VIVOS VOCO: Филиппова О.Е., "«Умные» полимерные гидрогели"

“Умные” полимерные гидрогели

О.Е.Филиппова

Ольга Евгеньевна Филиппова, д. ф.-м.н., физфак МГУ им.М.В.Ломоносова.

В последние годы в повседневной жизни появилось много новых полимерных материалов, к их числу относятся и полимерные гели. Еще 20-30 лет назад мало кто о них слышал, а сегодня они уже прочно вошли в наш быт и используются как наполнители в подгузниках, гигиенических салфетках, мягких стельках, принимающих форму стопы, и т.д. Чем могут быть интересны уже ставшие тривиальными материалы и почему ими продолжают заниматься ученые? Ответы на эти вопросы читатель найдет в данной статье.

Набухание и коллапс

Полимерные гели представляют собой набухшие в растворителе длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями (сшивками) в единую пространственную сетку (рис.1). Такие гидрогели способны поглощать и удерживать в себе огромное количество воды: до 2 кг на 1 г сухого полимера. Благодаря этому свойству их называют молекулярными губками. Столь высокая способность поглощать воду характерна для полиэлектролитных гелей, т.е. гелей, содержащих заряженные группы. Почему именно эти гели способны поглощать много воды?

В водной среде они диссоциируют с образованием заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов так же, как молекулы соли распадаются в воде на катионы и анионы. Однако при диссоциации в молекуле полимера ионы одного заряда, например положительные, остаются связанными с цепью, а отрицательные (т.е. противоионы) оказываются в свободном состоянии, в растворителе (см. рис.1). Звенья полимерной сетки, одноименно заряженные, отталкиваются друг от друга, и потому цепи, исходно свернутые в клубки, сильно вытягиваются. В результате образец геля значительно увеличивается в размерах, т.е. набухает, поглощая растворитель.

Рис. 1. Схема строения трех форм полимерного геля. Слева направо: незаряженная сетка, полиэлектролитная (в ней за счет диссоциации ионогенных групп в водной среде образуются заряженные звенья на полимерных цепях и низкомолекулярные противоионы) и сетка с гидрофобными группами, ассоциирующими друг с другом в водном растворе.

Низкомолекулярные противоионы тоже играют существенную роль в набухании. Они свободно перемещаются в растворителе внутри геля, иначе говоря, приобретают трансляционную энтропию. Но покинуть его они не могут, так как это приведет к нарушению электронейтральности. Таким образом, поверхность образца геля оказывается непроницаемой для противоионов. Будучи запертыми внутри, они стараются занять как можно больший объем, чтобы получить существенный выигрыш в энтропии трансляционного движения. В результате создается “распирающее” осмотическое давление, вызывающее значительное набухание геля, подобно тому, как давление газа “надувает” воздушный шар. Итак, сильное набухание полиэлектролитных гелей в воде обусловлено как электростатическим отталкиванием одноименно заряженных звеньев, так и осмотическим давлением противоионов. Если количество заряженных звеньев невелико, гель в основном набухает за счет осмотического давления противоионов [1-3].

Из-за огромного количества растворителя в набухших гелях возможны фазовые переходы. Как правило, они вызваны усилением притяжения между звеньями сетки, что приводит к вытеснению растворителя из геля в наружный раствор. В итоге объем геля скачкообразно уменьшается в сотни раз. Столь значительное изменение видно невооруженным глазом [4] (рис.2).

Рис. 2. Коллапс полимерного геля при нагревании

Резкое уменьшение объема геля при небольшом изменении внешних условий называется коллапсом [2, 4]. Силы притяжения, которые его вызывают, в водных средах обычно обусловлены гидрофобными взаимодействиями или водородными связями. Как только какой-то внешний фактор (например, температура, состав растворителя, рН и т.д. [4]) делает преобладающими силы притяжения, переход геля в сколлапсированное состояние становится неизбежным.

Таким образом, полимерные гели, находящиеся “на пороге” коллапса, могут чрезвычайно резко и обратимо изменять свой объем в ответ на небольшие изменения параметров среды. Благодаря этому такие гели называют восприимчивыми (responsive gels), или по-другому - умными материалами (smart or intelligent materials), т.е. материалами, способными реагировать на небольшие изменения во внешней среде заранее запрограммированным образом [5].

В зависимости от воздействия, которое вызывает коллапс, восприимчивые гели можно разделить на термо-, фото- и рН-чувствительные [4]. Последние представляют особый интерес.

Лекарства в геле

Восприимчивые к рН гели содержат группы слабой кислоты или слабого основания, способные к ионизации при изменении кислотности внешнего раствора. Будучи незаряженными, эти умные материалы находятся в сколлапсированном состоянии, ионизация же вызывает их набухание из-за электростатического отталкивания одноименно заряженных звеньев и “распирающего” осмотического давления противоионов. Понятно, что гидрогели с кислотными группами набухают в щелочной среде и коллапсируют в кислой, где ионизация подавлена, а если содержат основные группы, то, напротив, набухают в кислой среде и коллапсируют при повышении рН (рис.3).

Лекарственные вещества уже давно стали помещать в полимерные матрицы, чтобы препарат медленно выделялся из носителя и оказывал благодаря этому пролонгированное действие. Гели, восприимчивые к рН, можно использовать не только для той же цели, но и для направленной доставки лекарства. Чтобы ввести его в гелевый носитель, достаточно поместить образец геля в раствор лекарственного вещества (в том числе и такого крупного, как белок), и оно окажется внутри полимерной матрицы. Затем гель высушивают (удаляют растворитель), и тогда он становится лекарственной формой. Если этот “контейнер” снова поместить в растворитель, лекарственное вещество будет выделяться, причем тем быстрее, чем больше степень набухания геля (т.е. чем сильнее раскрыты его поры). Так полимерная матрица контролирует скорость выделения лекарства. Но, кроме того, она может обеспечить его доставку непосредственно к тому участку организма, который нуждается в препарате.

Создавая системы направленного транспорта лекарственных веществ, специалисты учитывают, что разные отделы пищеварительного тракта человека сильно различаются кислотностью. Например, в желудке кислая среда (рН 1.4), в кишечнике - близкая к нейтральной (рН 6.7-7.4). Чувствительный к рН гель с лекарством, попав в организм, отдаст содержимое там, где он набухнет. Благодаря таким свойствам для направленного транспорта лекарственного вещества в желудок можно использовать гели, содержащие группы слабого основания и поэтому набухающие в кислой среде желудка, например, гель на основе N,N-диметиламиноэтилметакрилата. Кроме того, такие гели могут служить еще и в качестве защитной оболочки. Они сколлапсированы при нейтральных рН во рту и тем самым предотвращают растворение лекарственного вещества в слюне, избавляя больного от неприятного вкуса горького лекарства (taste-masking application) [4, 5].

Гели на основе слабой кислоты набухают в щелочной среде (см. рис.3), а в желудке при рН 1.4 они сохраняют лекарственное вещество внутри себя. Тем самым препарат не испытывает вредного воздействия столь высокой кислотности, а кроме того, и слизистая желудка не подвергается нежелательному воздействию лекарства. Попав в кишечник (рН 6.7-7.4), гель набухает и выделяет там вещество.

Рис. 3. Влияние рН на набухание геля с группами слабой кислоты (слева) и с группами слабого основания. Если полимерные цепи не имеют ионизованных групп, гель находится в сколлапсированном состоянии; заряженный гель набухает.

Подобные гели особенно важны при лечении таких болезней, как панкреатит. Обычно больные вынуждены постоянно употреблять ферменты, чтобы облегчить переваривание и усвоение пищи в тонком кишечнике. В настоящее время для лечения этой болезни используются лекарственные препараты, содержащие фермент амилазу. Однако в исследованиях установлено, что только малая его доля (<10%) достигает кишечника в активном состоянии. Причина этого - инактивация фермента в сильно кислой среде желудка. Если же амилаза спрятана в гидрогеле, она может там находиться без ущерба для активности [4, 5].

Не менее важны восприимчивые к pH гидрогели и в тех случаях, когда больные принимают противовоспалительное средство индометацин. Здесь уже приходится защищать желудок от агрессивного лекарства - оно способно даже привести к разрушению ткани желудка. Гель полностью предотвращает выделение индометацина в желудке и тем спасает больного от дополнительных неприятностей.

Таким образом, рН-чувствительные гели не только выполняют функцию матрицы, которая дозированно выделяет лекарство в определенном отделе пищеварительного тракта, но и служат защитной оболочкой [4, 5].

Протекающие в организме патологические процессы, как правило, связаны с изменением рН, температуры, концентрации конкретных веществ. Поэтому появляется возможность создавать системы с обратной связью, когда возникшие отклонения от нормы инициируют выделение лекарственного препарата. Создание подобного рода саморегулирующегося лекарства крайне необходимо для больных сахарным диабетом. Гидрогели вполне подходят для такой цели в качестве искусственной поджелудочной железы, которая выделяет инсулин в ответ на изменения концентрации глюкозы [4, 5]. Некоторые успехи в этом уже достигнуты. Сначала рН-чувствительный гель с группами слабого основания насыщают инсулином, а затем иммобилизуют фермент глюкозооксидазу. Когда глюкоза диффундирует из внешнего раствора в гидрогель, глюкозооксидаза окисляет ее до глюконовой кислоты, которая вызывает ионизацию геля и его набухание. Оно в свою очередь “раскрывает” поры геля и способствует выходу из него инсулина. Чем больше глюкозы в крови, тем больше инсулина выделяется из геля.

Дальнейший прогресс в создании саморегулирующихся лекарств, в частности, требует разработки способов получения гидрогелей, которые переходили бы из сколлапсированного состояния в набухшее при разных значениях рН. Это позволило бы более тонко контролировать как место, так и скорость выделения лекарственного препарата.

Конструирование гелей

На нашей кафедре разработан способ получения гидрогелей с любой заранее заданной величиной рН перехода из сколлапсированного состояния в набухшее. Экспериментировали с гелем слабой - полиакриловой - кислоты (ПАК), в которую вводили боковые гидрофобные группы, чтобы усилить гидрофобные взаимодействия между звеньями полимерной сетки (рис. 4). Чем сильнее гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие сколлапсированное состояние геля, тем выше рН перехода в набухшее состояние, так как необходимо значительнее увеличить степень ионизации геля, чтобы преодолеть дополнительное гидрофобное притяжение между звеньями и вызвать набухание геля.

Рис. 4. Химический состав гидрофобно модифицированного полиакрилатного геля. Варьируя число гидрофобных звеньев и их длину, можно контролировать гидрофобные свойства, а меняя степень ионизации звеньев акриловой кислоты - регулировать противодействующий фактор, т.е. электростатическое отталкивание одноименно заряженных групп.

Гидрофобные звенья в н-алкилакрилате - это длинные неполярные алкильные группы (из 8, 12 или 18 атомов углерода), замещающие атомы водорода в ПАК. Гидрофобные взаимодействия между этими группами тем сильнее, чем их больше и чем они длиннее. Следовательно, варьируя содержание гидрофобных звеньев и их длину, можно четко контролировать гидрофобные свойства гелей и, как следствие - область перехода.

Мы экспериментально установили зависимость степени набухания гидрофобно модифицированных гелей ПАК от рН внешнего раствора (рис.5). Без гидрофобных групп при низких величинах кислотности гель почти не содержит воду, он сколлапсирован, а при повышении рН начинает набухать, и когда ионизация достигает максимума, 1 г полимера (в расчете на сухой вес) способен поглотить 300 г воды. В модифицированном геле гидрофобные взаимодействия вызывают образование агрегатов, которые играют роль дополнительных сшивок и препятствуют набуханию. Чтобы перевести такой гель в набухшее состояние, необходимо разрушить агрегаты. Для этого нужно ввести дополнительное количество заряженных звеньев (т.е. повысить рН среды). Чем больше ассоциирующих групп и чем сильнее их притяжение друг к другу, тем значительнее смещается рН перехода [4].

Рис. 5. Зависимость степени набухания гелей от рН внешнего раствора. Видно, что в сильно кислой среде все гели сколлапсированы. Они начинают набухать по мере повышения рН, причем раньше других набухает полиакрилатный гель (1), а затем последовательно и те, что содержат 2.5% (2), 10% (3) и 20% (4) гидрофобных н-октилакрилатных звеньев.

Методом ядерного магнитного резонанса мы установили, что гидрофобные агрегаты распадаются по мере ионизации геля из-за усиливающегося электростатического отталкивания. Когда они исчезают, модифицированный гель ведет себя так же, как исходный гель ПАК, т.е. достигает степени набухания 300. Если гель содержит более 20% модифицирующих групп, гидрофобное притяжение может эффективно конкурировать с электростатическим отталкиванием, и потому ионизация приводит только к частичному разрушению агрегатов. В результате даже полностью ионизованный гель имеет степень набухания 200.

Таким образом, подбирая длину и число гидрофобных групп, удается не только получить гель с любым заранее заданным рН перехода из сколлапсированного состояния в набухшее, но и достичь требуемой степени набухания при данной кислотности.

Мы проверили гидрофобно модифицированный гель на способность удерживать и выделять известное многим нестероидное противовоспалительное средство - индометацин - при разных рН среды. Выяснилось, что, будучи сколлапсированным, гель в сильно кислой среде прочно удерживает в себе абсорбированный индометацин и начинает выделять его лишь во время набухания при более высоких рН. Следовательно, в желудке (рН 1.4) гель не будет отдавать лекарство, а целенаправленно доставит его в кишечник (рН 6-7.4). Там скорость выделения индометацина существенно зависит от гидрофобности геля, т.е. от содержания и длины гидрофобных групп. Из слабо набухших гидрофобных гелей лекарственное средство выделяется медленнее, чем из сильно набухших с низкой степенью гидрофобности. При одном и том же рН можно подобрать степень гидрофобности геля так, чтобы обеспечить необходимую скорость выделения лекарства. Следовательно, введение гидрофобных групп позволяет контролировать не только пункт доставки препарата, но и скорость, с которой его отдает гель.

Особый интерес модифицированные гели представляют в качестве носителей плохо растворимых в воде лекарственных средств. Это их свойство обеспечивает им солюбилизацию в гидрофобных агрегатах полимера. Лишь по мере их разрушения в процессе ионизации геля препарат выйдет из него. В этом случае гидрофобные агрегаты играют роль “депо”, в которых хранится лекарство.

Гели с наноструктурой

Мы не ограничились созданием только что описанных гелей, цель которого - как можно эффективнее использовать их для доставки лечебного препарата к больному месту в организме, отдавать лекарство с необходимой скоростью и даже хранить его до поры до времени. Мы получили полимерные системы с наноструктурой, восприимчивой к внешним воздействиям.

В неионизованном модифицированном геле гидрофобные звенья участвуют в образовании агрегатов по всему его объему и формируют таким образом уникальную наноструктуру системы. Методом малоуглового нейтронного рассеяния мы установили, что наноструктура чрезвычайно чувствительна даже к небольшим изменениям рН среды, вызывающим ионизацию звеньев геля. Введение всего лишь 2% заряженных групп [6] вызывает кардинальную перестройку наноструктуры - микрофазное расслоение: гидрофобные агрегаты, изначально равномерно распределенные в набухшей гидрофильной полимерной сетке (в среднем на расстоянии 5.5 нм друг от друга), не несущей ионизованных групп, при их введении уплотняются, агрегируют между собой и образуют надструктуры - гидрофобные кластеры (рис.6).

Рис. 6. Схема изменений наноструктуры гидрофобно модифицированных полиакрилатных гелей при варьировании рН. Гель (в виде регулярной сетки) с недиссоциированными карбоксильными группами (-СООН) находится в коллапсе вплоть до рН4. Когда рН увеличивается, гидрофобные звенья агрегируют и образуются кластеры. При еще большем увеличении крупные кластеры дробятся на более мелкие.

На кривых малоуглового нейтронного рассеяния появляются максимумы, которые соответствуют среднему расстоянию между рассеивающими объектами, т.е. кластерами (рис.7). Оно достигает 22.4 нм. Разделяющее кластеры пространство представляет собой набухшие в воде гидрофильные “каналы”, в которых сосредоточены заряженные звенья геля и противоионы.

Рис. 7. Кривые малоуглового нейтронного рассеяния для модифицированных гелей, содержащих 20% гидрофобных н-додецилакрилатных звеньев, с разной степенью ионизации: 1, 2, 4, 6 и 20%.

Размеры кластеров и среднее расстояние между ними чрезвычайно восприимчивы к рН среды, вызывающей ионизацию геля. Повышение степени ионизации с 2 до 20% приводит к сокращению среднего расстояния между кластерами с 22.4 до 8 нм и к существенному уменьшению их размеров [6]. Значительное изменение микроструктуры мы объясняем тем, что при повышении степени ионизации геля электростатическое отталкивание заряженных групп на поверхности кластеров вызывает их “дробление” на множество более мелких, в результате чего среднее расстояние между кластерами уменьшается. Из-за “дробления” повышается суммарная площадь поверхности кластеров и, соответственно, увеличивается расстояние между одноименно заряженными группами.

Полученные нами гели по всем характеристикам принадлежат к “умным” полимерным системам, наноструктуру которых можно направленно изменять, варьируя параметры внешней среды, например, рН. Ранее такие гели не были известны.

* * *

Человек постоянно совершенствует разнообразные материалы, ищет новые области их применения. С полным основанием это относится и к полимерным гидрогелям. Как оказалось, реестр их изученных свойств еще далек от завершения, а те характеристики, которые выявляются в экспериментах, наводят на мысль, что этим молекулярным губкам, “умным” материалам, уже пора послужить медицине.

Литература

1. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. М., 1989.

2. Хохлов А.Р., Дормидонтова Е.Е. // Успехи физ. наук. 1997. Т.167. №2. С.113-128.

3. Хохлов А.Р. // Соросовский образовательный журнал. 1998. №11. С.138-142.

4. Филиппова О.Е. // Высокомолек. соед., серия С. 2000. Т.42. №12. С.2328-2352.

5. Галаев Ю.В. // Успехи химии. 1995. Т.64. №5. С.505-524.

6. Philippova O.E., Andreeva A.S., Khokhlov A.R. et al. // Langmuir. 2003. V.19. №18. P.7240-7248.