авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Новые композиционные полимерные материалы на основе поли(3-гидроксибутирата) для контролируемого высвобождения лекарственных веществ.

-- [ Страница 2 ] --

Относительная ошибка измерения составляет 6% (для индивидуальных полимеров) и 9% (для смесевых композиций).

3.2. Результаты сканирующей электронной микроскопии.

Для выяснения особенностей морфологии пленок смесей ПГБ и ПА, сформированные из расплава и раствора, были получены микрофотографии поверхностей пленок, зафиксированные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

На микрофотографиях образцов ПГБ показаны эти весьма существенные различия – см. рисунки 3.а и 3.б для биополимера после испарения растворителя (хлороформа) и после плавления и прессования, соответственно.

Для всех прессованных образцов как исходных ПГБ и ПА, так и смесей наблюдается достаточно однородная текстура, зафиксированная при охлаждении образца до комнатной температуры (см., например, рис.4б).

Для пленок, полученных комбинацией последовательного испарения растворителей по схеме диоксан – хлороформ (или этиловый спирт для ПА), морфология более сложная. Во-первых, практически все образцы имеют достаточно развитую структуру микропор, геометрия которых отдаленно напоминает сферическую. Испарение растворителя с достаточно умеренной скоростью в течение 3х – 4х суток приводит к образованию не сквозных микропор округлой формы и достаточно рельефную поверхность как в исходном биополимере (рис.3а), так и в смеси (рис.4а). Рельефность поверхности образуется за счет агломерации мелких сферических частиц размером 500 – 1000 нм. Напомним, что ПГБ в исходной клетке бактерии, т.е. в нативном состоянии, существует и накапливается также в виде микрогранул. По-видимому, после растворения ПГБ при кипячении и последующего удаления растворителя макромолекулы ПГБ вновь возвращаются к исходной структуре, что и приводит к достаточно сложной морфологии биополимерных пленок. В работе дан численный анализ распределения пор по размерам диаметра. Как показывает это распределение, в полимерных матрицах преобладают поры размером 5 мкм.

 А Б СЭМ микрофотографии-2  А Б СЭМ микрофотографии-3

А Б

Рис. 3. СЭМ микрофотографии пленок ПГБ, полученных по 2х-стадийной схеме диоксан-хлороформ, испарением растворителя (хлороформа) (А) и прессованием расплава (Б). Увеличение х2000.

 А Б СЭМ микрофотографии-4  А Б СЭМ микрофотографии-5

А Б

Рис.4. СЭМ микрофотографии смесевых пленок ПГБ-ПА с соотношением компонентов 1:1, полученных испарением растворителя (А) и прессованием расплава (Б). Увеличение х1000.

3.3 Результаты термогравиметрического анализа.

Разработка новых композитных полимерных материалов, способных к контролируемому биоразложению, требует, во-первых, надежного знания соотношения компонентов в полимерной композиции. С другой стоны, для успешного получения этих материалов необходимо знать не только температуру плавления (кристаллизации) смеси, но и ее температуру разложения. Для решения этих задач нами использовался метод термогравиметрического анализа (ТГА). На рис. 5 представлены термограммы ТГА, полученные для исходных полимеров (крайние кривые) и их смесевых составов. Для того, чтобы окислительные процессы не искажали характер термического распада эксперимент был проведен в атмосфере азота при отсутствии кислорода воздуха.

 ТГА термограммы смесевых-6
Рис. 5. ТГА термограммы смесевых композиций ПА:ПГБ с различным соотношением полимерных компонентов. Термограммы ПГБ и полиамида. 1- ПА:ПГБ=1:0, 2- ПА:ПГБ=0:1, 3- ПА:ПГБ=1:1, 4- ПА:ПГБ=2:1, 5- ПА:ПГБ=4:1, 6- ПА:ПГБ=8:1, 7- ПА:ПГБ=19:1

На рис. 5 показано, что температурные области разложения исходных полимеров ПГБ и ПА не пересекаются, что упрощает анализ результатов ТГА. Для всех смесевых композиций наблюдаются два характерных участка, где потеря веса композиции происходит с различной интенсивностью. Скорости падения веса образца с нарастанием температуры различны: более высокие на начальном участке и более плавные, замедленные на конечном.

Сопоставление этих кривых с кривыми исходных полимеров можно сделать вывод, что начальный участок потери веса при пиролизе характерен для ПГБ, а завершающий – для ПА.

Для всех композиционных систем характерна точка перегиба, т.е. точка потери веса на шкале температур, в области которой заканчивается деградация ПГБ и начинает преобладать терморазлажение ПА. Положение этой точки на термограммах ТГА зависит от состава и на оси потери веса (масс.%) значения, ей принадлежащие, достаточно близко соответствуют составу полимерной композиции. Не смотря на несколько более высокое значение температуры плавления ПГБ по сравнению с ПА, его область термического разложения (190 – 275 оС) расположена существенно ниже, чем соответствующая температурная область ПА (330 - 470 оС). По мере возрастания содержания ПА в смеси, смещение точки перегиба в область высоких температур может свидетельствовать о взаимодействии макромолекул ПГБ и ПА и небольшому стабилизирующему эффекту, который оказывает более термостойкий ПА на менее устойчивый к термическому разложению ПГБ.

Глава 4. Кинетика контролируемого высвобождения антисептиков из композиций ПГБ-ПА.

4.1. Диффузия и сорбция воды в смесевых композициях ПГБ-ПА.

Хорошо известно, что вода, проникая в полимерную матрицу, может влиять как на физико-химические и механические свойства полимеров, так и на потоки третьего низкомолекулярного компонента (электролита, лекарственного вещества). Поэтому вначале была измерена равновесная сорбция воды в исследуемых композициях ПГБ-ПА, которые можно отнести к умеренно гидрофильным полимерам, т.е. системам, занимающим промежуточное положение между гидрофильными и гидрофобными полимерами. Для пленок смесей различного состава, которые были приготовлены из расплава или из раствора, на рис. 6 показаны зависимости равновесного водопоглощения.



Рис. 6. Изотермы сорбции воды смесями ПГБ-ПА при различном соотношении компонентов. 25оС, р/ро =1. 1 пленка толщиной 100мкм, получена методом прессования при 170 оС; 2 пленка толщиной 110 мкм получена из раствора испарением растворителя, 3 та же пленка, что и образец 2, но содержит 7,5% антисептика.

Как видно из рисунка, для смесевых пленок, приготовленных в режиме плавления – прессования, а также для пленок полученных испарением растворителя, концентрация равновесно сорбированной воды уменьшается с увеличением содержания ПГБ в смеси. Важно отметить, что сорбционная емкость воды у пленок, приготовленных методом испарения растворителя, превосходит этот же параметр для прессованных пленок. Возрастание сорбции объясняется тем, что структура пленок, сформированных из раствора, характеризуется наличием микропор, что было рассмотрено выше в предыдущем разделе.

При отсутствии пор в смесевых композициях содержание воды определяется составом компонентов, если смешиваются полимеры различной гидрофильности. Пренебречь существованием пор можно только для прессованных пленок смесей ПГБ-ПА. В нашем случае оба смешиваемых компонента умеренно гидрофильны, однако их равновесная сорбция воды отличается приблизительно на порядок: для сложного полиэфира (ПГБ) эта величина составляет ~ 1.0%, а для сополимера полиамидов ~10%.

Аддитивное возрастание концентрации полиамида в смеси соответствует монотонному росту амидных групп в системе. Аналогичным образом, монотонно, увеличивается равновесная концентрация воды, т.к. в соответствии с теорией групповых вкладов на каждую NHCO группу полимера вблизи давления насыщенных паров приходится 1 – 1,5 молекул воды (при 90% относительной влажности), образующих ближнюю координационную сферу c этой группой.

Вклад сложноэфирной функциональной группы в высококристаллическом полимере ПГБ существенно ниже и при большом содержании полиамида им можно пренебречь.

Для смесевых пленок, полученных последовательным испарением растворителей (хлороформ/диоксан и спирт), кривые 2 и 3, во-первых, наблюдается отклонение от линейности и влагопоглощение увеличивается с ростом амидных групп в соответствии с экспоненциальной зависимостью (уравнение 1)

СW = A0 · exp(-KCPHB) + CWo (1)

где A0 = 26 ± 2 и K = 2,1± 0,6 10-2 и 1,46± 0,5 10-2 - эмпирические константы сорбции для кривых 2 и 3, соответственно и CWo = 2,1 ± 0,2 (кривая 2) или 1,6 ± 0,2 (кривая 3)– константы, характеризующие предельную сорбцию воды в смеси ПГБ-ПА в массовых процентах.

Одновременно с экспоненциальным ростом содержания сорбированной воды от концентрации ПГБ, для пористых пленок, полученных из раствора, наблюдается заметное возрастание сорбционной емкости. Очевидно, избыточное количество воды (по сравнению с кривой 1) соответствующее кривой 2 размещается в микропорах смесевых композиций и не является термодинамически растворенной в полимере водой. Следующая кривая 3 показывает влияние введенного антисептика на сорбцию воды.

Сопоставляя кривые равновесной сорбции 2 и 3, можно видеть, что сорбция воды в исходном полимере ПГБ не зависит от того, введен ли антисептик или не введен. По шкале составов сорбционная емкость образцов меняется при введении фурацилина. Возрастание содержания воды в смесях, содержащих лекарство, вероятно связано с разрыхлением структуры смесевых композиций и гидрофилизацией среды. Действительно, появление в системе амидных (-CONH2) и нитро групп (-NO2), принадлежащих фурацилину, приводит к сорбции дополнительного количества воды.

Таким образом, суммарное количество воды, равновесно сорбированной в системе полимерная смесь – фурацилин – вода, имеет три компоненты:

CW (суммарная) = CW1(термодинамически растворенная в образце) + CW2(распределенная в порах) + CW3(сорбированная на функциональных группах фурациллина)

Анализ трех изотерм, показанных на рисунке 6, представлен в таблице 3 как три самостоятельных вклада в общую сорбцию воды.

Результаты, представленные в таблице 3 демонстрируют следующие тенденции: с ростом содержания ПА 1) вклад термодинамически сорбированной воды (CW1) увеличивается – этот результат обсуждался выше; 2) доля воды, размещенной в микропорах (CW2) растет, т.к. пористость в системе зависит от содержания ПГБ; 3) доля воды, сорбированной за счет связывания с лекарственным соединением (CW3) – постоянна, т.к. процентное содержание лекарства в данном случае не менялось.

Таблица 3.

Различные вклады в суммарную сорбцию воды в смесях ПГБ-ПА с различным содержанием ПГБ (концентрация фурацилина 7,5%)

СПГБ,% CW1, г/100г CW1, % CW2 г/100г CW2 % CW3, г/100г CW3, %
30 50 66 70 4,1 5,9 10 12 49 46 60 60 1,3 3,7 3,5 4,9 15 29 21 24 3 3,2 3,3 3,1 36 25 19 16

В качестве параметра, характеризующего подвижность молекул воды в смесевых пленках, традиционно был выбран коэффициент диффузии воды. На рис. 7 эти коэффициенты представлены в виде зависимости от состава смеси, приготовленной прессованием, т.е. при отсутствии микропористой структуры. Как диффузионная, так и сорбционная характеристики смесевых композиций характеризуются отсутствием точек перегиба. Интервал измеренных коэффициентов диффузии расположен между значениями этих параметров для индивидуальных полимеров от Dw = 110-9 cм2/с для ПГБ и 1,510-8 cм2/с для ПА. Как и в случае системы ПГБ-ПВС, в области высокого содержания ПГБ диффузионное поведение системы напоминает диффузию в чистом ПГБ (область 0 – 50%), тогда как при концентрациях, превышающих 50% ПА, диффузионные коэффициенты смесевых композиций резко возрастают. Отображение коэффициентов диффузии воды (DW) в полулогарифмических координатах [lg(DW)] – CW в виде уравнения 2 показывает, что эти коэффициенты подчиняются экспоненциальной зависимости от содержания воды в смесях (CW)

DW = DоW exp (kCW) (2)

где DоW и k – постоянные константы, равные, соответственно, 0.062±0,03 10-9 см2/сек и 270±40 г/г.

При изменении состава смеси ПГБ-ПА вполне вероятно, что в результате воздействия макромолекул ПА на молекулы ПГБ происходит переход из текстурированного состояния в более разупорядоченное – изотропное, как это наблюдалось ранее для систем ПГБ-ПВС. Кроме того, для пленок, полученных из раствора, возрастание пористости смесевых композиций при относительно высоком содержании ПГБ не позволяет исключить возможность фазового переноса воды через дефектные зоны смеси, подобно тому, как это наблюдалось для системы ПГБ-ПЭ.



Рис.7. Концентрационная зависимость эффективных коэффициентов диффузии воды в смесевых композициях различного состава при равновесном водопоглощении (приведены на оси абсцисс). Статистическая ошибка коэффициентов диффузии 21%.

4.2. Контролируемое высвобождение антисептика из пленок исходного ПГБ.

На рисунках 8А. и 8Б. показаны несколько типичных кинетических кривых высвобождения антисептика (фурацилина) из исходного гомополимера, ПГБ. Здесь приведена зависимость выхода лекарственного вещества (в г/см3см2) от времени нахождения образца в контакте с водной средой. Как видно из рисунка 8А., для полимерных систем с начальной концентрацией антисептика, не превышающих 1.0 – 1.5 % кинетические кривые высвобождения имеют хорошо наблюдаемый предел, а сам характер кривых соответствует кинетике десорбции по диффузионному механизму.

Напротив, для типичных кривых высвобождения лекарства из пленок ПГБ при более высоких исходных концентрациях (>1.0 – 1.5 %), отсутствуют кинетические пределы, которые должны наблюдаться, если бы высвобождение происходило по диффузионному механизму (см. рис.8Б.). Эти кривые (3,5) характеризуются начальным, нелинейным от времени отрезком и завершающим отрезком, где концентрация высвободившегося вещества возрастает линейно. Анализ представленных на рис. 8Б зависимостей показывает, что сложный характер кинетических кривых обусловлен суперпозицией двух процессов: собственно десорбцией лекарства по диффузионному механизму и линейного от времени процесса высвобождения с постоянной скоростью нулевого порядка. Наиболее отчетливо линейный характер кривых проявляется после завершения диффузионного этапа и наблюдается в течение последующих 10 – 15 суток.

С учетом выше сказанного, кинетика высвобождения ЛВ описывается диффузионно-кинетическим уравнение вида

СS/t = DS[2СS/x2] + k, (3)

здесь DS – эффективный коэффициент диффузии ЛВ, см2/сек; k – кинетическая константа гидролитической деструкции полимера, сек-1; СS – концентрация антисептика, %; x и t – соответственно, координата (см) и время (сек) диффузии.

А Б

Рис. 8. Кинетические кривые высвобождения фурацилина из пленок ПГБ, содержащих исходную концентрацию антисептика А: 1,5% (1,2) и 0,5% (3,4). Б 1% (1), 3% (3) и 5% (5).

После компьютерного вычитания линейной части кинетической кривой (kt) из экспериментальных значений ординаты (СS – kt = Gt) уравнение 3 приобретает традиционную форму диффузионного уравнения

GS/t = DS[2GS/x2], (4)

Физический смысл такого вычитания заключается в исключении линейного вклада, обусловленного деструкцией, из суммарной концентрации высвободившегося антисептика. Полученный результат обработки результатов, относящийся к собственно диффузионному процессу, представлен на рис. 9.



Рис.9. Вклад диффузии в общую кинетику высвобождения фурациллина из мембран ПГБ толщиной 180 мкм. Цифры на кривых соответствуют исходной концентрации антисептика в пленке: 1 1,75%; 2 2,5%; 3 3%; 5 5%.


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.