ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ, 2020, том 90, № 7, с. 1133-1137

УДК 541.64:547.78

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ

НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНИМИНА КАК

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Т. Ю. Кирилэ, А. П. Филиппов

Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук,

Большой пр. 31, Санкт-Петербург, 199004 Россия

*е-mail: tenkovtsev@yandex.ru

Поступило в Редакцию 6 февраля 2020 г.

После доработки 6 февраля 2020 г.

Принято к печати 13 февраля 2020 г.

Ацилированием разветвленного полиэтиленимина изобутироилхлоридом с последующей обработкой

1,6-гексаметилендиизоционатом получены термочувствительные наночастицы, коллоидные растворы

которых обратимо теряют растворимость при температуре, близкой к физиологической. Исследовано

влияние состава наночастиц на их гидродинамические параметры и температуры фазовых переходов в

водных растворах.

Ключевые слова: полиэтиленимин, термочувствительные полимеры, наночастицы

DOI: 10.31857/S0044460X20070185

В настоящее время гидрогели находят широ-

ски обратимое гелеобразование в узком диапазоне

кое применение в различных областях медицины

температур. Химически сшитые гидрогели необра-

и биотехнологии, в частности, при создании си-

тимы, т. е. не переходят в раствор при изменении

стем доставки лекарств, диагностике заболеваний,

внешних условий, в то время как физические гели,

в тканевой инженерии, производстве мембран и

формирующиеся вследствие образования сетки

т. д. [1-4]. Особый интерес в этих областях пред-

зацеплений макромолекул благодаря сольвато-

ставляют термочувствительные гидрогели, спо-

фобным или ионным взаимодействиям, обрати-

собные к обратимому фазовому переходу вблизи

мы и могут переходить в раствор при, например,

физиологических температур [5]. При этом био-

повышении температуры [5]. В отличие от тради-

совместимость полимерной матрицы является

ционных, термочувствительные гидрогели перехо-

необходимым условием для использования в био-

дят в раствор не при повышении, а при понижении

медицинских приложениях. Одним из немногих

температуры ниже нижней критической темпера-

полимеров, полностью удовлетворяющих всем

туры растворимости. До настоящего времени ис-

вышеуказанным требованиям, является поли-2-

следованы гели на основе ряда сшитых, нераство-

изопропил-2-оксазолин, разрешенный к примене-

римых в воде, полиоксазолинов [7-9]. Однако для

нию в качестве носителя лекарственных препара-

решения ряда медицинских проблем, например,

тов и способный в водном растворе претерпевать

временного тромбоза кровеносных сосудов при

переход клубок-глобула, теряя при этом раствори-

хирургических вмешательствах, необходимы рас-

мость при температуре около 37°С. Сшитые поли-

творимые в воде, обратимые термочувствительные

оксазолины [6] также способны образовывать гели

гидрогели, для получения которых, по мнению

и в некоторых случаях демонстрируют термиче-

авторов, могут быть использованы наночастицы

1133

1134

ТЕНЬКОВЦЕВ и др.

Очевидно, что при данном способе синтеза

Схема 1.

количество третичных и первичных атомов азота

равно друг другу. С учетом этого, анализ спек-

тральных данных показывает, что доля вторичных

атомов азота составляет 0.590, в то время как доля

первичных и третичных равна 0.215.

Разветвленный полиэтиленимин подверга-

ли ацилированию хлорангидридом изомасляной

кислоты в условиях акцепторно-каталитического

на основе разветвленных и частично сшитых тер-

процесса (схема 2). В качестве акцептора хлорово-

мочувствительных N-изобутироилполиэтилени-

дорода использовали триэтиламин. С целью опре-

минов. В связи с этим, целью настоящей работы

деления условий, позволяющих получить полии-

был синтез водорастворимого, частично-сшитого,

зобутироилэтиленимин с определенной степенью

разветвленного полиизобутирилоксазолина и оп-

замещения аминогрупп, реакцию проводили как

тимизация условий получения наночастиц на его

с использованием различных методов амидирова-

основе.

ния, так и при различном соотношении реагентов.

Для исследований был использован образец

Степень ацилирования полиэтиленимина опре-

разветвленного полиэтиленимина с Mw = 25000

деляли по данным спектроскопии ЯМР. Как сле-

и M_n = 10000 г/моль (Aldrich). При исследовании

дует из данных ЯМР, в спектре частично ацили-

разветвленных полимеров важным вопросом явля-

рованного изомасляной кислотой разветвленного

ется их степень ветвления. Для определения числа

полиэтиленимина замещение водорода амино-

первичных, вторичных и третичных аминогрупп,

группы на остаток изомасляной кислоты приводит

присутствующих в исходном разветвленном по-

к значительному сдвигу протонов метиленовых

лиэтиленимине, использовали метод Холикросса

групп, соседствующих с аминогруппами, что по-

[10].

зволяет количественно определить степень заме-

Разветвленный полиэтиленимин в промышлен-

щения.

ности получают полимеризацией этиленимина по

Данные по влиянию метода ацилирования и со-

схеме 1.

отношения реагентов на степень замещения ами-

Схема 2.

ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ том 90 № 7 2020

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНИМИНА

1135

Таблица 1. Влияние метода ацилирования и соотношения реагентов на степень замещения аминогрупп

Мольное соотношение изобутироилхлорид-

Метод синтеза

Степень замещения аминогрупп, %

полиэтиленимин

Акцепторно-каталитический

0.7

Акцепторно-каталитический

1.0

Межфазный

1.0

Акцепторно-каталитический

3.0

Таблица 2. Растворимость и молекулярная масса полученных образцов^а

Растворимость

Образец

Количество сшивателя,^б мол%

M_w×10³

EtOH

CHCl₃

18.5

21.7

26.8

29.9

35.0

^аM_w для исходного ацилированного полиэтиленимина составляет 28×10³.

^б моль сшивателя/моль мономерного звена×100%.

ногрупп приведены в табл. 1. Видно, что в случае

предпринята попытка частичной сшивки поли-

использования реакции Шоттена-Баумана степень

мерного клубка по свободным аминогруппам. При

замещения аминогрупп значительно ниже, чем при

этом критичным фактором являлось сохранение

использовании реакции Эйнхорна при одинаковом

растворимости продукта в воде. Для синтеза ча-

соотношении реагентов. Причиной этого является,

стично сшитого полиизобутироилэтиленимина в

вероятно, высокая склонность хлорангидридных

качестве сшивателя был выбран 1,6-гексаметилен-

групп к нуклеофильной атаке, которая нивелирует

диизоцианат (схема 3).

большую реакционную способность аминогрупп

Выбор данного сшивателя обусловлен тем,

по сравнению с водой, что усиливается концентра-

что, как известно [11], изоцианаты количественно

ционным эффектом.

реагируют как с первичными, так и со вторичны-

С целью получения наночастиц и гидрогеля с

ми аминогруппами при комнатной температуре

достаточно высокой вязкостью, необходимой для

и относительно устойчивы к действию воды при

временного тромбоза кровеносных сосудов, была

комнатной или более низкой температуре. При

Схема 3.

ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ том 90 № 7 2020

1136

ТЕНЬКОВЦЕВ и др.

способность образовывать коллоидный раствор в

воде, составил 3.6-4.8 нм.

На рисунке приведена зависимость оптиче-

ской плотности 0.5%-ного раствора образцов 1 и

4 в зависимости от температуры. Как видно из ри-

сунка, температура и интервал фазового перехода

увеличивается при компактизации наночастицы.

Такое поведение, вероятно, связано с уменьшени-

ем сольватной оболочки полимерного клубка, что,

как известно, увеличивает температуру помутне-

ния ацилированных полиэтилениминов [12].

В настоящее время проводятся исследования

возможности использования полученных поли-

T, °C

меров для временного тромбоза кровеносных со-

Температурная зависимость оптической плотности

судов, результаты которых будут опубликованы в

растворов образцов 1 (1) и 4 (2).

специализированных изданиях.

этом следует учесть, что полное удаление воды из

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

полиэтиленимина и продуктов его ацилирования

Спектры ¹H ЯМР получены на приборе Bruker

достаточно проблематично. Реакцию проводили с

AVANCE (400 МГц) для растворов в дейтериро-

добавлением определенного количества диизоци-

ванном хлороформе. УФ спектры получены на

аната. Для дальнейших исследований было полу-

спектрофотометре СФ-256 (ЛОМО ФОТОНИКА,

чено 4 образца растворимого, частично сшитого

Россия). Для диализа использовали диализные

ацилированного полиэтиленимина, различающих-

мешки CellaSep c MWCO 3000 D. Термочувстви-

ся количеством добавленного сшивателя (табл. 2).

тельность полимеров исследовали на приборе

Как видно из приведенных данных, несмотря на

Specord UV-VIS. Определяли светопропускание

изменение физических свойств, в частности рас-

в водных растворах (c = 0.5%) в зависимости от

творимости, увеличения молекулярной массы ча-

температуры. Нагрев производили с постоянной

стиц с увеличением количества сшивателя не на-

скоростью 0.2 град/мин. Светорассеяние изучали

блюдается. При этом с увеличением концентрации

на установке Photocor Complex (ООO «Фотокор»,

сшивателя резко снижается характеристическая

Россия), источником света служил He-Ne лазер

вязкость растворов полимеров.

с длиной волны λ = 632.8 нм. В качестве кали-

Существенное снижение значений характери-

бровочной жидкости использовали толуол (R_V =

стической вязкости растворимых образцов при по-

1.38×10^-5 см^-1). Корреляционную функцию интен-

стоянстве M_w свидетельствует о внутримолекуляр-

сивности рассеянного света получали с использо-

ном характере сшивки, приводящей к уплотнению

ванием коррелятора Photoсor-PC2 с числом кана-

макромолекул. Такое поведение можно объяснить

лов 288 и обрабатывали с помощью программного

тем, что на первой стадии взаимодействия поли-

обеспечения DynaLS.

этиленимина с диизоцианатом преимущественно

Характеристическую вязкость измеряли на ви-

происходит реакция с аминогруппами, находящи-

скозиметре Оствальда. Измерения проводили с ис-

мися на поверхности клубка, и внутримолекуляр-

пользованием блока контроля температуры LOIP

ная сшивка.

ЛТ-100 (ООО ЛОИП, Россия). Время истечения

При дальнейшем увеличении количества сши-

растворителя составляло t₀ = 48.5 с. Значения ха-

вателя вследствие диффузии клубка в клубок на-

рактеристической вязкости были оценены мето-

чинается межмолекулярная сшивка, и полимер

дом Хаггинса.

теряет растворимость (табл. 2). По данным дина-

Разветвленный полиэтиленимин, гексамети-

мического светорассеяния, гидродинамический

лендиизоцианат и изобутироилхлорид (Aldrich)

радиус полученных наночастиц, сохраняющих

использовали без дополнительной очистки.

ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ том 90 № 7 2020

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНИМИНА

1137

Поли-N-изобутироилэтиленимин (мольное

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

соотношение реагентов 1:1). К раствору 10 г по-

1. Ahn S., Kasi R.M., Kim S.-C., Sharma N., Zhou Y. //

лиэтиленимина и 25 мл триэтиламина в 100 мл

Soft Matter. 2008. Vol. 4. N. 5 P. 1151. doi 10.1039/

хлористого метилена при охлаждении льдом и

B714376A

интенсивном перемешивании в течение 1 ч добав-

2. Singh N.K., Lee D.S. // J. Control. Rel. 2014. Vol. 193.

ляли 17.5 г изобутироилхлорида. Смесь оставляли

P. 214. doi 10.1016/j.jconrel.2014.04.056 0168-3659

при комнатной температуре на 10 ч, затем раство-

3. Gandhi A., Paul A., Sen S.O., Sen K.K. // Asian J.

ритель удаляли в вакууме. Остаток диализовали

Pharm. Sci. 2015. Vol. 10. N 2. P. 99. doi 10.1016/j.

относительно воды в течение 48 ч и подвергали

ajps.2014.08.010

4. Jones C.D., Steed J.W. // Chem. Soc. Rev. 2016. Vol. 45.

лиофильной сушке.

P. 6546. doi 10.1039/C6CS00435K

Поли-N-изобутироилэтиленимин, частич-

5. Yang Z., Ding J. // Macromol. Rapid Commun. 2008.

но сшитый

1,6-гексаметилендиизоцианатом

Vol. 29. N 9. P. 751. doi 10.1002/marc.200700872

(образец 3). К раствору 830 мг в 8 мл хлористого

6. Chujo Y., Sada K., Kawasaki T., Saegusa T. //

метилена добавляли 300 мг диизоцианата. Смесь

Pol. J. 1992. Vol.

24. N 11. P. 1301. doi 10.1295/

перемешивали при комнатной температуре в тече-

polymj.24.1301

ние 2 ч, после чего добавляли 0.5 мл диэтиламина.

7. Chujo Y., Sada K., Matsumoto K., Saegusa T. //

После удаления растворителя остаток диализова-

Macromolecules. 1990. Vol. 23. N 4. P. 1234. doi

ли относительно воды в течение 48 ч и подвергали

10.1021/ma00207a002

лиофильной сушке.

8. Rueda J., Suica R., Komber H., Voit B. // Macromol.

Chem. Phys. 2003. Vol. 204. N 7. P. 954. doi 10.1002/

Образцы 1, 2, 4 и 5 получали аналогично.

macp.200390065

ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА

9. Voorhaar L., Hoogenboom R. // Chem. Soc. Rev. 2016.

Vol. 45. N 14 P. 6546. doi 10.1039/c6cs00130k

Работа выполнена при финансовой поддержке

10. Holycross D.R., Chai M. // Macromolecules. 2013. Vol.

Российского научного фонда (проект № 17-73-

46. N 17. P. 6891. doi 10.1021/ma4011796

20318).

11. Kelly A.M., Wiesbrock F. // Macromol. Rapid Commun.

2012. 33. N 19. P. 1632. doi 10.1002/marc.201200333

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

12. Sideratou Z., Agathokleous M., Theodossiou T.A.,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

Tsiourvas D. // Biomacromolecules. 2018. Vol. 19. N 2.

интересов.

P. 315. doi 10.1021/biomac.7b01325

Thermosensitive Nanoparticles Based on Polyethylenimine

as Promising Materials for Biomedical Applications

A. V. Tenkovtsev*, M. P. Kurlykin, A. I. Amirova, A. S. Krasova, T. Yu. Kirila, and A. P. Filippov

Institute of Macromolecular Compounds of the Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 199004 Russia

*е-mail: tenkovtsev@yandex.ru

Received February 6, 2020; revised February 6, 2020; accepted February 13, 2020

Thermosensitive nanoparticles were synthesized by acylation of branched polyethylenimine with isobutyroyl

chloride and cross-linking by 1,6-hexamethylenediisocionate. It was found that colloidal aqueous solutions

of these particles reversibly lose the solubility at temperatures close to physiological ones. The influence of

nanoparticle composition on their hydrodynamic parameters as well as phase transition temperatures in aqueous

solutions was studied.

Keywords: polyethylenimine, thermosensitive polymers, nanopaticles

ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ том 90 № 7 2020