Спосіб одержання гібридних кремнезем-желатинових матеріалів підвищеної гідрофобності

Реферат: Спосіб одержання гібридних кремнезем-желатинових матеріалів підвищеної гідрофобності, при якому проводять розчинення желатини у дистильованій воді на водяній бані, додавання суспензії діоксиду кремнію та формування гелю, перемішування кремнезем-желатинової суспензії на магнітній мішалці та висушування кремнезем-желатинової суспензії у вигляді тонкого шару на полімерній підкладці при температурі приміщення. Поверхню діоксиду кремнію перед приготуванням суспензії модифікують триметилхлорсиланом таким чином, що ступінь заміщення силанольних груп на триметилсилільні становить 10-40 %. UA 120415 U (12) UA 120415 U UA 120415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини і до матеріалознавства, включаючи біоматеріали, а саме до способів одержання біосумісних гібридних матеріалів на основі органічних і неорганічних речовин, зокрема з желатини та діоксиду кремнію, які можуть бути використані для реконструкції тканин, для іммобілізації ферментів і клітин, як лікарські форми, що забезпечують пролонговане вивільнення включених в пори матеріалу біологічно активних речовин, а також як гідрофобні плівки та покриття для біокаталізу, біосепарації та для створення поверхонь, здатних до самоочищення. Завдяки формуванню додаткових зв'язків між активними групами полімеру та діоксиду кремнію гібридні кремнезем-желатинові матеріали порівняно з желатиновими матеріалами характеризуються підвищеною міцністю, покращеними механічними властивостями, підвищеною резистентністю до набухання та розчинення у водному середовищі тощо. Підвищення гідрофобності (зниження гідрофільності) гібридних матеріалів, що використовуються в медицині та в матеріалознавстві, мало б сприяти додатковому покращенню їх властивостей. Дійсно, можна очікувати, що внаслідок послаблення взаємодії з водою такі матеріали будуть мати ще більшу стійкість до розчинення у біологічному середовищі і покращену біосумісність. Завдяки набуттю гідрофобних властивостей гібридні органонеорганічні покриття та плівки можуть бути використані для біокаталізу, біосепарації та для створення поверхонь, здатних до самоочищення (див. статтю S. Smitha, P. Shajesh, P. Mukundan, T.D.R. Nair, K.G.K. Warrier, Synthesis of biocompatible hydrophobic silica-gelatin nanohybrid by sol-gel process / Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55 (2007) 38-43). Гідрофобність/гідрофільність матеріалів може бути охарактеризована величиною крайового кута змочування Θ. За ознакою, гідрофобними вважаються матеріали, для яких кут змочування (кут між нанесеною на поверхню краплею води та поверхнею) становить 90 градусів та вище. Відомо, що притаманні желатиновим матеріалам гідрофільні властивості пов'язані з присутністю в полімері амінокислот з полярними групами (лізин, аргінін, глютамінова кислота, аспарагінова кислота, гідроксипролін та гліцин), які мають високу спорідненість до молекул води. При створенні желатинових матеріалів частина цих груп бере участь у формуванні сітки гелю і виключається із взаємодії з водою. Сумарна гідрофільність/гідрофобність матеріалу залежить від співвідношення гідрофобних груп полімеру та його полярних груп, які не приймають участь у формуванні сітки гелю і лишаються вільними для взаємодії з молекулами води (дивись статтю W. Gadomski, В. Ratajska-Gadomska, Evolution of water structure in biopolymer solutions during the gelation process / Chemical Physics Letters. 399 (2004) 471-474). У випадку гібридних матеріалів на сумарну гідрофільність/гідрофобність матеріалів впливають додаткові фактори: поява нових гідрофільних чи гідрофобних груп у результаті внесення в суспензію неорганічного матеріалу та зміна кількості вільних полярних груп полімеру за рахунок формування додаткових зв'язків між органічною та неорганічною складовими гібридного матеріалу. У більшості випадків для одержання гідрофобних композитів у матеріал додатково вводять гідрофобні компоненти. Наприклад, відомий спосіб одержання гібридних кремнеземжелатинових композитів золь-гель методом з використанням золю желатини, колоїдного кремнезему та метилтриметоксисилану (див. статтю S. Smitha, P. Shajesh, P. Mukundan, T.D.R. Nair, K.G.K. Warrier, Synthesis of biocompatible hydrophobic silica-gelatin nano-hybrid by sol-gel process / Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55 (2007) 38-43). До колоїдного кремнезему (2,5 г кремнезему в 100 мл дистильованої води) додають 2 г желатину, перемішують при 30 °C, додають метилтриметоксисилан у кількості 0,125-2,25 г при постійному перемішуванні, і, для одержання гелю, витримують при 70 °C в реакційному посуді (при приготуванні об'ємних матеріалів) чи наносять на скляну поверхню і потім витримують при 70 °C (при приготуванні гідрофобних покриттів). Гідрофобні властивості таких матеріалів забезпечуються за рахунок гідрофобних СН3-груп метилтриметоксисилану. Кількість метилтриметоксисилану, що необхідна для надання матеріалу гідрофобних властивостей, становила від 0,75 до 2,25 г (30-90 % відносно до маси кремнезему), тобто концентрація метилтриметоксисилану в суспензії дорівнювала (0,752,25 г)/0,1 л= 7,522,5 г/л. При формуванні гелю молекула метилтриметоксисилану бере участь у створенні зв'язків з іншими молекулами метилтриметоксисилану чи з молекулами желатини, при цьому в кожній молекулі метилтриметоксисилану залишається одна вільна метильна група, що не приймає участь в реакції і обумовлює гідрофобність матеріалу. Оскільки молярна маса метилтриметоксисилану становить 136 г/моль, а метальної групи - 15 г/моль, масову частку вільних гідрофобних груп у суспензії можна оцінити як (15 г/моль /136 г/моль)(7,522,5) г/л=(0,832,48) г/л. 1 UA 120415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Максимальне значення крайового кута змочування для отриманих матеріалів дорівнювало 95 градусам. Одержані таким чином плівки були використані як гідрофобні прозорі біосумісні покриття на скляній поверхні. На відміну від наведеного прикладу, підвищення гідрофобних властивостей можливо здійснити за рахунок збільшення кількості полярних груп, втягнутих у взаємодію з неорганічним компонентом та, відповідно, виключених із взаємодії з водою. Відомий спосіб одержання кремнезем-желатинових матеріалів (Деклараційний патент України на корисну модель № 113409), який найбільш близький за технічним результатом та сукупністю суттєвих ознак, вибраний нами як прототип, який включає розчинення желатини у дистильованій воді на водяній бані при 60 °C при перемішуванні, додавання до розчину желатини суспензії діоксиду кремнію, перемішування суспензії за допомогою магнітної мішалки та висушування плівкоформуючої кремнезем-желатинової суспензії на полімерній підкладці при кімнатній температурі. Оптимальне співвідношення желатини до кремнезему в суспензії і в плівці дорівнювало [Gel]/[SiO2]=2,5. Контактний кут змочування для одержаної плівки становив 92 градуси, тобто плівка, за означенням, вже була слабогідрофобною. Подальше підвищення гідрофобності плівки може бути досягнуто за рахунок використання модифікованого кремнезему з гідрофільно-гідрофобною поверхнею замість вихідного кремнезему з гідрофільною поверхнею. Сукупними суттєвими ознаками відомого та заявленого способів є метод одержання желатинового гелю і гібридних кремнезем-желатинових матеріалів. Причиною, що перешкоджає одержанню технічного результату заявленого способу, є те, що у випадку використання гідрофільного кремнезему у матеріалі залишаються вільні полярні силанольні групи кремнезему, які впливають на сумарну гідрофільність матеріалу. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб одержання гібридних кремнезем-желатинових матеріалів, який у результаті заявлених дій, забезпечив би підвищення їх гідрофобності. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб включає розчинення желатини у дистильованій воді на водяній бані, додавання суспензії діоксиду кремнію та формування гелю, перемішування кремнезем-желатинової суспензії на магнітній мішалці та висушування кремнезем-желатинової суспензії у вигляді тонкого шару на полімерній підкладці при температурі приміщення, а замість вихідного гідрофільного кремнезему використовують модифікований кремнезем. Згідно з корисною моделлю, перед приготуванням суспензії поверхню кремнезему модифікують триметилхлорсиланом, заміщуючи 10-40 % силанольних (гідрофільних) груп триметилсилільними (гідрофобними) групами, , після чого здійснюють прогрівання модифікованого діоксиду кремнію у струмені сухого повітря з метою видалення з поверхні небажаних домішок та продуктів хімічних реакцій. За рахунок того, що поверхню діоксиду кремнію перед введенням в суспензію частково модифікують триметилхлорсиланом, в матеріалі з'являються додаткові гідрофобні групи та підвищується сумарна гідрофобність матеріалу. При цьому поверхня діоксиду кремнію містить ще достатньо велику кількість силанольних груп (90-60 % від початкової кількості), які приймають участь у формуванні зв'язків з полярними групами полімеру, діючи як зшиваючий агент та одночасно забезпечуючи зменшення кількості вільних полярних груп полімеру, здатних для взаємодії з водою. Для здійснення способу одержання кремнезем-желатинових матеріалів, який заявляється, використовували наступні реагенти. желатина (шкіра свині) діоксид кремнію (кремнезем марки А-300) вода дистильована Н2О триметилхлорсилан 50 55 фірма "Fluka"(Германія), 2006 р. ТУ У 24.6-05540209-003-2003 ГОСТ 6709-72 ТУ 6-02-924-79 Гібридні кремнезем-желатинові матеріали одержували наступним чином. Для одержання розчину желатини наважку желатини 0,5 г розчиняли в 0,005 л води і нагрівали на водяній бані до 60 °C при перемішуванні протягом 20 хв. до повного розчинення желатини. Модифікування поверхні діоксиду кремнію проводили шляхом хемосорбції триметилхлорсилану з газової фази в автоклаві при температурі 300 °C. Регулюючи кількість модифікатора, одержували зразки модифікованого діоксиду кремнію зі ступенем заміщення силанольних груп на триметилсилільні групи 10, 20, 30, 40 та 50 %, що відповідає частці 2 UA 120415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 триметилсилільних груп відносно до загальної кількості поверхневих груп кремнезему А=0,1; 0,2; 0,3; 0,4 та 0,5 відповідно. Після модифікування здійснювали прогрівання модифікованого діоксиду кремнію у струмені сухого повітря в умовах киплячого шару при 180 °C з метою видалення адсорбованих хлороводню та залишків модифікатора. Ступінь модифікування поверхні контролювали методом 14 спектроскопії. Для приготування суспензії вихідного чи модифікованого кремнезему до наважки кремнезему 0,2 г додавали 0,005 л дистильованої води. Отриману суспензію перемішували на магнітній мішалці 20 хв. Для приготування кремнезем-желатинових матеріалів розчин желатини та суспензію кремнезему змішували і перемішували на магнітній мішалці ще протягом 5 хв, після чого 0,002 л кремнезем-желатинової суспензії виливали тонким шаром на полімерну підкладку та висушували при температурі приміщення (не нижче 15 °C) протягом кількох діб. Об'ємну концентрацію триметилсилільних груп у суспензії Cv((СН3)3) вираховували за формулою: Cv((CH3)3)=(CM(SiOH)AM(SiO2)M((CH3)3))/V [г/л] (1), де -3 См (SiOH) = 2×10 моль/г - концентрація силанольних груп на поверхні 1 г кремнезему А-300, А=0,1-0,5 - частка силанольних груп модифікованого кремнезему, заміщених на триметилсилільні, M(SiO2) = 0,2 г - маса модифікованого кремнезему у суспензії, М((СН3)3) = 45 г/моль - молярна маса триметилсилільної групи, V=0,01 л - об'єм суспензії. Вимірювання крайового кута змочування для одержаних матеріалів проводили на установці -5 з цифровим мікроскопом з 200-кратним збільшенням, об'єм краплі становив близько 10 л. Суть корисної моделі пояснюється конкретними прикладами виконання. Приклад 1. До наважки 0,5 г желатини додавали 0,005 л дистильованої води та нагрівали на водяній бані (60 °C) при перемішуванні протягом 20 хв. до розчинення желатини. До наважки 0,2 г модифікованого кремнезему зі ступенем заміщення силанольних груп на триметилсилільні 10 % (частка триметилсилільних груп А=0,1) додавали 0,005 л води. Отриману суспензію перемішували на магнітній мішалці 20 хв. До 0,005 л розчину желатини при 60 °C додавали 0,005 л суспензії модифікованого кремнезему та перемішували суспензію протягом 5 хв. Плівкоформуючу кремнезем-желатинову суспензію (0,002 л) виливали тонким шаром на полімерну підкладку та висушували при кімнатній температурі (не нижче 15 °C) протягом трьох діб. Концентрація желатини у плівкоформуючій кремнезем-желатиновій суспензії становила 50 г/л, концентрація модифікованого кремнезему -20 г/л. Співвідношення желатини до кремнезему в суспензії і в плівці дорівнювало [Gel]/[SiO2]=2,5. Об'ємна концентрація гідрофобних триметилсилільних груп у суспензії, згідно з формулою (1), становила -3 Cv((CH3)3)=(2×10 моль/г×0,1×0,2 г×45 г/моль)/0,01 л=0,18 г/л. Контактний кут змочування для одержаної плівки дорівнював 93 градусам. Одержаний зразок мав гідрофобні властивості, що перевищують гідрофобні властивості плівки, яка була одержана згідно з прототипом з використанням немодифікованого кремнезему. Приклад 2. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що замість модифікованого кремнезему зі ступенем заміщення силанольних груп на триметилсилільні 10 % (А=0,1) використовували модифікований діоксид кремнію зі ступенем заміщення сіланольних груп на триметилсилільні 20 % (А=0,2). Об'ємна концентрація гідрофобних (СН3)з-груп у суспензії становила 0,36 г/л. Контактний кут змочування для одержаної плівки дорівнював 96 градусам. Одержаний зразок мав гідрофобні властивості, що перевищують гідрофобні властивості плівки, яка була одержана згідно з прототипом з використанням немодифікованого кремнезему. Гідрофобні властивості одержаного зразка також перевищували гідрофобні властивості плівки, одержаної золь-гель методом з використанням золю желатини, колоїдного кремнезему та метилтриметоксисилану (контактний кут змочування 92-95 градусів), при цьому концентрація гідрофобних груп у нашому зразку становить 0,36 г/л замість 0,83-2,48 г/л у плівці, одержаній золь-гель методом (див. статтю S. Smitha, P. Shajesh, P. Mukundan, T.D.R. Nair, K.G.K. Warrier, Synthesis of biocompatible hydrophobic silica-gelatin nano-hybrid by sol-gel process / Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55 (2007) 38-43). Приклад 3. 3 UA 120415 U 5 10 15 20 25 Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що використовували модифікований діоксид кремнію зі ступенем заміщення сіланольних груп на триметилсилільні 30 % (А=0,3). Об'ємна концентрація гідрофобних (СН3)3 - груп у суспензії становила 0,54 г/л. Контактний кут змочування для одержаної плівки дорівнював 99 градусам. Приклад 4. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що використовували модифікований діоксид кремнію зі ступенем заміщення сіланольних груп на триметилсилільні 40 % (А=0,4). Об'ємна концентрація гідрофобних (СН3)3 - груп у суспензії становила 0,72 г/л. Контактний кут змочування для одержаної плівки дорівнював 103 градусам. Приклад 5. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що використовували модифікований діоксид кремнію зі ступенем заміщення сіланольних груп на триметилсилільні 50 % (А=0,5). Отриманий модифікований кремнезем погано змочувався водою і виявився непридатним для отримання гелю. Приклад 6 (Прототип) До 0,5 г желатини додавали 0,005 л дистильованої води та нагрівали на водяній бані (60 °C) при перемішуванні протягом 20 хв до розчинення желатини. До наважки немодифікованого кремнезему 0,2 мг додавали 0,005 л води. Отриману суспензію перемішували на магнітній мішалці 20 хв. До 0,005 л розчину желатини при 60 °C додавали 0,005 л суспензії вихідного кремнезему та перемішували суспензію протягом 5 хв. 0,002 л плівкоформуючої кремнеземжелатинової суспензії виливали тонким шаром на полімерну підкладку та висушували при кімнатній температурі (не нижче 15 °C) протягом трьох діб. Концентрація желатини у плівкоформуючій кремнезем-желатиновій суспензії суспензії становила 50 г/л, концентрація кремнезему - 20 г/л. Співвідношення желатини до кремнезему в суспензії і в плівці дорівнювало [Gel]/|SiO2]=2,5. Контактний кут змочування для одержаної плівки становив 92 градуси. Дані за прикладами 1-6 наведені в таблиці. Таблиця Приклади Приклад 1 Приклад 2 Приклад 3 Приклад 4 40 45 Θ, град 93 96 99 103 0,5 0,90 Приклад 6 (прототип) 35 Сv((СН3)3), г/л 0,18 0,36 0,54 0,72 Приклад 5 30 А, відн.од. 0,1 0,2 0,3 0,4 0 0 92 Примітка Кремнезем погано змочується водою, суспензія є неоднорідною та важко перемішується де: А - частка силанольних груп кремнезема заміщених на триметилсилільні; Сv((СН3)3) - концентрація гідрофобних груп у суспензії; Θ - крайовий кут змочування плівки. Концентрація желатини у всіх плівкоформуючих суспензіях становила 50 г/л, концентрація кремнезему - 20 г/л. Як видно із таблиці, гідрофобність гібридних кремнезем-желатинових матеріалів залежить від ступеня заміщення силанольних груп кремнезема на триметилсилільні. Використання модифікованого кремнезему для отримання гібридних матеріалів дає змогу підвищувати гідрофобність плівок чи покриттів як за рахунок зменшення кількості вільних полярних гідрофільних груп полімеру, так і завдяки внесенню в композит додаткових гідрофобнихтриметилсилільних груп. Використання кремнезему замість хімічних зшиваючих агентів, дозволяє уникнути появи у матеріалі потенційно токсичних речовин (зшиваючих агентів чи продуктів їх хімічних реакцій з желатиною), забезпечуючи, при цьому необхідні властивості гібридного матеріалу (підвищена стійкість, гідрофобність, біосумістність). Приклади 1-6 демонструють, що підвищення ступеня модифікування поверхні кремнезему триметилхлорсиланом веде до поступового підвищення гідрофобності гібридних кремнеземжелатинових матеріалів. Однак, кремнезем зі ступенем заміщення силанольних груп на триметилсилільні 50 % (А=0,5) вже погано змочується водою, що призводить до ускладнення 4 UA 120415 U 5 10 15 процесу отримання кремнезем-желатинових суспензій і матеріалів. Таким чином, з нашої точки зору, оптимальним ступенем модифікування поверхні кремнезему є 40 %. Експериментально доведено, що підвищення ступеня модифікування кремнезему приводить до поступового збільшення крайового кута змочування кремнезем-желатинового матеріалу. Використання модифікованого кремнезему з часткою триметилсилільних груп 0,1-0,4 дозволяє отримувати гібридні кремнезем-желатинові матеріали з підвищеною гідрофобністю, які характеризуються крайовим кутом змочування до 103 градусів. Гідрофобні властивості матеріалів також перевищують гідрофобні властивості плівок одержаних золь-гель методом з використанням золю желатини, колоїдного кремнезему, та метилтриметоксисилану при значно меншій концентрації в наших зразках внесених гідрофобних груп (0,36-0,72 замість 0,83-2,48 г/л). При цьому заміна більш ніж 40 відсотків силанольних груп на триметилсилільні виявилася недоцільною, оскільки такий модифікований кремнезем погано змочується водою, що ускладнює приготування суспензії кремнезему та кремнезем-желатинової суспензії. Таким чином, корисна модель дозволяє простим та дешевим способом одержувати гібридні кремнезем-желатинові матеріали з підвищеною гідрофобністю, при цьому ступінь гідрофобності матеріалів можна контролювати, змінюючи кількість гідрофобних триметилсилільних груп на поверхні кремнезему. Одержані у такий спосіб матеріали можуть бути використані як основа для створення препаратів з пролонгованим вивільненням інкорпорованих біологічно активних речовин, для біокаталізу, біосепарації та для створення поверхонь, здатних до самоочищення. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб одержання гібридних кремнезем-желатинових матеріалів підвищеної гідрофобності, при якому проводять розчинення желатини у дистильованій воді на водяній бані, додавання суспензії діоксиду кремнію та формування гелю, перемішування кремнезем-желатинової суспензії на магнітній мішалці та висушування кремнезем-желатинової суспензії у вигляді тонкого шару на полімерній підкладці при температурі приміщення, який відрізняється тим, що поверхню діоксиду кремнію перед приготуванням суспензії модифікують триметилхлорсиланом таким чином, що ступінь заміщення силанольних груп на триметилсилільні становить 10-40 %. 30 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5