МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Семипалатинського державного УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ШАКАРІМА
АГРО-ЕКОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ
КАФЕДРА ХІМІЇ І ЕКСПЕРТИЗИ
СИНТЕЗ СЛАБОСШІТОГО поліелектроліти ацетооцтової ЕФІР / АКРИЛОВА КИСЛОТА І ВЗАЄМОДІЯ ЙОГО З іонами перехідних металів
Дипломна робота студента IV курсу
групи Е-412 Хабіева А.Т.
Науковий керівник к.х.н., доцент
Яшкарова М.Г.
Семипалатинськ-2008
РЕФЕРАТ
Дипломна робота містить: сторінок, малюнок, таблиць, додатків, список літератури включаетнаіменованій.
Тема: «Синтез слабосшітого поліелектроліту ацетооцтової ефір / акрилова кислота та взаємодія його з перехідними металами»
Об'єктом дослідження є новий поліелектроліт на основі ацетооцтового ефіру (Ауе) і акрилової кислоти (АК), синтезованого реакцією приєднання Міхаеля і подальшої радикальної полімеризацією.
Мета роботи: синтез слабосшітого поліелектроліту, дослідження його властивостей і вивчення можливості його практичного застосування.
Робота виконана на кафедрі хімії та експертизи Семипалатинського
Державного університету імені Шакаріма. Синтез нового поліелектроліту проведено в Інституті полімерних матеріалів і технологій (м. Алмати).
У роботі були використані методи гравіметрії, потенціометричного титрування.
Були досліджені:
Підібрано оптимальні умови синтезу: концентрація ініціатора (ДАК), співвідношення мономерів у вихідній мономерний суміші, природа розчинника, концентрація сшивающего агента (бісакріламід), температура.
2) Визначення складу зшитого поліелектроліту ацетооцтового ефіру / акрилової кислоти (Ауе / АК).
3) Визначення кінетики набухання і коефіцієнта набухання гелю у воді.
4) Дослідження взаємодії зшитого поліелектроліту з деякими іонами Ме 2 +
5) Можливість практичного використання гідрогелів, зокрема, на основі сополимера ацетооцтового ефіру / акрилової кислоти.
ЗМІСТ
ВСТУП
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ
ГЛАВА 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД
Класифікація та види поліелектролітів
Різні чинники, що впливають на контракцію гелю
Перспективи використання полімерних гідрогелів
ГЛАВА 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
2.1 Отримання і очищення вихідних речовин
2.1. 1. Мономери
2.1.2 Розчинники
2.1.3 Слабо зшиті полімери
2.2Методи дослідження
ГЛАВА 3.РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ
3.1 Визначення кінетики набухання і коефіцієнта набухання
3.2 Дослідження взаємодії зшитого ПЕ з деякими іонами Ме 2
ВИСНОВКИ
ДОДАТОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП.
Актуальність теми
Відомо, що число поліелектролітів різноманітно, хоча і їх кількість обмежена. Синтез та дослідження нових поліелектролітів представляє великий теоретичний і практичний інтерес. Полікислоти, що містять у полімерного ланцюга кислотні групи, не знайдені в біологічних об'єктах і отримати їх можна безпосереднім синтезом з відповідних мономерів. Дослідження поліелектролітів та їх взаємодій самими різними сполуками (комплементарними макромолекулами, білками, іонами металів, лікарськими речовинами тощо) цікаво з точки зору моделювання процесів, що протікають у біологічних системах, а також можливого використання в різних процесах - у процесах вилучення іонів металів , поділу, очищення і концентрування білків, іммобілізації та контрольованого вивільнення лікарських речовин і т. д..
Дана робота присвячена синтезу нового поліелектроліту на основі ацетооцтового ефіру і акрилової кислоти і дослідженню його взаємодії з іонами перехідних металів.
Мета роботи
1) Синтез зшитого ПЕ.
2) Визначення складу зшитого ПЕ.
3) Визначення кінетики набухання і коефіцієнта набухання гелю у воді.
4) Дослідження взаємодії зшитого ПЕ з деякими іонами Ме 2 +
Наукова новизна теми
Наукова новизна даної роботи в тому, що досліджуваний об'єкт є абсолютно новим поліелектролітів, раніше ще не дослідженим. Отримані результати можуть бути використані при добуванні металів з природних і стічних вод, створення гомогенних і гетерогенних полімерних каталізаторів, біомедецінскіх препаратів, напівпроникних мембран і напівпровідників.
Достовірність отриманих даних
У роботі використовувалися хімічно чисті і чисті для аналізу речовини. Розчинники очищали перегонкою і бідістілляціей. Використання методу дослідження (гравіметрія і потенціометрія) відрізняються високою точністю, а використання приладу зроблені відомою фірмою (аналітичні ваги - Mettler Toledo, рН - метр Mettler Toledo MPC 227, Швейцарія).
Практична значимість
Синтезований поліелектроліт може бути використаний для сорбції та поділу іонів металів.
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ, СИМВОЛІВ І ПОЗНАЧЕНЬ
ЕЕАКК - етиловий ефір амінокротоновой кислоти
АК - акрилова кислота
ППГ - полі - N - пропілен гліцин
ПІКЕІ - поли - 1 - изопропилкарбоксилэтиленимин
ПЕА - поліетіленаланін
ВЕТ - ізоелектрична точка
ІЕФ - ізоелектричної фокусування
ПЕГ - поліетиленгліколь
Пей - поліетіленімін
2М5ВП - 2 - метил - 5 - вініл піперидин
ТПМК - потрійні полімер - металеві комплекси
ВЕК - поліелектролітних комплекси
П4ВП - полі-4 - вініл піперидин
ПВПБ - полі-4 - вініл пірідінбетаін
ПВПД - полівінілпіролідон
С - ВЕК - стехіометричні поліелектролітних комплекси
Н - ВЕК - нестехіометріческіе поліелектролітних комплекси
БПЕ - блокуючий поліелектроліт
ЛПЕ - лиофилизируют поліелектроліт
ГП2М5ВП - гідрогель поли - 2 - метил - 5 - вінілпірідін
ДДС - додіцілсульфат натрію
ДБС Na - додіцілбензосульфанат натрію
Ауе - ацетооцтової ефір
ПА - поліамфоліт
ПЕ - поліелектроліт
η - в'язкість
ГЛАВА 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД
1.1 Класифікація і види поліелектролітів
Поліелектролітами називають полімерні сполуки, що поєднують в собі певну кількість функціональних груп (не менше 3 х груп).
Залежно від характеру функціональних груп поліелектроліти діляться на полікислоти, поліоснованія, поліамфоліти і полібетаіни.
Полікислоти називають полімерні сполуки, що поєднують в собі кислотні групи (наприклад, - СООН)
Поліоснованіямі називають полімерні сполуки, що поєднують в собі основні групи (наприклад, - ОН, - NH 2)
Поліамфолітамі називають полімерні сполуки, що поєднують в собі кислотні та основні групи (наприклад, - ОН і - СООН).
Полібетаінамі називають полімерні сполуки, що поєднують в собі кислотні та основні групи, що знаходяться попарно один біля одного і здатні утворювати циклічні ряди, тобто подібні органічним амінокислотам (наприклад, - NH 2 і - СООН групи, перебувають попарно один біля одного в ланках полімерного ланцюга).
Поліелектроліти представляють собою великий практичний і науковий інтерес і є одним з небагатьох класів органічних сполук, що не існують в природі, тобто отримати їх можна тільки відповідними реакціями полімеризації.
В даний час застосовуються як зшиті, так і лінійні полімери, кожні з яких мають певні області застосування.
Слабосшітие поліелектроліти, що мають одну в'язку на 30 - 70 ланок полімерної ланцюга здатні поглинати в себе сто, а то й більше тисячі разів від ваги розчинника, що значно перевищує здатності природних аналогів, таких як мохи та лишайники (в 5 -30 разів більше від свого ваги поглинання води).
При поглинанні розчинника слабосшітий поліелектроліт набухає, відстань між ланками ланцюга збільшується, разом з тим зменшується міцність утворився гелю. Тим самим дослідники поставили перед собою завдання: знайти компроміс між ступенем набухання гелю, тобто поглинаючою здатністю, і його механічної міцністю.
Існує кілька способів підвищення механічної міцності гелю, але в даний час найбільш часто використовують спосіб впровадження лінійного полімеру в сітку зшитого. Даний спосіб подібний утворення органічних катенанов і ротоксанов. Впровадження в сітку лінійного полімеру відбувається випадковим чином і на сьогоднішній момент розвитку науки і техніки не існують методів керованого синтезу полімеру з заданою структурою, і тому в одних і тих же умовах можуть утворюватися полімери, які мають розбіжність у деяких властивостях.
У таких випадках вдаються до спрощення, ідеалізації об'єкту, званого статичним полімером, і обчислюють для нього середнє значення кислотності (кислотних груп) або основності (основних груп), а також при обчисленні інших параметрів, тобто говорять про дослідження зразків.
1.2 Різні чинники, що впливають на контракцію гелю
Зазначимо одне з важливих властивостей полімерного гелю - це колапс, тобто різке стиснення. Набряклий гель стискається в результаті зміни на яке-небудь зовнішній вплив, наприклад, температуру, світло, дія різних електричних і магнітних полів, що пов'язано в першу чергу з аморфною структурою самого слабосшітого поліелектроліту.
На колапс гелю також можуть зробити вплив речовини, що стикаються з сіткою даного гелю. Відзначимо, що його структура може бути глобулярної, яка може розгортатися при деякій зміні умов.
Для вивчення факторів, що впливають на контракцію гелю (той же колапс, але значно нерізкий) відзначимо сили, що впливають на нього в набряклому стані.
Вплив іонної сили.
Зі збільшенням іонної сили розчину гель втрачає частину своєї поглиненої води і стискається. Даний процес є анологичних процесу висолювання. При цьому виникають два конкуруючих процесу, тобто з одного боку іони, що містяться в розчині намагаються утворити аквакомплексу (якщо розчинник - вода), з іншого - гель намагається сорбувати у внутрішню структуру воду, яка знаходиться в навколишньому просторі.
Вплив розчинника.
Як було сказано, розчинник також може впливати на «набухає» здатність гелю. Існують гелі, набухають приемущественно в органічних розчинниках, також існують ті, які набухають - в неорганічних, є, які набухають і в тих і інших.
Як же впливають різні розчинники на поліелектроліти? По - перше, це взаємодія між даними розчинником і йоногенних або неіоногенні групами поліелектроліту. При цьому між полімером і розчинником виникають Ван - дер - ваальсових сили міжмолекулярної взаімрдействія. Це - орієнтаційні, індукційні, дисперсійні. Не виключено і утворення водневих зв'язків.
Вплив рН.
рН є також одним з фактором, що впливає або сприяє коллапсірованію гелю. Причина цього явища полягає в іонізації груп, що знаходяться в молекулі поліелектроліту. Для поліамфолітов і полібетаінов слід зазначити ізоелектричної точку, в якій заряд молекули поліелектроліту дорівнює нулю. Даною ізоелектричної точці відповідає певне значення рН, при якій розміри молекули різко зменшуються і незв'язана вода назад іде в розчин. Слід зазначити, що полікислоти краще набухають у лужному середовищі, а коллапсую все ж в кислому; для поліоснованій картина зворотна, тобто вони краще набухають у слабокислой середовищі, а коллапсую все ж у слабощелочной середовищі. Визначення ВЕТ для поліамфолітов проводять звичайно рН - метричним титруванням (швидше методом зворотного титрування) кислотних і основних груп.
Вплив електричних і магнітних полів.
Поліелектроліти мають властивість створювати досить високі індуковані поля в навколишньому просторі себе завдяки високій щільності заряду, при цьому в даному місці може утворитися велика різниця діелектричної проникності. Вплив полів зводиться до зміни напрямку цих полів, що сприяє до «насильницького» перенаправлення кислотних і основних груп, а далі це призводить до зміни відстані між ланцюгами ланок молекул, можливо і зміна конформації молекули.
Вплив осмотичного тиску.
Що таке осмос ви, напевно, знаєте (проникнення через напівпроникну мембрану (перегородку) молекул розчинника). Полімер тому і набухає, що у внутрішній структурі утворюється надлишковий заряд, що компенсується збільшенням відстані між поляризованими групами поліелектроліту, завдяки сольватації йоногенних груп. Необхідно зазначити, що даний вплив не управляється і є природним властивістю. Вплив його можливо збільшити або зменшити за допомогою підбору, синтезу поліелектролітів із заданими властивостями.
1.3 Перспективи використання полімерних гідрогелів
«Розумні» водорозчинні полімери й гідрогелю здатні оборотно реагувати на незначні зміни властивостей середовища (рН, температура, іонна сила, присутність певних речовин, освітленість, електричне поле), причому реакція системи легко видно неозброєним оком (утворення нової фази в гомогенному розчині, різке набухання або стиск гідрогелю). Розглянуто властивості подібних полімерів і гідрогелів. Обговорюється використання «розумних» полімерів і гідрогелів для концентрування білкових розчинів, зневоднення суспензій, створення мембран з регульованою проникністю, виділення і очищення біомолекул, іммобілізації біокаталізаторів, створення сенсорних систем і систем контрольованого виділення ліків.
Загальні зауваження.
Якщо вище нами були коротко порушені фундаментальні питання, пов'язані з поведінкою гідрогелів в різних середовищах і під впливом різних зовнішніх впливів, то тепер ми коротко зупинимося на найменш вивчених аспектах практичного використання сильно набухають гідрогелів.
Охопити весь спектр застосування гідрогелів в одній дипломній роботі не представляється можливим: гідрогелю вже знайшли досить широке застосування як медико - гігієнічні засоби, як матеріал для контактних лінз, як загусники водних середовищ і т. д.. Проте, потенційні можливості використання гідрогелів далеко не вичерпані. Зокрема, можливість підшивки або включення в гелі різних функціональних груп (наприклад комплексонів) різко розширює сферу їх застосування. У цьому розділі ми обмежимося, в основному, розглядом можливих застосувань найбільш поширених типів гідрогелів.
Застосування гідрогелів в очисних і гірничозбагачувальний технологіях.
Здатність гідрогелів акумулювати значні кількості води (до декількох літрів на один грам сухого полімеру) визначила найбільш очевидне їх використання. Зокрема, в даний час налагоджено серійний випуск різних медико - гігієнічних засобів (наприклад, французька фірма Elf - Atochen виробляє одноразові дитячі підгузники, що містять сухий гідрогель).
Але справа не обмежується здатністю гідрогелів сильно набухати в середовищах різного складу і термодинамічної якості. Наприклад, гідрогелю можна використовувати як робочої речовини в очисних і гірничо-збагачувальних технологіях. В силу ефекту перерозподілу концентрацій низькомолекулярних іонів гідрогель може грати роль тривимірної мембрани. Це означає, що при зануренні гідрогелю в водно - сольовий розчин, може відбуватися процес здйбільшого поглинання чистої води. При цьому забруднюючі домішки залишаються в навколишньому гідрогель розчині.
Використання ефекту оборотного колапсу гідрогелю під впливом зовнішнього електричного струму дозволяє відокремити від нього очищену воду. Комбінація двох зазначених ефектів дозволяє організувати циклічний режим, в якому на першій стадії вона виділяється під дією електричного струму. Оборотність колапсу робить можливим багаторазове використання гідрогелю. Суттєво, що даний цикл може бути задіяний не лише для одновалентних, а й для полівалентних металів при певному співвідношенні концентрацій солі і гелю.
Такий циклічний режим може рівним чином розглядатися і як очисний, і як збагачувальної. Дійсно, залежно від поставленої мети в якості цінного компоненти може розглядатися або чиста вода, або концентріруемих поза гідрогелю збагачений по домішках розчин. Підкреслимо, що на відміну від стандартної іонообмінної технології, робоча речовина тут є практично невитратним матеріалом.
Додамо, що залежно від конкретних завдань тут можна працювати як у прямому (гідрогель поглинає тільки воду), так і в зворотному режимах (гідрогель затягує в себе домішки, а чиста вода залишається зовні). Наприклад, в серії робіт В. А. Кабанова зі співробітниками А. Р. Хохлова зі співробітниками був продемонстрований дуже красивий ускладнений варіант зворотного режиму. Усередині поліелектролітного гідрогелю різко знижується критична концентрація міцелоутворення поверхнево - активних речовин (ПАР). Відповідно, в якомусь обсязі гідрогелю концентрація таких міцел набагато вище, ніж в еквівалентному обсязі чистої води. А подібні міцели мають властивість поглинати ряд екологічно неприємних домішок (бензол, хлоровані уклеводороди і т. д.). Суттєво, однак, що ці домішки можуть перебувати не толбко у воді, але і у вигляді пари і з повітря. Екологічні наслідки цього ефекту очевидні.
Електро - і хемомеханіческіе перетворювачі.
Як вже було згадано раніше, явище оборотного колапсу поліелектролітного гідрогелю може відбуватися не тільки під впливом електричного струму, але також і внаслідок зміни складу термодинамічної якості середовища. Якщо виходити мз загальних прндставленій про гідрогелю як про об'єкт, що дозволяє моделювати поведінку біологічних систем, то це явище (а також побудовані на його основі електро - і хемомеханіческіе перетворювачі) може розглядатися як перший крок на шляху до створення штучного мускулатури. Якщо уважно проаналізувати огляди, то така перспектива виглядає не настільки вже віддаленою.
Нагадаємо, що в перших варіантах «рН - мускул» в лінійних поліелектролітних машинах Качальський і Куна, являв собою слабосшітую стрічку з поліакрилової кислоти і «підтримує полімеру» - полівінілового спирту, здатну скорочуватися і подовжуватися при зміні рН навколишнього середовища. Слід зазначити, що поліакрилова кислота і полівініловий спирт утворюють між собою інтерполімерний комплекс, який, в принципі, сам міг би виявитися робочим тілом рН - мускула (проте, наприкінці 50 - х років інтерполімерние комплекси взагалі не були відомі, так що не можна пред'являти претензії авторам). Корисність системи тут під сумнів не ставиться, але детальний механізм роботи аналога циклу Карно залежить від того, що саме скорочується і подовжується (або розпадається і відновлюється).
Здавалося б, детальний аналіз рН - мускула міг би й розв'язати парадокс, пов'язаний з суперечністю між теоріями Качальський (повне розгортання) і Флорі (Доннановскій ефект). Дійсно, можна спробувати вирахувати ступінь подовження стрічки при повному і неповному розгортанні поліелектроліту при зміні рН середовища. Чому - то цього зроблено не було.
Подальші дослідження, проведені в основному японськими авторами показали, що спектр впливів на речовину гідрогелю, що викликають його контракцію, може бути істотно розширений: стиснення гідрогелю може відбуватися також при зміні іонної сили навколишнього середовища, додаванні осадителя, поверхнево - активних речовин, під впливом зовнішніх електричних полів. Тут аналогія тривимірних оборотно набухаючих гідрогелів і початкових квазіодномерних «хімічних м'язів» цілком очевидна.
Найпростіший вид хемомеханіческого перетворення описаний раніше, де зразок гідрогелю здійснював оборотний механічний процес переміщення вантажу в полі сили тяжіння. Поступальний рух вантажу спочатку забезпечувалося стисненням гелю при впливі на нього осадителя (ацетону). Зворотний рух мало місце при зменшенні концентрації осадителя за рахунок розбавлення його водою.
Яким би не був цей приклад простим, він дає уявлення про роботу цілого класу пристроїв, які об'єднуються під назвою електро - і хемомеханіческіх перетворювачів. Для їх роботи характерне використання замкнутого циклу, на першій стадії якого проводиться оборотне стиснення гелю під тим чи іншим впливом. На другій стадії вплив знімається, і гель повертається у вихідне рівноважний стан.
Приклад організації циклічного режиму за рахунок температурних ефектів.
Температурно залежні електронейтральні гідрогелю є окремий великий клас сполук. Їх детальний розгляд залишається за рамки цього огляду. Проте, представляється цікавим розглянути одну з перспективних можливостей їх застосування.
Діаграми стану у воді багатьох полужесткоцепних полімерів (полівінілпіролідон, але це питання до кінця не з'ясовано, чи поліоксіетілен, але тут частота експериментів порушується кристалізаційних труднощами).
Комбінуючи сополимеризацией гідрофільні і гідрофобні компоненти - такі як оксіетілен і оксіпропілен, - неважко підібрати склад і оптимальний метод кополімеризації, де застосовується малюнок діаграми співіснування гідрогелю.
Така діаграма співіснування дозволяє здійснити аналог циклу Карно. А саме, нижче бінодалі гель сильно набухає у воді, а вище колапсує. Припустимо, що в нічний час доби система знаходиться в атмосфері досить високої вологості і при низькій температурі. Гель буде вбирати в себе вологу. У міру потепління система знизу перетне бінодаль і віддасть акумульовану рідина. Це скорочення буде досить різким фазовим переходом. При високій температурі гель буде в сильно стиснуті стані. НКТР і точки А 1 і А 2 задаються хімічним складом і топологією сітки. Застосування такого циклу для сільського господарства досить очевидно.
Такий цикл може знайти застосування і в гірничо - металургійному справі для організації «тихих вибухів»: процес повинен починатися з засипки сухого порошку в шурф - а далі все має розвиватися природним чином.
Гідрогелі як носії лікарських препаратів.
Цей аспект є одним з найбільш актуальних у плані практичного використання гідрогелів. Справді, з одного боку, кероване пролонговану дію лікарських препаратів володіє безперечними перевагами з точки зору лікувального ефекту. З іншого боку, цей ефект може бути реалізований на вже існуючі типи гідрогелів.
З точки зору вивчення фундаментальних фізико - хімічних закономірностей цю проблему можна в цілому вважати вирішеною. Відомі приклади як температурно - залежних гідрогелів, так і гідрогелів чутливих до зміни рН середовища. На даному етапі мова скоріше йде про проведення цілеспрямованих систематичних досліджень (як фармокологіческіх, так і клінічних) за динамікою вивільнення лікарських препаратів з набряклою сітки. Метою таких досліджень слід вважати підбір оптимальних характеристик гідрогелю по відношенню до кислотно - лужним властивостям травного тракту, а також тестові випробування, покликані задовольнити існуючим медичним стандартам.
Цій проблемі присвячена велика література, яка розглядає питання як з фармокологіческой точки зору, так і з точки зору фізичної хімії полімерів. Тому ми не будемо на ньому докладно зупинятися, зазначимо лише, що і тут мова знову йде про керовану (а точніше передбачуваною) контракції гідрогелю з виділенням у навколишнє середовище несомого речовини. Відмінність від раніше розглянутих процесів полягає в тому, що підбирається середовище, забезпечує контракцію гідрогелю, а навпаки, гідрогель підбирається так, щоб мало місце його уповільнене стиснення у природному середовищі - людському організмі.
Терапевтичний вплив з використанням гідрогелів можна, в принципі, надавати й іншим способом, наприклад, вводячи лікарські препарати в синтетичні матраци, створюють «штучну невагомість». Цей спосіб може знайти застосування при лікуванні сильних опіків.
Гідрогелі в біотехнологіях.
В даний час дуже швидко розвиваються різні прийоми вирощування клітинних популяцій на полімерних підкладках або в контейнерах різного складу і конфігурацій (від плоских підкладок до порожніх волокон). При цьому, одна з біологічних проблем полягає в заміні дифузії (яка в подібних пристроях утруднена) перфузией, щоб забезпечити приплив і відтік продуктів клітинного метаболізму. У розряджених гідрогелю ця досить неприємна інженерна проблема відпадає, бо дифузії може перешкоджати лише дуже щільна упаковка зростаючих клітин. Слід враховувати тільки, що гель не повинен вибірково утримувати або гальмувати поживні речовини та відходи.
Значимість вирощування штучних популяцій клітин обумовлена найважливішими причинами:
1. Зростання клітинної популяції супроводжується побічним, але надзвичайно важливим ефектом селекції за типом клітин, обумовленим адсорбцією. Механізм цього явища не цілком з'ясований, однак, точно встановлено одне: аномальні, в тому числі, канцерогенні клітини в таких умовах не проліфеліруют, зростання їх припиняється. Залишимо професіоналам вирішення питання, чим зумовлене це явище - складом полімерного контейнера або деформацією самих клітин з - за адсорбції на носії - ми привели фактичні дані.
Застосування гідрогелів як свого роду «гідропонних системи» для вирощування клітинних колоній саме по собі не нове. Однак, у зв'язку з вищесказаним, чітка перспектива усунення злоякісних клітин і придушення їх росту виникає відразу, хоча про деталі говорити ще рано.
2. Цито - біохімічний реактор. Можна вирощувати в гідрогель популяцію клітин, специфічно «налаштованого» на продукцію якого - або ферменту чи іншого білка «енергетичної групи», або певної нуклеїнової кислоти і т. д.. Такий реактор легко запустити і постійно підтримувати в робочому стані; якщо ці реактори працюють на суцільних або волокнистих полімерних системах, то не видно причин, чому б вони не стали працювати в більш м'яких умовах гідрогелю.
3.Імплантаціонная або трансплантаційна хірургія. Припустимо що якась - то тканина або орган вийшли з ладу і вимагають заміни або заліковування. Зручний приклад - печінка, вона практично однорідна по клітинному складу, у той час як операції на ній вкрай утруднені. Можна виростити досить велика кількість клітин печінкової тканини і імплантувати її замість пошкодженої ділянки. Завдяки високій реакційній здатності гідрогелів, регулюючи їх склад, можна запобігти небезпеці несумісність або відторгнення.
Гідрогелі як матеріал оптичних елементів.
За своїми оптичними властивостями сильно набряклий гідрогель слабо відрізняється від води, так як при ступенях набухання близько тисячі, концентрація власне полімеру в системі стає, вочевидь, дуже низькою. Це означає, що набряклий гель має досить високим показником заломлення і малим поглинанням у видимій області спектра. Якщо поряд з цим взяти до уваги хороші пружно - механічні властивості набряклого гелю, то стає очевидною перспективність його використання в якості матеріалу доячи оптичних елементів з керованими характеристиками.
Найпростішим оптичним елементом такого роду являетсяконтактная лінза, в даний час вже реалізована на практиці. Наступним етапом є створення лінзи з керованим фокусною відстанню. У якому - то сенсі така лінза буде повним аналогом кришталика в очах ссавців - її фокусна відстань може змінюватись заданим чином різними способами, в тому числі і природно - біологічним.
Запитання можна поставити і більш широко. Оборотний колапс гідрогелю дозволяє говорити про розробку адаптивних оптичних систем, в тому числі і з перебудовується конфігурацією поверхні. Сувора теорія тут може бути побудована на основі розгляду гідрогелю як сукупності мікроінтерферометров Фабрі - Перо. Зміни форми поверхні і її загальної конфігурації можна досягти або піддаючи гідрогель локальному дії електричного струму, або створюючи відповідний розподіл механічних деформацій.
Такі оптичні елементи можуть знайти застосування для корекції хвильового фронту в системах формування зображення, послужити основою для практичного вирішення розв'язання задачі звернення хвильового фронту і так далі. Таким чином, і для технічних застосувань в оптиці на перший план виступає можливість управляти характеристиками гідрогелю за допомогою зовнішніх впливів.
Можливості використання гідрогелю у високих технологіях.
Висока чутливість гідрогелю до невеликих змін характеристик зовнішнього середовища дозволяє говорити про його використання в технологіях, де пред'являються підвищені вимоги до керованості робочої речовини (гідрогелі як «intelligent materials "). Зупинимося коротко на двох прикладах використання гідрогелів у високих технологіях: в лазерної та напівпровідниковій техніці.
Гідрогель може бути використаний як стабілізатор оптично активного середовища в потужних перебудовуються лазерах на барвниках. Відомо, що одним з факторів, що обмежують потужність лазера на основі рідких активних середовищ, є конвективні потоки, що розвиваються внаслідок нерівномірного нагріву середовища. Такі потоки роблять неможливою стійку генерацію когерентного випромінювання. Висока прозорість гідрогелю дозволяє, з одного боку, використовувати його як розчин барвника. З іншого боку, оскільки гідрогель є полімерною сіткою, то питання про конвективних сітках відпадає сам собою. У перспективі детальне дослідження взаємодія гідрогелю з оптично активними середовищами може послужити основою для спрямованого і планового зміни спектральних характеристик таких середовищ.
Розглянемо можливість застосування гідрогелю як матеріалу для напівпровідникових елементів. Локальне зовнішній вплив на набряклу сітку дозволяє отримувати заданий розподіл щільності сіткового заряду. Якщо ж вихідний гідрогель був поліамфолітним, то можна говорити і про дизайн областей з різним знаком провідності в межах одного зразка. Технічно це можна зробити використовуючи інжектування в поліамфолітний гідрогель речовин, що утворюють нерозчинні сполуки або з аніонними, або з катіонними групами.
Тут можна говорити про прямий аналогії з виготовленням транзисторів на базі монокристала кремнію, в різні ділянки якого вводяться або донорні, або акцепторні домішки. Відмінність полягає в тому, що в разі гелю вихідний «монокристал» володіє рухомими зарядами обох знаків. Вибір типу провідності здійснюється за рахунок хімічного придушення провідності одного з типів. Подальша робота такого органічного транзистора за своїми фізичними принципам мало відрізняється від існуючого: роль р - п і п - р переходів можуть грати подвійні електричні шари, спонтанно розвиваються на кордонах областей з різним знаком провідності.
Інформаційні системи на базі гідрогелів можуть розглядатися як одна з найпростіших моделей біологічних систем. Дійсно, всі інформаційні процеси, що протікають в живій клітині, можуть бути зведені до перенесення елементарного заряду між відповідними ланками полікислоти і поліоснованій. Саме такі процеси і можна моделювати за допомогою гідрогелю.
Загальні закономірності.
Ми розглянули тільки деякі принципові можливості практичного використання сильннабухаючих гідрогелів. Тим не менше, навіть з наведених конкретних прикладів видно широкі перспективи, що існують як в найближчому, так і в більш віддаленому майбутньому. Незважаючи на різноманітність технологій, які можуть бути реалізовані на основі гідрогелю, можна виділити один, спільний для них усіх аспект. Гідрогелі мають високу чутливість до зовнішніх впливів. У них яскраво виражені такі властивості як програмованість керованість. У той же час це «м'які» системи, здатні працювати в різноманітних штучних і природних умовах, включаючи складні живі організми. А це означає, що в предвидимом майбутньому гідрогелю можуть стати особливо перспективними матеріалами для цілого ряду нових технічних і біомедецінскіх рішень.
Список використаних літератур
Бектуров Е.А., Кудаібергенов С.Є., Хамзамуліна Г.Е. Катіонні полімери. Алма-Ата, Наука. 1986.158с.
Семчик Ю.Д., Жильцов С.Ф., Камаєва В.М. Введення в хімію полімерів. М., 1988. 150с.
Кушнер В.П. Конформаційна мінливість і денатурація біополімерів. Л., 1977. 275с.
Лебедєв В.С., Гавуріна Р.К. Високомолекулярні сполуки. 1964, т-6, № 8, с.1353 - 1358.
Шаяхметов Ш.Ш., Кудаібергенов С.Є., Бектуров Е.А. - Изв. АН Каз РСР. Сер. хім., 1979, № 3, с.67-70
Кудаібергенов С.Є., Шаяхметов Ш.Ш., Бектуров Е.А. - Високомол. соед., 1980. Т.Б22. с91-94.
Текфорд Ч. Фізична хімія полімерів. М., 1965, 772 с.
Лебедєв В.С., Логінова М.М., Гавуріна Р.К. - Високомол. соед., 1964, Т.6, № 7, с1174-1180.
Кабанов В.А. та ін - Високомол. соед., 1977, Т.Б 19, с 95.
Жайміна Г.М., Бімендіна Л.А., Бектуров Е.А. - Ізв.АН Каз РСР. Сер. хім., 1982, № 6.
Грасселі Дж., Снейвілі М., Балкін Б. Застосування спектроскопії КР в хімії. М., 1984. 261 с.
Барабанов В.П., Вяселева Г.Я., Ярошевська Х.М. - Високомол. соед., 1978, Т.Б 20, с760.
Таусарова Б.Р. та ін - Изв. АН СРСР, Сер. хім., 1975, № 7, с 1549.
Бектуров Е.А., Сулейменов І.Е. Полімерні гідрогелю. Алмати. «Гилим». 1998. 238с.
Тагер А.А. Физикохимия полімерів. М.: «Хімія», 1978. с.453
Khoklov AR, Philippova OE / / Solvents and Self - Organization of Polymers. NATO ASI Series E: 1996. v.327 p.197
Хохлов А.Р., Домінтонова Е.Е. / / Успіхи Фіз. Наук. 1997. Т.167. № 2. с.113
Бектуров Е.А., Кудаібергенов С.Є. Физикохимия розчинів полімерів - Алмати: «Санат», 1993. с.248
Kazanskii KS, Dubrovski SA / / Adv. Polym. Sci. 1992. V. 104. p.97
H. Bronsted, J. Kopesek. HY-Sensitive Hydrogels. ACS. Polyelectrolyte gels, 1992. P 285
Шібаловіч В.Г., Кайденова І.Ю. Дослідження впливу природи йоногенних груп на водовбирну здатність поліакрілатних гідрогелів / / в СБ: Тез. Докл. III Всесоюзну. Конф. по водорозчинним полімерам: Іркутськ 1987. с.37
Казанський К.С. та ін Термодинаміка сильннабухаючих полімерних гідрогелів / / в СБ: Тез. Докл. III Всесоюзну. Конф. по водорозчинним полімерам: Іркутськ 1987. с.62
Агафонов О.А. та ін Гідрогелі для підвищення вологоємності грунтів і пісків / / в СБ: Тез. Докл. III Всесоюзну. Конф. по водорозчинним полімерам: Іркутськ 1987. с.167
Філіппова О.Е. Високомолек. соед. Серія С, 2000, Е.42, № 12, с 2328-2332.
Нуркеева З.С. водорозчинні і водонабухающіе полімери вінілових ефірів гліколів і аміноспиртів / / Автореф. Док. Дисс. М.: 1993. с.45
Ергожін Е.Е., Рафіков С.Р., Уткелов Б.А., Нурахметов К.Н. / / Докл. АН СРСР. 1989. Т 308. с.1380
Бектуров Е.А., бімендіна Л.А., Мамитбеков Г.К. комплекси водорозчинних полімерів і гідрогелів. Алмати «Гилим». 2002. 220с.
Яцимирський К.Б. Біологічні аспекти координаційних з'єднань. Київ, 1979, 268с.
Бектуров Е.А., Бімендіна Л.А., Кудаібергенов С.Є. Полімерні комплекси та каталізатори. Алма-Ата, Наука, 1982, 191с.
Бек М. Хімія рівноваг реакцій комплексоутворення. М. 1973, 359с.
Желіговський М.М., Черняєв І.І. Хімія комплексних сполук. М., ВШ, Ciardelli F., Tsuchida E., Wohrle D. macromolecule Metal Complexes. Springer-Vertag, Berlin, 1996
Wohrle D. / / 7-th Intern. Symp. "Makromolekle-Metal Complexes". Leiden. The Nitherlands. 1997. I 116
Nsuchida E., Abe K. / / Adv. Polym.Sci / 1982. V.45.P.1
Saegusa T., Kobayashi S., Yfeashi K., Yamada A. / / Polym.J. 1978. V.10 P.403
Guilbaut LJ, Murano M., Harnwood HJ / / J. Macromol. Sci.Chem. 1973. V.7.P.1065
Nishide H., Tsuchida E. / / Macromol.Chem. 1976. B. 177.S.2453
Nishide H., Tsuchida E. / / Macromol.Chem. 1976. B. 177.S.2295
Utkelov BF, Ergozhin EE / / Macromok.Chem.Macromol.Sump.1989. V.26.P.233
Utkelov BA, Nurachmetov KN, Ergozhin EE / / Macromok.Chem.Rapid Commun. 1990. V.11.P.1
Davankov VA, Semechkin AV / / J. Chromatogr. 1977. V.41.P.313
Trochimczuk AW / / MMC-7, 7-th Intern.Symp.Macromolecule-Metal Complexes.Leiden.The Netherlands. 1997. S105
Ferruti P., Barbucci R. / / Adv.Polym.Sci.1984.V.58.P.57
Ferruti P. / / Polym.Materials Encyclopedia (ed.J.Salamone) CRC Press, Boca Raton. 1996.V.5.P.3334
Casolarco M. / / Polym.Materials Encyklopedia (ed.J.Salamone) CRC Press. Boca Raton. 1996.V.5.P.7979
Casolaro M., Bignotti F., Sartore L., Penco M. / / Polymer. 2001. V.42, P.903
Hill IRC, Garnett MC, Bignotti F., Davis SS / / Biochim.Biophys.Acta. 1999.V.161.P.1427
Анненков В.В. Реакції комплексоутворення за участю полівінілазолов. / / А.Р. дісс.д-ра хім.наук. Іркутськ. 2001. 48с.
Анненков В.В., Аласур І.А., Даніловцева Е.Н. та ін / / Високомол. соед.1999. Т.А41. с.1404
Анненков В.В., Даніловцева Е.Н., Луненок О.В., Аласур І.А., Сараєв В.В. / / Изв. РАН. Сер.хім.2001. № 8.с.1317
Annenkov VV, Mazyar NL, Kruglova VA, Ananiev SM / / Abstr. YII Intern.Conf. "The problems of salvation and complex formation in solytion". Ivanovo. 1998. P.354
Chan WC / / Polym.Int.1995.V.38.P.319
Kudaibergenov SE Polyamfolytes: Synthesis, Characterization and Application. Cluver Academic / Plenum Press New York. 2002.214p.
Kudaibergenov SE, Khamitzanova G., Bimendina LA / / Abstr. Intern.Symp. "Makromolecule-metal complexes". New York.2001.P24
Kudaibergenov SE, Koizhaganova RB, Diduch AG, Zhumadilova GT, Bimendina LA / / Abstr.7-th Pacific Polym.Conf. Microsymp. Sensitive polymers and smart gels. Brazile. Mexico.2001
Koizhaganova RB, Kudaibergenov SE, Geckeler K. / / Macromol.Chem.Rapid Commun. (To be publ.)
Khamitzhanova G., Moution J., Yasharova M. / / Proceed. Intern.Monitoring Conf., Semipalatinsk, 2002
Kudaibergenov SE, Koizhaganova RB, Diduch AG, et al / / J.Phys.Chem.
Lee WF, Tu YM / / J.Appl.Polym.Sci.1999.V.72.P.1221
Rivas BL, Maturana HA, Molina MJ Gomes-Anton MR, Pierola IF / / J.Appl.Polym.Sci 1998. V.67.P.1109
Оспанова А.К. «Фізико-хімічні основи утворення координаційних сполук металів IB, IIB та YIB підгруп з поліетіленіміном і унитиолом». / / А.р.дісс.д-ра хім.наук. Алмати.2002
Оспанов Х.К., Оспанова А.К. Електрохімічні і термодинамічні властивості унітіолу і унітіолатних комплексів. Алмати. «Русском університети» .2002.328 с.
Усановіч М.І. Дослідження в області теорії розчинів і теорії кислот і основ. Алмати. «Наука». 1970. 365с.
Пірсон Р.Дж. Жорсткі та м'які кислоти і основи. / / Успіхи хімії. 1971. Т.40.с.1259
Зезін А.Б., Кабанов В.А. / / Успіхи хімії. 1982.Вип.9.с.1447
Кабанов Н.М., Кокорін А.І., Рогачова В.Б., Зезін А.Б. Високомол.соед.1979. Т.А21.с.209
Кабанов Н. М. Кожевникова Н.А., Кокорін А.І., Рогачова В.Б., Зезін А.Б., кабанів В.А. / / Високомол.соед.1979.Т.А21.с.1891
Кабанов Н.М., Хван А.М., Рогачова В.Б., зезеін А.Б., Кабанов В.А. / / Високомол.соед.1979.Т.Б21.с535
Sarac AS, Ustamehmetoglu B., Mustafaev MI, Erbil C., Uzelli G. / / J.Polym.sci.part A: Polym.chem.1995.V.33.P.1581
Ustamehmetoglu B., baykeln S., Sunmez G., Sarac AS / / J.Polym.sci.Part A: Polym.Chem. 1999.V.37.P.1115
Bronstein Lm, Platonova OA, Yakin AN et al. / / Langmuir.1998. V.14.P.259
Бектурганова Г. К., Бімендіна Л. А., Мамитбеков Г. К., Бектуров Е. А. / / Изв. МН - АН РК. Сер. Хім. 1998 № 3. З 22
Bimendina LA, Bekturganova GK, Bekturov EA / / 8-th Intern.Conf.Polymer Based Adv.Adv.Techn. (POC'98) .1998
Bimendina LA, Bekturganova GK, Nolendina AK, Bekturov EA / / MRC. Boston.1998
Macromolecular Interactions.Eds.Ratajizak H., Orwille WJ Thomas Willey Interscience Publ.1981
Джумаділов Т.К., Бектуров Е.А., Бектурганова Г.К. Іон-дипольні комплекси неіонних полімерів. Алмати. «Евері». 2002. 179с.
Molyneux P. Sunthetic Polymers in Water. London. 1975.V.4.Ch.7