°С, исследованы кристаллы 3-ПОБ. При внесении 5 % (по массе) кристаллов ПОБ температура кристаллизации сополимера снижалась до 88.7°С, и теплота кристаллизации составила 45.7 Дж/г; при 1 p.h.r. внесении кристаллов 3-ПОБ температура кристаллизации составила 70.3°С, а теплота кристаллизации – 41.9 Дж/г. В отсутствие кристаллов 3-ПОБ температура кристаллизации не определялась. Автором показано, что для сополимера 3-ПОБ-со-3-ПОВ с высоким содержанием оксивалерата более эффективным нуклеирующим агентом в сравнение с нитридом бора является смесь циклогексилфосфоной (ЦГФК) кислоты и стеарата цинка (СЦ). Так, при внесении 0.10 p.h.r. ЦГФК и 0.385 p.h.r стеарата цинка к ПОБ-со-ПОВ (включение оксивалерата 22мол. %) в сравнении с добавлением 1 p.h.r. нитрида бора при температуре 80°С время полукристаллизации и пик ½ теплоты кристаллизации в обоих случаях были сходными и составили, соответственно, 1.26 и

160

1.39 мин. и 19.85 и 19.26 Дж/г. Однако при температуре кристаллизации 50°С время полукристаллизации для смеси ЦГФК/СЦ составило 0.40 мин. против 3.91 мин. при использовании нитрита бора; а пик ½ теплоты кристаллизации составил 47.09 против 11.73 Дж/г, соответственно. Таким образом, при более низкой температуре кристаллизации исследованная смесь существенно ускоряет скорость кристаллизации сополимера и улучшает энергию кристаллизации. Применение ПОА с более высоким содержание оксивалерата, возможно, позволит использовать более низкие температуры для плавления и более короткие по времени циклы. Однако для сополимеров с низким содержанием оксивалерата оба типа нуклеирующих агентов одинаково влияют на параметры процесса кристаллизации (Herring and Webb, 1990).

Недавно в качестве нуклеирующих агентов исследованы органофосфорные соединения, имеющие на концах 2 остатка фосфоновой кислоты, служащие нуклеирующими агентами и обеспечивающие получение продуктов высочайшей чистоты Так, при внесении 0.2 p.h.r. 1-гидроксиэтилидендифосфоновой кислоты в сополимер ПОБ-со-ПОВ (3 мол. % оксивалерата) получено снижение температуры кристаллизации до 78°С при теплоте кристаллизации 55 Дж/г. Комбинация данного агента со стеаратом кальция или магния также хороша в качестве нуклеирующего агента (Asrar and Pierre, 1999).

4.2.2. Роль пластификаторов

Применение мономерных полимерных пластификаторов при переработке полиоксиалканоатов позволяют улучшить свойства полимеров и изделий в результате, как установлено, инициации вторичной кристаллизации (таблица 4.2). Пластификаторы, оказывая влияние на реологические свойства расплавов полимеров, позволяют в отдельных случаях облегчить процедуру переработки расплавов.

Таблица 4.2 Влияние пластификаторов на физические и механические свойства

полиоксибутирата (Ishikawa et al., 1991)

ГТА – глицеролтриацет, ГТБ – глицеролтрибутират, ГМС – глицеролмоностеарат, ГТФ – глицеролтрифосфат

161

Установлено, что для ПОБ и ПОБ-со-ПОВ в качестве пластификаторов могут быть использованы: 1) высококипящие эфиры ряда основных кислот (фталаты, изофталаты, цитраты, фумараты, глютамат, фосфаты или фосфиты); 2) высококипящие эфиры полиоксиспиртов, особенно, гликоля, полигликоля и глицерина и 3) ароматические сульфонамиды. Для получения достаточно прочных, не слишком хрупких частиц полимеров, например ПОБ, достаточно применение данных пластификаторов в количестве 6–12 p.h.r. (вес/к весу)

(Ishikawa et al., 1991) (таблица 4.2).

Глицеролтриацетат (триацетин) и глицеролтрибутират являются эффективными пластификаторами для ПОБ и ПОБ-со-ПОВ. С применением ЯМР 13С установлено, что подвижность 3-ПОБ цепи возрастает при добавлении триацетина, однако последний из-за высокой летучести легко испаряется при плавильном процессе, а также в ходе хранения полимерных изделий. Поэтому мономеры пластификатора со временем элюируют, что сопровождается ухудшением свойств изделий. В качестве пластификатора для ПОА использован ацетил-3-N-бутил цитрат, и показано, что его применение эффективно (Hammond et al., 1994). Выявлено также, что ди-N-бутил фталат обладает высоким пластифицирующим эффектом по отношению в 3- ПОБ, и его применение позволяет снизить температуру стеклования материла от 8 до –90°С (Gassner and Owen, 1994). В присутствии данного пластификатора ПОБ способен кристаллизоваться при комнатной температуре. Энтальпия коррелирует со снижением доли ПОБ в смеси, вследствие этого способность полиоксибутирата кристаллизоваться не снижается в присутствии пластификатора. Так, при 39 % содержании пластификатора температура плавления полимера снижается от 175–185 до 150°С. Хорошим пластифицирующим эффектом обладают также полиэфиры и эпоксидированное соевое масло (Hammond et al., 1994). Недавно описан ряд олигоэфиров, способствующих совместимости ПОА с другими деградируемы-

ми полиэфирами (Asrar and D'Haene, 2001a, b).

4.2.3. Реология расплавов ПОА и ее влияние на переработку

Одним из ключевых свойств термопластичных полимеров являются реологические характеристики расплавов, прежде всего, вязкость при удлинении (extensional viscosity). «Толщина при удлинении» и увеличение вязкости при удлинении (или текучести) важны для стабилизации полимеров в процессах их переработки, включая такие процессы, как вытягивание из расплава (выдувание пленок, вытягивание и скручивание волокон, покрытия расплавами и т. п.). Полимеры, имеющие низкую прочность расплавов, не способны противостоять нагрузкам, имеющим место при термическом процессе, не стабильны и подвержены деструкции.

162

Реологические характеристики расплавов сополимеров ПОБ-со- ПОВ зависят существенно от параметров обработки. По мере снижения вязкости расплава сополимера значительно увеличивается скорость обрыва (shear thinning). Увеличение молекулярного веса полимера ведет к возрастанию сдвиговой вязкости (shear viscosity) и вязкости при удлинении (extensional viscosity). Влияние молекулярного веса, как установлено, более значительно на величину extensional viscosity, чем на «shear viscosity» (Asrar and Pierre, 2000a).

Прочность расплава может быть повышена ветвлением линейных полимеров. Разветвленные композиты ПОА могут быть получены путем введения реагентов в ходе экструзии полимера, когда температура экструзии и время реакции достаточно для плавления ПОА и выше температуры разложения 3-радикального индуктора, например, пероксида. Установлено, что при введении пероксида в расплавы ПОА инициируются конкурирующие реакции, приводящие к разрывам полимерной цепи и встраиванию в нее боковых цепей. Термическая декомпозиция ПОА, как известно, ведет к снижению молекулярного веса, а реакция разветвления, наоборот, – к повышению. Варьируя температуру экструзии и содержание 3-радикального индуктора, можно контролировать конечный молекулярный вес и степень разветвления полимеров (Asrar and D'Haene, 2001a, b). Авторами работы установлено, что наиболее эффективная концентрация пероксида составляет от 0.05–0.1 до 0.3 весовых %. Показано, что в результате ветвления линейных полимеров замедляются процессы старения.

Результаты сравнения реологических характеристик линейных и разветвленных 3-ПОБ-со-3-ПОВ, приготовленных с 0.2 вес. % дикамил пероксида, представлены на рис. 4.1, из которого следует, что shear viscosity линейного и разветвленного полимеров идентичны, т. к. она зависит в основном, от молекулярного веса полимера. Однако «extensional viscosity» намного выше у разветвленного материала по сравнению с линейным (D'Haene et al., 1999).

Современный подход для получения разветвленных ПОА заключается во введении в состав питательной среды в ходе культивирования накапливающих полимеры бактерий пентаэритритолэтоксилата в качестве предшественника реакции ветвления. При последующей термической обработке выделенного из биомассы полимера происходит инициация реакции ветвления линейных ПОА, например, полиоксибутирата (Asrar et al., 2001b).

Расплавы полиоксиалканоатов пригодны для переработки в изделия в промышленных условиях на стандартном оборудовании в связи с тем, что их точка плавления близка к таковой у широко применяемых термопластов типа полиэтилена и полипропилена. Установлена также применимость ряда традиционных технологических процессов для переработки расплавов ПОА, включая экструзию, ли-

163

Таблица 4.3 Влияние молекулярной массы 3(ПОБ-со-ПОВ) с 8 мол. % оксивалерата

на прочностные свойства пленок (Asrar and Pierre, 2000a)

двух слоев пленок из полиолефинов. Процесс вытягивания и ориентирования происходит при участии этих двух слоев неразрушаемых полиолефинов. После завершения процесса кристаллизации пленки из ПОБ-со-ПОВ полиолефиновые слои удаляются. Полученные пленки из данного сополимерного ПОА в дальнейшем можно ламинировать другими, в т. ч. водорастворимыми пленками (Martini et al., 1989). Многослойные пленки могут быть получены коэкструзией при использовании в качестве прилежащих слоев других типов разрушаемых пленок. При этом наружные слои пленок не удаляются после кристаллизации ПОА, а остаются в качестве интегральной части биодеградируемых мультислойных пленок (Wnuk et al., 1994).

Другой подход переработки ПОА в изделия включает применение пластификаторов, нуклеирующих агентов и иных агентов, например полиэтилена, в качестве матрицы, на которую выдувают пленки из ПОА (De Micheli et al., 1996), которые впоследствии можно подвергнуть ориентированию вытягиванием, придав им очень высокие товарные свойства (Asrar and Pierre, 2000a).Такие пленки более прочны по сравнению с неориентированными и имеют более сложную структуру и, как установлено, сохраняют свои исходные механические свойства длительное время (до 90 сут.), без признаков старения. Сравнительная характеристика таких пленок с неориентированными представлена в таблице 4.3.

4.3. Получение изделий из полиоксиалканоатов

Как было отмечено выше, потенциально полиоксиалканоаты можно перерабатывать различными методами, прежде всего, из расплавов, а также холодным прессованием, поливом из растворов, гельтехнологией и др. Наличие выраженного диапазона между температурой начала плавления (150°С) и температурой начала разложения (Тразл. = 270°С) является существенно важным технологическим свойством полиоксиалканоатов, так как делает возможным получение из

165

них различных изделий (пленок, нитей, полых форм и пр.) общепринятыми термическими методами переработки полимерных материалов.

4.3.1. Волокна из полиоксиалканоaтов

Расплавы ПОА достаточно часто используются для получения волокон. Однако в ходе прядения волокон из расплавов ПОБ и сополимеров ПОБ-со-ПОВ необходим контроль кристаллизации в течении фазы вытягивания. Данные полимеры, как известно, не кристаллизуются упорядоченно и содержат также аморфную фазу, а волокна не могут быть вытянуты из расплава аморфной фазы. Для правильного процесса кристаллизации полимера необходимо строго контролировать время и температуру процесса для возможности дальнейшего проведения ориентирования волокон с целью придания им прочности и необходимых физико-механических свойств. Успех ориентирования волокон зависит от кинетики кристаллизации полимера.

Есть ряд работ, посвященных оптимизации процесса получения шовных волокон из полиоксиалканоатов. Монофиламентные волокна, полученные прядением из расплава или раствора ПОБ, могут иметь удовлетворительные физико-механические свойства, в том числе разрывную прочность (свыше 300 МПа) и модуль упругости (до 10 ГПа), обладая при этом высокой степенью обратимой дефор-

мации (3 г/d) (Mochizuki et al., 1994), (Gordeyev, Nekrasov, 1999), Schmack et al., 2000, Gordeyev et al., 2001).

В одной из первых работ, посвященных исследованию волокон из полиоксиалканоатов (Miller and Williams, 1987), было доказано, что моножильные волокна из сополимеров оксибутирата с оксивалератом устойчивы к воздействию биологических сред in vitro и in vivo. Волокна имели следующие характеристики: модуль упругости 4.2 KПa; прочность на разрыв 220–230 MПa. Волокна длительное время (до года) не изменяли свои прочностные свойства при экспонировании в фосфатном буфере при 37°С и имплантированные внутрибрюшинно лабораторным мышам.

Более прочные ориентированные волокна были получены С. А. Гордеевым с соавторами (Gordeev and Nekrasov, 1999; Gordeev, Nekrasov, 1999). В работе использовали полиоксибутират, синтезированный бактериями Al.eutrophus B 5786, выделенный и очищенный в Институте биофизики СО РАН, имеющий величину Мв 3 105 г/моль. Авторы получили нити прочностью до 290 MПa с модулем упругости 3–4 KПa. Микрофотографии структуры поверхности таких нитей представлены на рис. 4.2.

Далее авторы показали, что, варьируя этапы процесса переработки полимера, можно получить волокна, имеющие разрывную прочность от 103 до 360 МПа и значения статического и динамического модуля, соответственно, до 5.6 и 7.5 ГПа при стабильном со-

166

Рис. 4.2. РЭМ снимки топографии поверхности ПОБ нити. Маркер 30 мкм (Шишацкая с соавт., 2002ж)

хранении данных показателей после получения в течение длительного времени, до 100 и более суток (таблица 4.4) (Gordeev et al., 2001).

В серии работ японских авторов рассмотрен процесс получения моножильных волокон из расплава ПОБ и сополимеров ПОБ-со-ПОВ и исследованы структура и свойства таких волокон (Yamane et al., 1995; 1997).

С помощью рентгена было установлено, что полиоксибутират в полученных волокнах представлен двумя модификациями кристаллов и имеет бимодальную ориентацию цепей. Оси цепей первой популяции кристаллов ориентированы преимущественно вдоль оси волокна; в то время, как оси цепей второй популяции кристаллов ориентированы в поперечном направлении. В ходе последующего закаливания изделий при 100°С доля популяции кристаллов первого типа существенно преобладает над второй популяцией, однако при повышении температуры соотношение изменяется в пользу второй популяции. Полученные после закаливания волокна с увеличенной долей поперечно ориентированных цепей становятся более прочными. В одной из последних работ авторов (Yamane, 2001a) изучены структура и механические свойства волокон, полученных прядением из расплава полиоксибутирата. Используя технологию формования волокон из расплава, варьируя при этом температуру (75, 100,125 и

Таблица 4.4 Прочностные свойства нитей, полученных по гель-технологии

(Gordeev et al., 2001)

167

Рис. 4.3. СЕМ снимки поверхности нитей (Yamane et al., 2001).

150°C) и применяя последующее ориентирование волокон, авторы получали более или менее кристалличные изделия и, следовательно, более или менее прочные (с абсолютной прочностью от 50 до 100 МПа). Рисунок 4.3 иллюстрирует кристаллический тип поверхности таких волокон.

Показано, что присутствие оксивалерата в ПОА, снижающее кристалличность и время кристаллизации материала, способствует более медленному и успешному ориентированию волокон (Katsuhiko, 1994). Добавление нуклеирующих агентов увеличивает скорость кристаллизации ПОБ и уменьшает время процесса (Holmes, 1984).

Есть данные о возможности получения двухкомпонентных моножильных волокон из ПОБ-со-ПОВ с капролактаном в соотношении 1:1 (по весу). При диаметре 0.31 мм разрывная прочность волокон составила 703 МПа при сохранении хорошей биоразрушаемости (Mochizuki et al., 1993). Биоразрушаемые композитные волокна также могут быть получены следующим образом, – сердцевина волокна изготавливается из ПОБ-со-ПОВ, а наружная оболочка – из полибутиленсукцината или полиэтиленсукцината (температура плавления 70°С) (Yamada et al., 1995). Многожильные крученые волокна, полученные прядением из расплава ПОБ-со-ПОВ при 140-220°С и с последующим вытягиванием при 80°С в 1.2 раза в одну или две стадии, имели разрывную прочность свыше 2.0 г/d (Mochizuki et al., 1994). При содержании оксивалерата в полимере 6мол. % и 1 части пластификатора нитрида бора и 10 частей глицеролтриацетата полученные при 180°С крученые из расплава волокна охладили до 60°С и после добавления смазки вытянули между вращающимися роликами при 100°С; в результате были получены волокна, имеющие 200 DEN/36 филаментов. Результаты, представленные в таблице 4.5, характеризуют влияние добавок пластификаторов на физикомеханические свойства комплексных нитей.

168

Таблица 4.5 Свойства мультифиламетных волокон в зависимости от содержания

в сополимере ПОБ-со-ПОВ оксивалерата и пластификатора

(глицеролтриацетата) (Mochizuki et al., 1994b)

В одной из последних работ японских исследователей под руководством профессора Дои удалось существенно повысить механическую прочность моножильных волокон из ПОБ с применением новой оригинальной технологии «cold-drawn» (Iwata et al., 2002). Для изготовления нитей использовали высокомолекулярный полимер (600 000 Da), синтезированный природным и рекомбинантными штаммами-продуцентами. Волокна формовали из расплава полимера в ванну с водой при температуре льда. После этого проводили двойное ориентирование; первое при температуре 0°С, второе – при комнатной. В результате волокна имели следующие характеристики: абсолютная прочность 1.4 ГПa; модуль упругости 18.1 ГПа.

4.3.2. Полимерные пленки и мембраны из ПОА

В связи с хорошей растворимостью ПОА в неполярных растворителях существует возможность использования вязких полимерных растворов для изготовления пленок и мембран. Вязкие растворы полиоксибутирата и других ПОА в хлороформе обладают выраженным волокнообразующим свойством (рис. 4.4) и широко используются для получения пленочных изделий. В ряде работ описаны различные типы полимерных пленок и мембран, полученных методом полива растворов ПОА различной концентрации, от 1–5 до

Рис. 4.4. РЭМ снимок фрагмента ПОБ, увлажненного хлороформом. Видна волокнообразующая структура материала (снимок А. П. Пузыря, неопубликованные данные).

169