В последние десятилетия значительно возрос интерес к полимерным латексным дисперсиям, которые образуются в процессах гетерофазных полимеризаций. Основными преимуществами таких полимерных частиц является возможность направленного регулирования их размера, узкое распределение по размерам и введение в поверхностный слой реакционноспособных функциональных групп. Немаловажную роль полимерные латексы играют в медицине и биотехнологии, где применяются как носители биологически активных веществ (БАВ), при инкапсуляции ферментов и индентификации, а также при разделении клеток. Большинство представленных публикаций и обзорных статей рассматривают применение отрицательно заряженных частиц. Это связано как с большим разнообразием реакционноспособных функциональных групп: карбоксильных, гидроксильных, альдегидных, сульфо- и хлорсульфоновых, так и с относительной легкостью в их получении. Однако в последнее время особый интерес представляют частицы с положительным поверхностным зарядом (катионные частицы). Интерес к таким частицам обусловлен их уникальными свойствами: положительный заряд, хорошие химические и механические свойства, низкое поверхностное натяжение. Кроме того, в работе [26] отмечена перспективность использования катионных частиц при постановке тестов латекс-агглютинации в результате большей сорбции БАВ.
Цель данной работы – это анализ современных достижений в области гетерофазной полимеризации монодисперсных катионных частиц, оценка достоинств и недостатков применяемых методов, а также выявление перспектив применения частиц в медицине и биотехнологии. Проведен анализ как зарубежных, так и отечественных школ.
Существует два способа создания положительного заряда на поверхности частиц:
1. Ковалентное присоединение: инициаторов, мономеров и полимеров.
2. Физическая адсорбция катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Наиболее часто в этих целях используют инициаторы и мономеры, в структуре которых присутствуют аминогруппы. Однако синтез частиц с такими группами является сложной задачей из-за их высокой реакционной способности. При этом аминогруппы достаточно универсальны, поскольку взаимодействуют с карбоксильными, альдегидными группами, которые присутствуют в структуре большинства хромофорных и люминофорных красителей, что увеличивает спектр применения латексов. Выбор реагента является ключевым этапом получения положительно заряженных частиц, так как определяет его конечные свойства и область применения.
Эмульсионная полимеризация
Получение катионных латексов по этому методу можно разделить на 3 подхода:
I. Синтез частиц с использованием катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
В традиционной эмульсионной полимеризации для синтеза катионных частиц используются ПАВ, в структуре которых присутствуют длинноцепочечные первичные и вторичные амины или пиридиновые основания. Наиболее распространенными представителями катионных ПАВ являются цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ), цетилтриметиламмоний хлорид (ЦТАХ), додецилтриметиламмоний бромид (ДТАБ), гексадецилтриметиламмоний бромид (ГТАБ) и тетрадецилдиметилбензиламмоний хлорид (ТБАХ). Кроме того, в литературе найдены данные по применению додецилпиридиний хлорида (ДПХ), октадецилпиридиний хлорида (ОПХ), бенизотий хлорида (БХ) и 1-[ω-(4`-метокси-4-бифенилокси)]пиридиний бромида (МБП).
Эмульгирующие свойства этих соединений обусловлены тем, что в структуре их молекул наряду с гидрофобной углеродной цепочкой содержится положительный атом азота, способствующий адсорбции полимерных частиц. В связи с этим катионные ПАВ в эмульсионной полимеризации выполняют функцию активатора поляризационного процесса, значительно увеличивая скорость реакции и изменяя размер конечных частиц.
Влияние ДПХ, ДТАБ, МБП, ДБАХ, ОПХ на эмульсионную полимеризацию Ст было исследовано Виеболтом с соавторами [39]. Для всех ПАВ авторы предложили коагуляционный механизм формирования частиц, в котором определяющую роль играла концентрация эмульгаторов, влияющая на свойства границы раздела фаз. При низкой концентрации эмульгатора (ДПХ, ДТАБ, МБП, ДБАХ, ОПХ) поверхностный заряд частиц обеспечивается концевыми группами инициатора и не зависит от концентрации ПАВ. При повышении концентрации ПАВ плотность поверхностного заряда резко возрастает, и размер конечных частиц увеличивается. Дальнейшее увеличение концентрации эмульгаторов приводит к насыщению поверхности формирующихся частиц, и размер частиц не изменяется.
Сравнение эмульгаторов ДТАБ и ГТАБ на кинетику полимеризации, размер частиц и структуру поверхностного слоя было изучено Рамосом и Форкадой в работе [28, 29]. Авторами найдено, что при одинаковой концентрации катионных ПАВ использование ГТАБ не оказывает влияние на скорость полимеризации и количество образующихся частиц. Также влияние ДТАБ на процесс эмульсионной полимеризации ПММА и полибутилакрилата (ПБА) опубликовано Брэдли и Грейсером [6]. Показано, что ДТАБ выступает как стабилизатор формирующихся частиц. Конг с соавторами [18] изучили влияние ЦТАБ на процесс образования частиц на основе полистирола (ПСт) и ПБА. Сарагоса-Контрерас [42] применил эмульгатор МБХ для синтеза ПСт частиц. Оказалось, что механизм полимеризации изменяется при высоких концентрациях ПАВ (выше 36 ммоль/л). Авторами высказано предположение, что превалирует коагуляционный режим зарождения частиц, который становится более продолжительным за счет высоких концентраций ПАВ.
II. Синтез частиц с использованием катионных мономеров и инициаторов.
Использование такого подхода позволяет ввести положительно заряженные группы непосредственно в структуру поверхностного слоя. В большинстве случаев применяются азоинициаторы, распадающиеся на радикалы под действием повышенных температур (> 50 °С). Инициторы, применяемые в эмульсионной полимеризации: 2,2`-азобис(2-амидинопропан) дигидрохлоридом (V-50), 2,2’-азо-бис[2-(2-имидозалин-2-ил)пропан] дигидрохлорид (VA-044), 2,2`-диметил-2,2`-азобис[N-бензилпропиламидин] дигидрохлорид (VA-552), 2,2`-азобис(1-имино-1-пирролидин-2-этилпропан) дигидрохлорид (VA-067) и 2,2`-азобис[2-[1-(2-гидроксиэтил)-2-имидазолин-2-ил]-пропан] дигидрохлорид (VA-060).
Все используемые азоинициаторы относятся к классу амидинов. Таким образом, они подвержены гидролизу как в присутствии оснований, так и под действием кислот [33]. Однако присутствие различного рода заместителей в структуре снижает активность инициаторов в реакциях гидролиза. Хавкинс и Биггс [14] показали, что благодаря циклической структуре амидиновой группировки инициатор V-044 более устойчив к реакциям гидролиза, что является его несомненным преимуществом перед другими азоинициаторами.
В работе [22] Меньшикова с соавторами синтезировали частицы на основе ММА с аминированным поверхностным слоем с применением катионных инициаторов V-044 и V-50. Было замечено, что при использовании V-50 стабильность частиц снижается по сравнению с латексами, полученными с применением V-044. Низкий барьер устойчивости V-50 связан с гидролизом концевых групп инициатора и образованием карбоксильных групп [9, 10]. Поскольку продукты гидролиза устойчивы к реакциям гомолиза [17, 38], стационарная концентрация радикалов инициатора V-50 остается достаточно низкой. Смещение химического равновесия в сторону реакции распада инициатора возможно путем изменения pH среды. Установлено, что при pH 10 отношение константы гомолиза инициатора к константе гидролиза (kh`/kd) равняется 17, а при pH 7–1.11 [17]. Таким образом уменьшение pH ниже 7 способствует снижению процесса гидролиза азоинициатораV-50 до минимума.
Также выбор инициатора влияет и на размер частиц. В [22] было показано, что смена инициатора с V-50 на V-044 приводит к увеличению диаметров частиц в одинаковых условиях проведения синтеза. Это можно объяснить разными скоростями распада инициаторов, например за 10 часов при 57 °С концентрация V-50 уменьшается в 2 раза, а V-044 распадается за 10 ч при 61 °С, в результате чего инициирование при использовании V-044 происходит медленнее, что приводит к снижению концентрации радикалов и, как следствие, к увеличению размера полимер-мономерных частиц (ПМЧ).
С другой стороны, для синтеза катионных частиц возможно использование инициаторов, содержащих в своей структуре четвертичный атом азота, например N,N′-диметил-4,4′-азобис(4-циано-1-метилпиперидин) динитрат (ДАЦМП) как аналог амидинов [24]. В литературе опубликована только одна статья [5], где применен ДАЦМП. В результате были получены катионные монодисперсные полистирольные частицы, поверхностный заряд которых составляет +74 мВ и не зависит от pH дисперсионной среды. Однако не было найдено данных о коммерческой доступности такого инициатора.
Использование мономеров, содержащих положительно заряженные группы в своей структуре, определяет все физико-химические свойства частиц и область их применения. Основные мономеры, используемые в процессах гетерофазной полимеризации, можно разделить по следующим классам:
1. Мономеры, содержащие первичные аминогруппы.
2. Винилпирридины и их четвертичные аммониевые соли.
3. Мономеры, содержащие вторичные и третичные атомы азота.
4. Мономеры, содержащие четвертичные атомы азота.
5. Аминопроизводные п-стирола.
При проведении традиционной эмульсионной полимеризации добавление любого из приведенных мономеров приводит к ускорению скорости реакции, более высокой степени конверсии мономеров, меньшему размеру частиц и более высокой степени растворимости полимерных цепей. Стоит отметить мономеры первого класса, так как в их структуре присутствует первичная аминогруппа. Благодаря этому открываются огромные возможности для химического связывания с биолигандамии, а также для присоединения хромофорных или люминофорных красителей.
Холзепфелем [15] и Гертсем [13] было показано что при проведении реакции нейтрализации для снятия защитной группы с аминогрупп возможно протекание двух побочных реакций: перегруппировки ацильной группы и реакции Михаэля. В реакции Михаэля в качестве побочного продукта образуется 2-гидроксиэтилметакриламид. Перегруппировка ацильной группы зависит от величины pH дисперсионной среды. Для исключения возможности протекания этой побочной реакции реакцию полимеризации АМГХ необходимо проводить при значениях pH < 4.
Сополимеризация катионных частиц на основе Ст и 4-винилпиридина (4ВП) при варьировании pH среды от 2 до 11 в присутствии неионного эмульгатора полиоксиэтиленоктилфенилового эфира была изучена Охцукой с сотрудниками [25]. В условиях низкой концентрации ПАВ и высокой 4ВП в процессе реакции образовывались частицы, имеющие бимодальное распределение по размерам. Это вызвано недостаточной как стерической, так и электростатической стабилизацией частиц. Выявлено, что при pH = 2 звенья 4ВП предпочтительно локализуются в поверхностном слое частиц (от 30 до 70 %), а при pH = 11 имеют статический характер распределения, приводящий к локализации в поверхностном слое не более 2 % от общей загрузки функционального мономера.
III. Синтез катионных частиц с помощью реакций полимер-аналогичных превращений.
Образование первичной аминогруппы возможно в процессе снятия формильной защиты в молекуле N-винилформамида (ВФА), который был детально изучен Меньшиковой [22]. При этом степень гидролиза достигает 90–95 %. Однако проведение процесса протекает в достаточно жестких условиях, что может отрицательно повлиять на агрегативную устойчивость частиц вплоть до их полной коагуляции. Размер таких частиц уменьшается при использовании до 10 мас. % ВФА, а при более высокой концентрации – возрастает. Наблюдаемая зависимость связана с двумя разнонаправленными тенденциями. С одной стороны, увеличение положительного поверхностного заряда частиц при введении малых количеств ВФА обеспечивает уменьшение их размера. С другой – обогащение формирующихся в начале синтеза звеньями ВФА приводит к снижению их поверхностной активности, и, следовательно, стабилизирующей способности.
Эрдем и Тюрк [8] получили положительно заряженные латексы с поверхностными четвертичными аминогруппами путем аминолиза сшитых частиц на основе винилбензил хлорида (ВБХ) и дивинилбензола. Затем частицы были подвергнуты аминолизу с помощью триэтиламина, N,N-диметилоктиламина или N,N-диметилгексадециламина. Напротив, Форкада и соавторы [7] из синтезированного ВБХ получили 4-винилбензил ацетон гидразон (ВБАГ) для предотвращения окисления аминогруппы в процессе синтеза. При сополимеризации Ст и ВБАГ отмечается, что функциональный сомономер выступает в качестве стабилизирующего агента.
Получение катионных латексных дисперсий с помощью реакций полимер-аналогичных превращений достаточно трудоемкий процесс, поскольку включает в себя не только стадию синтеза, но также и стадию функционализации поверхности частиц. В результате эти процессы неблагоприятно сказываются на конечных характеристиках частиц.
Безэмульгаторная эмульсионная полимеризация
В последнее время безэмульгаторная эмульсионная полимеризация (БЭП) становится наиболее популярным методом получения катионных частиц. Её преимущество обусловлено отсутствием в реакциях ПАВ, которые уменьшают количество функциональных групп. Традиционной рецептурой метода является использование гидрофобного мономера, гидрофильного аминосодержащего сомономера и катионного инициатора. Впервые о БЭП упомянуто в статье Баксендела и Эванса [4], где они продемонстрировали возможность проведения полимеризации метилметакрилата (ММА) в отсутствии катионных ПАВ. Одно из наиболее важных отличий БЭП от ЭП происходит на стадии инициирования – полимеризация протекает в полимер-мономерных частицах (ПМЧ), а не в мицеллах эмульгатора.
Отсутствие однозначных данных о механизме образования ПМЧ связано с тем, что исследование начальной стадии гетерофазной полимеризации затруднено, так как одновременно происходят эмульгирование мономера, инициирование, зарождение ПМЧ и формирование межфазных адсорбционных слоев, определяющих стабильность ПМЧ. Изучение каждой стадии отдельно не дает полного представления о реальном механизме процесса. Установлено, что небольшое количество катионного сомономера значительно увеличивает скорость сополимеризации за счет электростатической стабилизации.
При расчете среднего числа радикалов на частицу выявлено, что при высокой концентрации катионных сомономеров превалирует псевдоблочный механизм сополимеризации. В этом случае количество радикалов на частицу ≥ 1. Низкая концентрация катионных сомономеров (например, АМГХ) обуславливает протекание сополимеризации по механизму, предложенному Смитом и Эвартом [35]. Тогда количество радикалов на частицу = 0,5. При этом соотношение между количеством частиц (Np) и концентрацией мономера: Np ≈ [АМГХ]1.45. Такое высокое значение (> 1) подтверждает сильное влияние катионных мономеров на стадию инициирования.
Действие катионных мономеров, содержащих вторичные, третичные и четвертичные атомы азота, также детально изучено в процессах БЭП. Сакота [30] исследовал процесс сополимеризации Ст с N,N-диметиламиноэтилметакрилатом (ДМАЭМА) и N, N-диэтиламиноэтилметакрилатом (ДЭАЭМА) при инициировании V-50. Оказалось, что увеличение степени нейтрализации функциональных сомономеров способствует возрастанию скорости реакции. Кроме того, в одинаковых условиях размеры частиц П(Ст-ДМАЭМА) больше по сравнению с частицами П(Ст-ДЭАЭМА). Это связано, с одной стороны, с различной растворимостью мономеров: ДМАЭМА – полностью растворим в воде, а ДЭАЭМА – ограниченно растворим. С другой стороны, с различными скоростями сополимеризации r1 и r2 мономеров с Ст: для ДМАЭМА 0.51 и 0.38 [19], для ДЭАЭМА 0.18 и 1.25 [41].
Лю изучил влияние диаллилдиметиламмоний хлорида (ДАДМАХ), [3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (МАПТМАХ), (винилбензил)триметиламмоний хлорид (ВБТМАХ) и [2-(метакриолокси)этил]триметиламмоний хлорида (МАТМАХ) на кинетику полимеризации Ст и характеристики образующихся частиц [21]. За счет низкой электростатической стабилизации и низкой реакционной способности ДАДМАХ реакция сополимеризации П(Ст-ДАДМАХ) похожа на гомополимеризацию Ст. Более быстрая скорость реакции наблюдалась при использовании МАТМАХ и ВБТМАХ. При этом авторы отмечают высокую полидисперсность конечных частиц при использовании этих функциональных сомономеров. Образование более водорастворимых полимерных цепей за счет высокой реакционной способности мономеров приводило к тому, что ПМЧ не успевали солюблизировать вновь образованные водорастворимые олигомеры. Таким образом, олигомеры формировали новые частицы, увеличивая индекс полидисперсности. МАПТМАХ занимает промежуточное положение среди описанных мономеров в реакционной способности в реакциях сополимеризации со Ст. Частицы, полученные в присутствии МАПТМАХ, были больше, чем полученные в присутствии МАТМАХ и ВБТМАХ, и меньше, чем с частицы, синтезированные с ДАДМАХ.
Варьирование концентрации катионных сомономеров также влияет на изоэлектрическую точку (ИЭТ) латексных частиц. Хомола синтезировал ПСт-частицы с ДЭАЭМА при инициировании персульфатом калия [16]. ИЭТ частиц варьировалась от pH 5,5 до 8,5 в зависимости от концентрации ДЭАЭМА. В работах [1] и [32] исследовано влияние ВФА на сополимеризации Ст и ММА соответственно в присутствии сшивающего агента ДМЭГ. В обоих случаях установлено, что на начальной стадии сополимеризации формируется сетчатая структура, обогащенная ВФА-звеньями. Количество поверхностных функциональных групп после гидролиза ВФА-звеньев в случае ПСт частиц возрастало практически в 2 раза, а в случае ПММА-частиц – в 3 раза.
Мономеры 1,2-диметил-5-винилпирридинметилсульфат (ДМВП) и 1-этил-2-метил-5-винилпирридин бромид (ЭМВП) были исследованы Лю в полимеризации со Ст в присутствии инициатора V-50 [20]. С увеличением концентрации катионных сомономеров размер частиц сначала уменьшался, проходя через минимум, а затем увеличивался. Авторы такое поведение связывают с высокой растворимостью мономеров в воде, что приводило к быстрому взаимодействию с инициатором и образованию большого числа водорастворимых олигомеров с высоким электростатическим зарядом. При этом снижалась их скорость коагуляции до образования ПМЧ. Это обуславливало уменьшение размера частиц.
Увеличение концентрации функциональных сомономеров приводило к большему количеству ДМВП- и ЭМВП-звеньев в олигорадикалах, что способствовало увеличению их растворимости и меньшей вероятности солюблизации в ПМЧ. Это обеспечивало формирование частиц с большим размером.
Твигт также отмечает, что увеличение концентрации 1-метил-4-винилпирридин хлорид или 1-метил-4-винилпирридин иодид при сополимеризации со Ст способствует сначала уменьшению размера частиц, а потом увеличению [37]. Введение в реакционную систему метанола, который способствует лучшему растворению Ст, увеличивает концентрацию последнего в формирующихся водорастворимых олигорадикалах, и, таким образом, изменяет растворимость олигорадикалов, увеличивая число частиц в системе.
Микро- и миниэмульсионная полимеризации
Микро- и миниэмульсионная полимеризации являются частными случаями эмульсионной полимеризации. Объединение этих типов полимеризации обусловлено схожим механизмом реакций и использованием в обоих случаях как ПАВ, так и со-ПАВ. Со-ПАВ используется как агент, снижающий осмотическое давление внутри формирующихся частиц. Наносферы, синтезируемые по методу микроэмульсионной полимеризации, имеют размер в диапазоне от 10 до 30 нм, в миниэмульсионной – от 30 до 100 нм [12]. Однако эти границы диапазона размеров достаточно условны и существуют работы, где с помощью микроэмульсионной полимеризации синтезируют катионные частицы диаметром 50 нм, а при проведении миниэмульсионной полимеризации – 150–200 нм.
Впервые метод микроэмульсионной полимеризации применен для получения катионных частиц в 1994 г., когда Ган [11] изучил полимеризацию Ст в присутствии ТБАХ и октадецилтриметиламмоний хлорида. Ксю с соавторами [40] исследовали влияние смеси ПАВ на характеристики ПСт-частиц. Использование смеси отрицательно заряженных ПАВ приводит к образованию частиц с размером от 22 до 36 нм, использование смеси положительно заряженных эмульгаторов увеличивает размер частиц до 46–53 нм. Частицы с максимальным размером формируются в присутствии ДСН-ЦТАБ от 40 до 94 нм. Миниэмульсионная полимеризация по механизму радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP-полимеризация) была проведена Симмсем [34] для синтеза частиц на основе бутилметакрилата (БМА) при эмульгировании ЦТАБ и инициировании V-044. Одностадийная безэмульгаторная миниэмульсионная сополимеризация проведена Барари [2] с использованием инициатора V-50. Авторы предположили, что в качестве эмульгатора выступают олигомерные радикалы с концевыми положительно заряженными группами. Благодаря формирующимся ПАВ дальнейший ход полимеризации возможен по двум путям: образование нанокапсул со структурой «ядро/оболочка» или образование ПСт-частиц.
Дисперсионная полимеризация
Для получения катионных частиц размером от 1 до 10 мкм применяют технику дисперсионной полимеризации, известную с 1970-х гг. [3]. Особенностью этого типа полимеризации является использование органической дисперсионной среды, например, гептана или этилового спирта и маслорастворимых инициаторов. Дисперсионная среда подбирается таким образом, чтобы в ней были растворимы мономеры, а полимер не растворим. Детально механизм полимеризации описан в [27, 31]. Существуют две точки зрения о механизме дисперсионной полимеризации. Первая предполагает адсорбцию ПАВ на поверхность формирующихся частиц и образование гидратных слоев, что предотвращает их агрегацию. Вторая – ПАВ прививаются к полимерным цепям и выдвигаются в дисперсионную среду. В ранних работах по дисперсионной полимеризации как со-стабилизаторы использовались заряженные ПАВ, например ди-2-эталгексиловый эфир натриевой соли сульфосукциновой кислоты или Aerosol OT-100 в сочетании с катионными сомономерами [36]. Широкое применение также нашли блок-сополимеры с различными зарядами, которые используются в качестве стерических стабилизаторов.
В последнее время появились работы по дисперсионной полимеризации, где в качестве среды используется суперкритический диоксид углерода (скCO2) [23]. Применение скCO2 обусловлено его нетоксичностью, дешевизной, доступностью и легкой регулировкой его плотности путем изменения либо температуры, либо давления. Кроме того, его использование позволяет исключить операции сушки и очистки полимерных латексов. Таким образом, скCO2 является перспективным растворителем при проведении дисперсионной полимеризации и, вероятно, в будущем найдет более широкое распространение.
Заключение
В обзорной работе систематизированы достижения в области получения полимерных катионных частиц. На данный момент получено широкое разнообразие частиц с первичными, вторичными, третичными и четвертичными аминогруппами. При этом наиболее исследованным способом получения частиц является традиционная эмульсионная полимеризация. Несмотря на значительные достижения в безэмульгаторной эмульсионной полимеризации, этот способ остается самым перспективным. Микро-, миниэмульсионная, дисперсионная полимеризация катионных частиц менее изучены. Перспективность этих способов обусловлена не только возможностью создания композитных частиц, но и увеличением диапазона размера латексов.