RU2678281C1 - Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance - Google Patents

Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance Download PDF

Info

Publication number
RU2678281C1
RU2678281C1 RU2018104214A RU2018104214A RU2678281C1 RU 2678281 C1 RU2678281 C1 RU 2678281C1 RU 2018104214 A RU2018104214 A RU 2018104214A RU 2018104214 A RU2018104214 A RU 2018104214A RU 2678281 C1 RU2678281 C1 RU 2678281C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cryogels
dmso
pva
polyvinyl alcohol
heat resistance
Prior art date
Application number
RU2018104214A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иосифович Лозинский
Дмитрий Алексеевич Мичуров
Ольга Юрьевна Колосова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН)
Priority to RU2018104214A priority Critical patent/RU2678281C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2678281C1 publication Critical patent/RU2678281C1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L29/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an alcohol, ether, aldehydo, ketonic, acetal or ketal radical; Compositions of hydrolysed polymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L29/02—Homopolymers or copolymers of unsaturated alcohols
    • C08L29/04—Polyvinyl alcohol; Partially hydrolysed homopolymers or copolymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to the chemistry and technology of high-molecular compounds, namely to polymeric cryogels and their preparation with the aim of using the formed materials in medicine, cosmetology and technology. Polymer composition for the preparation of a polyvinyl alcohol cryogel includes polyvinyl alcohol, dimethyl sulfoxide (DMSO) and a low molecular weight additive, as used in which are soluble in DMSO chaotropic substances or their mixtures. Method for increasing the rigidity and heat resistance of PVA cryogels includes preparing a DMSO polymer solution and a low molecular weight additive, 1-5-fold cryogenic treatment of the resulting solution by freezing it at a temperature from -10 to -40 °C for 6–48 hours, followed by thawing and, if necessary, washing with water to remove water-soluble substances.EFFECT: invention provides for increasing the rigidity and heat resistance of PVA cryogels when they are formed in a DMSO medium with the addition of a chaotropic substance.2 cl, 2 dwg, 1 tbl, 10 ex

Description

Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений, а именно к полимерным криогелям и их получению с целью использования формируемых материалов в медицине, косметологии, технике и пр. Более конкретно изобретение относится к новой композиции для получения криогелей поливинилового спирта (ПВС), а также к способу повышения их жесткости и теплостойкости.The invention relates to chemistry and technology of high molecular weight compounds, namely to polymer cryogels and their preparation for the use of formed materials in medicine, cosmetology, technology, etc. More specifically, the invention relates to a new composition for the preparation of polyvinyl alcohol (PVA) cryogels, as well as a way to increase their rigidity and heat resistance.

Полимерные криогели - это гетерофазные макропористые гели, сформированные в результате так называемого криоструктурирования после криогенной обработки, т.е. замораживания растворов или дисперсий мономерных и полимерных предшественников, выдерживания таких систем в замороженном состоянии и последующего оттаивания [V.I. Lozinsky, О. Okay. Basic principles of cryotropic gelation // Adv. Polym. Set, V. 263, p. 49-101 (2014)]. Сами же криогели бывают трех основных типов: а) химически-сшитые с ковалентными межмолекулярными связями пространственной полимерной сетки; б) физические, у которых узлы полимерной сетки стабилизированы нековалентными взаимодействиями (водородные связи, гидрофобные контакты); в) ионные и координационно-ионные, у которых узлы полимерной сетки стабилизированы ионными или координационными связями с низкой константой диссоциации. Криогели поливинилового спирта, являющиеся объектом предлагаемого изобретения, относятся ко второму (б) типу указанных систем. Для формирования таких криогелей готовят 5-20%-ные растворы полимера, их замораживают при -5…-196°С в течение различного времени и затем оттаивают, причем подобные циклы криогенной обработки могут быть повторены несколько раз [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии, Т. 67, №7, С. 641-655 (1998)].Polymer cryogels are heterophasic macroporous gels formed as a result of so-called cryostructuring after cryogenic treatment, i.e. freezing solutions or dispersions of monomeric and polymeric precursors, keeping such systems frozen and subsequent thawing [V.I. Lozinsky, O. Okay. Basic principles of cryotropic gelation // Adv. Polym. Set, V. 263, p. 49-101 (2014)]. Cryogels themselves are of three main types: a) chemically cross-linked with covalent intermolecular bonds of a spatial polymer network; b) physical, in which the nodes of the polymer network are stabilized by non-covalent interactions (hydrogen bonds, hydrophobic contacts); c) ionic and coordination-ionic, in which the nodes of the polymer network are stabilized by ionic or coordination bonds with a low dissociation constant. Polyvinyl alcohol cryogels, which are the object of the invention, belong to the second (b) type of these systems. To form such cryogels, 5-20% polymer solutions are prepared, they are frozen at -5 ... -196 ° C for various times and then thawed, and similar cryogenic treatment cycles can be repeated several times [V.I. Lozinsky. Cryotropic gelation of solutions of polyvinyl alcohol // Advances in Chemistry, T. 67, No. 7, S. 641-655 (1998)].

В настоящее время криогели ПВС находят применение в медицине, например, как материалы для имплантатов [G. Donoziere, D. Tomko, A. Ghodadra. Methods and systems for forming implant with selectively exposed mesh for fixation and related implants // US Patent No. 7,879,100 (2011); M.I. Baker, S.P. Walsh, Z. Schwatz, B.D. Boyan. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications // J. Biomed. Mater. Res., V. 100B, p. 1451-1457 (2012)], в биотехнологии в качестве носителей иммобилизованных ферментов, иммуноаффинных лигандов и целых клеток [V.I. Lozinsky, I. Yu. Galaev, F.M. Plieva, I.N. Savina, H. Jungvid, B. Mattiasson. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest // Trends in Biotechnol., V. 21, No. 10, p. 445-451 (2003); В.И. Лозинский. Новое семейство макропористых и сверхмакропористых материалов биотехнологического назначения - полимерные криогели // Известия РАН, Сер. хим. №5. С. 996-1013 (2008)], строительной инженерии [N.K. Vasiliev, A.D.C. Pronk, I.N. Shatalina, F.H.M.E. Janssen, R.W.G. Houben. A review on the development of reinforced ice for use as a building material in cold regions // Cold Reg. Sci. Techn., V. 115, No. 1, p. 56-63 (2015)], экологии [В.И. Лозинский, Е.С. Вайнерман, С.В. Рогожин, Е.Н. Барковская, В.Н. Разбегин, А.А. Чапаев, Р.В. Максимяк. Способ закрепления оттаявшего грунта // А.с. СССР №1705500 (1990), Б.И. №2 (1992); Л.К. Алтунина, М.С. Фуфаева, Д.А. Филатов, Л.И. Сваровская, Е.А. Рождественский, Т. Ган-Эрдене. Влияние криогеля на свойства почвы // Почвоведение, №5, 563-570 (2014)] и др.Currently, PVA cryogels are used in medicine, for example, as materials for implants [G. Donoziere, D. Tomko, A. Ghodadra. Methods and systems for forming implant with selectively exposed mesh for fixation and related implants // US Patent No. 7,879,100 (2011); M.I. Baker, S.P. Walsh, Z. Schwatz, B.D. Boyan A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications // J. Biomed. Mater. Res., V. 100B, p. 1451-1457 (2012)], in biotechnology as carriers of immobilized enzymes, immunoaffinity ligands and whole cells [V.I. Lozinsky, I. Yu. Galaev, F.M. Plieva, I.N. Savina, H. Jungvid, B. Mattiasson. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest // Trends in Biotechnol., V. 21, No. 10, p. 445-451 (2003); IN AND. Lozinsky. A new family of macroporous and supermacroporous materials for biotechnological purposes - polymer cryogels // Bulletin of the Russian Academy of Sciences, Ser. Chem. No. 5. S. 996-1013 (2008)], construction engineering [N.K. Vasiliev, A.D.C. Pronk, I.N. Shatalina, F.H.M.E. Janssen, R.W.G. Houben. A review on the development of reinforced ice for use as a building material in cold regions // Cold Reg. Sci. Techn., V. 115, No. 1, p. 56-63 (2015)], ecology [V.I. Lozinsky, E.S. Weinerman, S.V. Rogozhin, E.N. Barkovskaya, V.N. Razbegin, A.A. Chapaev, R.V. Maksimyak. The method of fixing the thawed soil // A. S. USSR No. 1705500 (1990), B.I. No. 2 (1992); L.K. Altunina, M.S. Fufaeva, D.A. Filatov, L.I. Swarovskaya, E.A. Rozhdestvensky, T. Gan-Erdene. The effect of cryogel on soil properties // Soil Science, No. 5, 563-570 (2014)] and others.

Наиболее часто в качестве дисперсионной среды при получении исходных растворов ПВС, подвергаемых затем криоструктурированию, используют водные среды [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии, Т. 67, №7, С. 641-655 (1998); C.M. Hassan, N.A. Peppas. Structure and application of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods // Adv. Polym. Sci., V. 153, p. 37-65 (2000); В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, Б.Л. Шаскольский, Т.А. Бабушкина, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 27. Физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта и особенности их макропористой морфологии // Колоидн. журн., Т. 69, №6, С. 798-816 (2007)], но известны примеры криогелей ПВС, сформированных из растворов этого полимера в органической среде, в частности в диметилсульфоксиде (ДМСО). Впервые возможность приготовления таких криогелей была продемонстрирована более 30 лет назад, когда было найдено, что 10-16%-ные растворы ПВС в ДМСО претерпевают золь-гель переход в результате замораживания при -20°С и последующего оттаивания [С.В. Рогожин, В.И. Лозинский, Е.С. Вайнерман, Л.В. Домотенко, A.M. Мамцис, С.А. Иванова, М.И. Штильман, В.В. Коршак. Нековалентное криоструктурирование в полимерных системах // Докл. АН СССР, Т. 278, №1, С. 129-133 (1984)]. При этом физико-химические свойства и микроструктура криогелей, сформированных из растворов ПВС в ДМСО (далее сокращенно называемых КГПВСДМСО), существенно отличаются от свойств эквиконцентрированных по полимеру криогелей ПВС, полученных в аналогичных условиях криогенной обработки водных растворов ПВС (далее сокращенно называемых

Figure 00000001
). В частности, КГПВСДМСО менее жесткие и теплостойкие по сравнению с
Figure 00000001
.Most often, aqueous media are used as the dispersion medium in the preparation of the initial PVA solutions, which are then subjected to cryostructuring [V.I. Lozinsky. Cryotropic gelation of solutions of polyvinyl alcohol // Advances in Chemistry, T. 67, No. 7, S. 641-655 (1998); CM Hassan, NA Peppas. Structure and application of poly (vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing / thawing methods // Adv. Polym. Sci., V. 153, p. 37-65 (2000); IN AND. Lozinsky, L.G. Damskaln, B.L. Shaskolsky, T.A. Babushkina, I.N. Kurochkin, I.I. Kurochkin. The study of cryostructuring of polymer systems. 27. Physico-chemical properties of polyvinyl alcohol cryogels and features of their macroporous morphology // Coloidn. Zh., T. 69, No. 6, P. 798-816 (2007)], but examples of PVA cryogels formed from solutions of this polymer in an organic medium, in particular in dimethyl sulfoxide (DMSO), are known. The possibility of preparing such cryogels was first demonstrated more than 30 years ago when it was found that 10-16% solutions of PVA in DMSO undergo a sol-gel transition as a result of freezing at -20 ° C and subsequent thawing [S.V. Rogozhin, V.I. Lozinsky, E.S. Weinerman, L.V. Domotenko, AM Mamtsis, S.A. Ivanova, M.I. Shtilman, V.V. Korsak. Non-covalent cryostructuring in polymer systems // Dokl. USSR Academy of Sciences, Vol. 278, No. 1, P. 129-133 (1984)]. In this case, the physicochemical properties and microstructure of cryogels formed from PVA solutions in DMSO (hereinafter abbreviated as KHPVS DMSO ) differ significantly from the properties of PVA cryogels equiconcentrated by polymer obtained under similar conditions of cryogenic treatment of aqueous PVA solutions (hereinafter abbreviated as
Figure 00000001
) In particular, KGPVS DMSO is less rigid and heat-resistant in comparison with
Figure 00000001
.

Например, известен способ получения КГПВСДМСО замораживанием 15%-ного ДМСО-раствора ПВС при -20°С в течение 3 ч с последующим выдерживанием образца в воде при комнатной температуре в течение 4 суток для оттаивания и замещения ДМСО водой [S.H. Hyon, Y. Ikada. Porous and transparent poly(vinyl alcohol) gel and the method of manufacturing the same // US Patent No. 4,663,358 (1987)]. Прочность такого, сформированного в среде ДМСО криогеля ПВС, равная 13 кгс/см2, почти вдвое ниже прочности образца сравнения

Figure 00000001
(25 кгс/см2), сформированного в аналогичном режиме из 15%-ного водного раствора ПВС [S.H.Hyon, W.I.Cha, Y.Ykada. Preparation of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogel // Polym. Bull., V. 22, No. 2, p. 119-122 (1989)], т.е. эквиконцентрированные В отношении полимера образцы КГПВСДМСО значительно уступают по прочностным показателям соответствующим криогелям, полученным в водной среде (т.е.
Figure 00000001
).For example, there is a known method for the preparation of CHPVS DMSO by freezing a 15% DMSO solution of PVA at -20 ° C for 3 hours, followed by keeping the sample in water at room temperature for 4 days to thaw and replace DMSO with water [SH Hyon, Y. Ikada. Porous and transparent poly (vinyl alcohol) gel and the method of manufacturing the same // US Patent No. 4,663,358 (1987)]. The strength of this PVA cryogel formed in DMSO, equal to 13 kgf / cm 2 , is almost half the strength of the reference sample
Figure 00000001
(25 kgf / cm 2 ) formed in a similar mode from a 15% aqueous solution of PVA [SHHyon, WICha, Y. Ykada. Preparation of transparent poly (vinyl alcohol) hydrogel // Polym. Bull., V. 22, No. 2, p. 119-122 (1989)], i.e. equiconcentrated with respect to the polymer, the samples of KGPVS DMSO are significantly inferior in strength indicators to the corresponding cryogels obtained in an aqueous medium (i.e.
Figure 00000001
)

В то же время известно, что внесение добавок воды в исходный ДМСО-раствор ПВС перед его замораживанием приводит после криогенной обработки таких растворов к криогелям, обладающим еще меньшей жесткостью, чем эквиконцентрированные КГПВСДМСО, сформированные в отсутствие добавок. Причем, с повышением содержания воды с составе растворителя от 25 до 75% «ослабляющий» эффект усиливается [H. Trieu, S. Qutubuddin. Poly(vinyl alcohol) hydrogels. 2. Effects of processing parameters on structure and properties // Polymer, V. 36, No. 13, 2531-2539 (1995)]. Отсюда следует, что в смесях ДМСО с водой последняя в определенной степени снижает эффективность криотропного гелеобразования ПВС.At the same time, it is known that the addition of water to the initial DMSO-solution of PVA before it is frozen, after cryogenic treatment of such solutions, leads to cryogels having even lower rigidity than the equilibrium concentrated DGSO DMSO formed in the absence of additives. Moreover, with an increase in water content with a solvent composition of 25 to 75%, the “weakening” effect is enhanced [H. Trieu, S. Qutubuddin. Poly (vinyl alcohol) hydrogels. 2. Effects of processing parameters on structure and properties // Polymer, V. 36, No. 13, 2531-2539 (1995)]. It follows that in DMSO-water mixtures, the latter to a certain extent reduces the efficiency of PVA cryotropic gelation.

В свою очередь, известно, что при формировании

Figure 00000001
различные низкомолекулярные добавки, в зависимости от их природы и концентрации, могут либо приводить к снижению жесткости и теплостойкости криогелей, препятствуя межмолекулярному водородному связыванию ПВС (подобные добавки называют хаотропными агентами), либо могут способствовать повышению жесткости и теплостойкости криогелей за счет промотирования водородного связывания между ОН-группами цепей ПВС (такие вещества называют космотропными или антихаотропными агентами), либо же определенные добавки могут не оказывать существенного влияния на характеристики получаемых гелевых матриц.In turn, it is known that when forming
Figure 00000001
various low molecular weight additives, depending on their nature and concentration, can either reduce the stiffness and heat resistance of cryogels, interfering with the intermolecular hydrogen bonding of PVA (such additives are called chaotropic agents), or they can increase the stiffness and heat resistance of cryogels by promoting hydrogen bonding between OH -groups of PVA chains (such substances are called cosmotropic or antihaotropic agents), or certain additives may not have a significant influence on the characteristics of the resulting gel matrices.

В этой связи, при формировании криогелей ПВС в водных средах повышение концентрации добавок хаотропных неорганических солей (в частности, хлористого лития или роданида натрия) в исходных растворах полимера вызывает прогрессивное падение жесткости и теплостойкости соответствующих

Figure 00000001
вплоть до полного подавления гелеобразования, тогда как введение возрастающих количеств космотропных солей (например, фторида или сульфата натрия) приводит к формированию все более жестких и высокоплавких криогелей [V.I. Lozinsky, L.V. Domotenko, A.L. Zubov, I.A. Simenel. Study of cryostructuration of polymer systems. XII. Poly(vinyl alcohol) cryogels: influence of low-molecular electrolytes // J. Appl. Polym. Sci., V.61, No. 11, p. 1991-1998 (1996); B.И. Лозинский, Н.Г. Сахно, Л.Г. Дамшкалн, И.В. Бакеева, В.П. Зубов, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 31. Влияние добавок хлоридов щелочных металлов на физико-химические свойства и морфологию криогелей поливинилового спирта // Коллоидн. журн., Т. 73, №2, С. 225-234 (2011)].In this regard, during the formation of PVA cryogels in aqueous media, an increase in the concentration of additives of chaotropic inorganic salts (in particular, lithium chloride or sodium thiocyanate) in the initial polymer solutions causes a progressive decrease in the stiffness and heat resistance of the corresponding
Figure 00000001
up to the complete suppression of gelation, while the introduction of increasing amounts of cosmotropic salts (for example, fluoride or sodium sulfate) leads to the formation of increasingly stiff and high-melting cryogels [VI Lozinsky, LV Domotenko, AL Zubov, IA Simenel. Study of cryostructuration of polymer systems. XII. Poly (vinyl alcohol) cryogels: influence of low-molecular electrolytes // J. Appl. Polym. Sci., V.61, No. 11, p. 1991-1998 (1996); B.I. Lozinsky, N.G. Sakhno, L.G. Damskaln, I.V. Bakeeva, V.P. Zubov, I.N. Kurochkin, I.I. Kurochkin. The study of cryostructuring of polymer systems. 31. Effect of alkali metal chloride additives on the physicochemical properties and morphology of polyvinyl alcohol cryogels // Colloidn. Zh., T. 73, No. 2, P. 225-234 (2011)].

Таким образом, известным способом повышения физико-механических и теплофизических характеристик криогелей ПВС является усиление эффективности водородного связывания при криотропном гелеобразовании ПВС за счет введения добавок космотропных агентов в исходный раствор полимера.Thus, a known way to increase the physicomechanical and thermophysical characteristics of PVA cryogels is to increase the efficiency of hydrogen bonding during cryotropic gelation of PVA by introducing cosmotropic agents into the initial polymer solution.

Однако большинство низкомолекулярных неорганических солей, проявляющих антихаотропные свойства в водных средах, плохо растворимы в ДМСО. Поэтому для повышения жесткости и теплостойкости КГПВСДМСО было бы желательно использовать низкомолекулярные органические космотропы, хорошо растворимые в ДМСО, тем более что для криогелей ПВС, сформированных криогенной обработкой водных растворов полимера, известны «усиливающие» эффекты таких космотропных органических веществ, как трегалоза или гидроксипролин, но «ослабляющее» влияние таких хаотропных органических веществ, как, например, мочевина или гидрохлорид гуанидина [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, Т. XXVII, №3, С. 73-77 (2013)]. Например, В результате замораживания в течение 12 ч при -20°С водных растворов ПВС (100 г/л), содержащих до 1 моль/л трегалозы или гидроксипролина, и последующего оттаивания замороженных образцов получались криогели, жесткость которых повышалась в 1.7-2 раза по сравнению с эквиконцентрированным криогелем, не содержащим низкомолекулярных добавок, а температура плавления возрастала на 7-8°С. В то же время, добавки хаотропных мочевины или хлоргидрата гуанидина существенным образом подавляли гелеобразование ПВС, поэтому соответствующие криогели удавалось сформировать при концентрациях этих низкомолекулярных веществ не выше 0.5 моль/л, при этом жесткость и теплостойкость полученных криогелей были значительно ниже, чем у

Figure 00000001
, сформированных в отсутствие добавок (фиг. 1а и 1б соответственно).However, most of the low molecular weight inorganic salts exhibiting antichotropic properties in aqueous media are poorly soluble in DMSO. Therefore, in order to increase the rigidity and heat resistance of HMWA DMSO, it would be desirable to use low molecular weight organic cosmotropes that are readily soluble in DMSO, especially since for the PVA cryogels formed by cryogenic treatment of aqueous polymer solutions, the enhancing effects of cosmotropic organic substances such as trehalose or hydroxyproline are known but the "weakening" effect of such chaotropic organic substances as, for example, urea or guanidine hydrochloride [O.Yu. Kolosova, E.A. Kondratiev, V.I. Lozinsky. Investigation of the influence of a number of chaotropic and cosmotropic substances on the physicochemical properties of polyvinyl alcohol cryogels // Advances in Chemistry and Chemical Technology, vol. XXVII, No. 3, pp. 73-77 (2013)]. For example, as a result of freezing for 12 h at -20 ° С aqueous solutions of PVA (100 g / l) containing up to 1 mol / l of trehalose or hydroxyproline, and subsequent thawing of frozen samples, cryogels were obtained, the rigidity of which increased 1.7-2 times compared with equiconcentrated cryogel, which does not contain low molecular weight additives, and the melting temperature increased by 7-8 ° C. At the same time, the addition of chaotropic urea or guanidine hydrochloride significantly suppressed PVA gel formation, therefore, the corresponding cryogels could be formed at concentrations of these low molecular weight substances no higher than 0.5 mol / L, while the stiffness and heat resistance of the obtained cryogels were significantly lower than for
Figure 00000001
formed in the absence of additives (Fig. 1A and 1B, respectively).

Данные технические решения, известные из публикации [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, Т. XXVII, №3, С. 73-77 (2013)], т.е. композиция для получения криогелей поливинилового спирта, включающая ПВС, растворитель, в качестве которого используют воду, и низкомолекулярную добавку, способствующую образованию криогелей с повышенной жесткостью и теплостойкостью, а также способ повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС, включающий введение в исходный раствор полимера низкомолекулярной добавки, в качестве которой используют космотротропные органические вещества, например трегалозу или гидроксипролин наиболее близки к заявляемым техническим решениям по ряду существенных признаков и поэтому были выбраны в качестве прототипов.These technical solutions known from the publication [O.Yu. Kolosova, E.A. Kondratiev, V.I. Lozinsky. Investigation of the influence of a number of chaotropic and cosmotropic substances on the physicochemical properties of cryogels of polyvinyl alcohol // Advances in Chemistry and Chemical Technology, vol. XXVII, No. 3, P. 73-77 (2013)], ie a composition for producing cryogels of polyvinyl alcohol, including PVA, a solvent, which is used as water, and a low molecular weight additive that promotes the formation of cryogels with increased stiffness and heat resistance, as well as a method of increasing hardness and heat resistance of PVA cryogels, including the introduction of a low molecular weight additive into the polymer polymer solution, which use cosmotropic organic substances, for example trehalose or hydroxyproline, are closest to the claimed technical solutions about a number of essential features and therefore were selected as prototypes.

В литературе не обнаружено данных о влиянии низкомолекулярных хаотропных добавок различной природы на свойства КГПВСДМСО, формируемых из ДМСО-растворов ПВС. В отношении же действия космотропных добавок, исходя из уровня техники можно было ожидать, что их введение в ДМСО-растворы ПВС (как и в случае водных растворов ПВС) тоже приведет к образованию криогелей с повышенной жесткостью и теплостойкостью после криогенной обработки, тогда как характер влияния хаотропных добавок, в принципе, не должен отличаться от указанных выше эффектов, известных для

Figure 00000001
.No data were found in the literature on the effect of low molecular weight chaotropic additives of various nature on the properties of DMSO CHPVS formed from DMSO PVA solutions. As regards the action of cosmotropic additives, it would be expected from the prior art that their introduction into PVA DMSO solutions (as in the case of PVA aqueous solutions) will also lead to the formation of cryogels with increased stiffness and heat resistance after cryogenic treatment, while the nature of the effect chaotropic additives, in principle, should not differ from the above effects known for
Figure 00000001
.

Задачей заявляемого изобретения является создание новой композиции для получения криогелей поливинилового спирта с повышенной жесткостью и теплостойкостью, формируемых криогенной обработкой ДМСО-растворов ПВС, и разработка способа повышения жесткости и теплостойкости таких криогелей.The objective of the invention is the creation of a new composition for producing cryogels of polyvinyl alcohol with increased stiffness and heat resistance formed by cryogenic treatment of DMSO-solutions of PVA, and the development of a method for increasing the stiffness and heat resistance of such cryogels.

Указанная задача решается:The specified task is solved:

а) составом полимерной композицией для получения криогелей поливинилового спирта, включающей поливиниловый спирт, растворитель и низкомолекулярную добавку, причем в качестве растворителя используют диметилсульфоксид, а в качестве низкомолекулярной добавки - растворимое в диметилсульфоксиде хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ при следующем содержании компонентов в 1 л композиции: поливиниловый спирт - 80-140 г, низкомолекулярная добавка - 0.5-4.0 моль, диметилсульфоксид - остальное; иa) the composition of the polymer composition for the preparation of polyvinyl alcohol cryogels, including polyvinyl alcohol, a solvent and a low molecular weight additive, with dimethyl sulfoxide being used as a solvent, and a chaotropic substance soluble in dimethyl sulfoxide or a mixture of chaotropic substances with the following components in 1 liter is used as a low molecular weight additive : polyvinyl alcohol - 80-140 g, low molecular weight additive - 0.5-4.0 mol, dimethyl sulfoxide - the rest; and

б) способом повышения жесткости и теплостойкости криогеля поливинилового спирта, включающим приготовление раствора полимера и низкомолекулярной добавки, представляющей собой хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ, в диметилсульфоксиде, 1-5-кратную криогенную обработку полученного раствора его замораживанием при -10…-40°С в течение 6-48 ч с последующим оттаиванием и, в случае необходимости, промывку водой для удаления водорастворимых веществ.b) a way to increase the rigidity and heat resistance of polyvinyl alcohol cryogel, including the preparation of a polymer solution and a low molecular weight additive, which is a chaotropic substance or a mixture of chaotropic substances in dimethyl sulfoxide, 1-5-fold cryogenic processing of the resulting solution by freezing it at -10 ... -40 ° C for 6-48 hours, followed by thawing and, if necessary, washing with water to remove water-soluble substances.

Получаемый из заявляемой композиции криогель ПВС может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, гранул, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока), трубок и др.Obtained from the claimed composition PVA cryogel can be prepared in any geometric shape: in the form of blocks, plates, disks, granules, particles of irregular shape (obtained by grinding the block), tubes, etc.

Авторы настоящего изобретения предполагали, что введение низкомолекулярных космотропных веществ в исходный ДМСО-раствор ПВС, как и в случае водных растворов этого полимера, приведет после криогенной обработки к образованию КГПВСДМСО с повышенной жесткостью и теплостойкостью. Предварительные эксперименты подтвердили правомерность сделанного предположения, а именно, введение добавок органических космотропов - трегалозы и гидроксипролина - в исходные ДМСО-растворы ПВС, позволили получить криогели с более высокими значениями модуля упругости и температуры плавления, по сравнению с КГПВСДМСО, сформированными в отсутствие таких добавок. Таким образом, растворимые в ДМСО органические космотропы оказывали на свойства образующихся криогелей такое же по своему характеру воздействие, что и на

Figure 00000001
, т.е. из уровня техники такой способ повышения жесткости и теплостойкости КГПВСДМСО являлся вполне очевидным.The authors of the present invention suggested that the introduction of low molecular weight cosmotropic substances into the initial DMSO-solution of PVA, as in the case of aqueous solutions of this polymer, will lead, after cryogenic treatment, to the formation of CHPVS of DMSO with increased rigidity and heat resistance. Preliminary experiments confirmed the validity of the assumption made, namely, the introduction of organic cosmotropes — trehalose and hydroxyproline — into the initial PVA DMSO solutions made it possible to obtain cryogels with higher values of the elastic modulus and melting temperature, as compared to the DMSO CGPVs formed in the absence of such additives . Thus, organic cosmotropes soluble in DMSO had the same effect on the properties of the resulting cryogels as on
Figure 00000001
, i.e. the art of such a method for increasing the rigidity and heat resistance KGPVS DMSO was obvious.

Принципиальным и совершенно неочевидным признаком заявляемого изобретения являет обнаруженный авторами ранее неизвестный и совершенно неожиданный «противоположный» водным средам эффект влияния добавок растворимых в ДМСО низкомолекулярных органических хаотропов на физико-химические характеристики образующих в их присутствии криогелей ПВС. Из уровня техники следовало, что в присутствии веществ, подавляющих водородное связывание между ОН-группами цепей ПВС, будет происходить ингибирование криотропного гелеобразования данного полимера, но оказалось, что наоборот: имеет место промотирование образования криогелей, причем образующиеся криогели обладают повышенной жесткостью и теплостойкостью по сравнению с эквиконцентрированными КГПВСДМСО, получаемыми в отсутствие добавок (см. таблицу примеров). Этот неожиданный результат, который не следует из уровня техники и не является очевидным для специалиста в данной области, подтверждает изобретательский уровень заявляемого изобретения.The principal and completely non-obvious feature of the claimed invention is the previously unknown and completely unexpected “opposite” to aqueous media discovered by the authors effect of the influence of additives of low molecular weight organic chaotropes soluble in DMSO on the physicochemical characteristics of PVA cryogels forming in their presence. According to the prior art, in the presence of substances that suppress hydrogen bonding between the OH groups of the PVA chains, the cryotropic gelation of this polymer will be inhibited, but it turned out that on the contrary: cryogels are promoted, and the resulting cryogels have increased stiffness and heat resistance compared to with equiconcent CHPVS DMSO obtained in the absence of additives (see table of examples). This unexpected result, which does not follow from the prior art and is not obvious to a person skilled in the art, confirms the inventive step of the claimed invention.

Ниже рассматриваются основные факторы, определяющие конкретные параметры заявляемых технических решений.The following are the main factors that determine the specific parameters of the claimed technical solutions.

Состав исходной полимерной композиции:The composition of the original polymer composition:

Ключевым и, как отмечено выше, неочевидным компонентом заявляемой композиции является низкомолекулярное хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ. Диапазон концентраций таких хаотропов в заявляемой композиции найден экспериментально, он находится в пределах от 0.5 до 4.0 моль/л. При концентрациях хаотропной добавки менее 0.5 моль/л наблюдаемые эффекты повышения жесткости и теплостойкости образующихся криогелей невелики (5-10%) по сравнению с образцами без добавок; при концентрациях заявляемой низкомолекулярной добавки выше 4 моль/л, во-первых, значителен ее расход, т.е. заметно возрастают материальные затраты на процесс в целом, и, во-вторых, резко понижается температура замерзания исходных ДМСО-растворов ПВС, что также нецелесообразно с экономической точки зрения из-за возрастающих энергозатрат. Максимальная концентрация добавки зависит также от предела ее растворимости в ДМСО.The key and, as noted above, non-obvious component of the claimed composition is a low molecular weight chaotropic substance or a mixture of chaotropic substances. The concentration range of such chaotropes in the claimed composition was found experimentally, it ranges from 0.5 to 4.0 mol / L. At concentrations of a chaotropic additive less than 0.5 mol / L, the observed effects of increasing the stiffness and heat resistance of the resulting cryogels are small (5-10%) in comparison with samples without additives; at concentrations of the claimed low molecular weight additive above 4 mol / l, firstly, its consumption is significant, i.e. the material costs of the process as a whole increase noticeably, and, secondly, the freezing temperature of the initial DMSO-solutions of PVA decreases sharply, which is also impractical from an economic point of view due to increasing energy costs. The maximum concentration of the additive also depends on its solubility limit in DMSO.

Концентрация ПВС в заявляемой композиции зависит от двух основных факторов: при концентрациях этого гелеобразующего полимера ниже 80 г/л получаемые КГПВСДМСО имеют низкие прочностные характеристики (модуль упругости не выше 1-1.5 кПа), при концентрациях ПВС выше 140 г/л резко возрастает вязкость раствора полимера в ДМСО, что сильно затрудняет перемешивание системы и ее дозирование в формы для замораживания, т.е. ухудшается технологичность процесса в целом.The concentration of PVA in the claimed composition depends on two main factors: at concentrations of this gelling polymer below 80 g / l, the obtained DMSO KGPVS have low strength characteristics (elastic modulus not higher than 1-1.5 kPa), at PVA concentrations above 140 g / l, the viscosity sharply increases the polymer solution in DMSO, which greatly complicates the mixing of the system and its dispensing in the form for freezing, i.e. the technological process as a whole is deteriorating.

Режимы криотропного гелеобразования:Modes of cryotropic gelation:

Приготовление исходного раствора ПВС в диметилсульфоксиде проводят обычными известными приемами, предпочтительнее при нагревании до 60-80°С, что, кроме того, способствует стерилизации получающегося раствора. Растворимые в диметилсульфоксиде низкомолекулярные добавки можно вводить либо непосредственно в полученный горячий раствор полимера, либо после его охлаждения до комнатной температуры.The preparation of the initial solution of PVA in dimethyl sulfoxide is carried out by the usual known methods, preferably when heated to 60-80 ° C, which, in addition, helps to sterilize the resulting solution. Low molecular weight soluble dimethyl sulfoxide additives can be added either directly to the resulting hot polymer solution, or after it is cooled to room temperature.

Температурные режимы замораживания исходной полимерной композиции для формирования соответствующих криогелей ПВС определены экспериментально. Верхний предел температурного диапазона (-10°С) обусловлен тем, что при температуре выше -10°С из-за эффектов переохлаждения полимерные композиции заявляемого состава часто не замерзают, а нижний предел (т.е. -40°С) - тем, что замораживание исходного раствора ниже этого значения температуры, во-первых, не приводит к существенному повышению жесткости и теплостойкости конечных криогелей и, во-вторых, увеличивает энергозатраты. Поэтому использование более низких, чем -40°С, температур нецелесообразно.The temperature conditions for freezing the initial polymer composition for the formation of the corresponding PVA cryogels were determined experimentally. The upper limit of the temperature range (-10 ° C) is due to the fact that at temperatures above -10 ° C due to supercooling effects, polymer compositions of the claimed composition often do not freeze, and the lower limit (i.e. -40 ° C) - because that freezing the initial solution below this temperature value, firstly, does not significantly increase the rigidity and heat resistance of the final cryogels and, secondly, increases energy costs. Therefore, the use of lower than -40 ° C temperatures is impractical.

Длительность криогенной обработки исходных ДМСО-растворов ПВС также найдена экспериментально и для заявляемого способа составляет от 6 до 48 ч.The duration of cryogenic treatment of the initial DMSO-solutions of PVA is also found experimentally and for the proposed method is from 6 to 48 hours

Число циклов замораживания-оттаивания влияет на комплекс физико-химических показателей криогелей ПВС. Так, с ростом числа таких циклов, повышаютсяThe number of freeze-thaw cycles affects the complex of physicochemical parameters of PVA cryogels. So, with an increase in the number of such cycles, increase

прочностные характеристики

Figure 00000001
[В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 28. Физико-химические свойства и морфология криогелей поливинилового спирта, сформированных многократным замораживанием-оттаиванием // Колоидн. журн., Т. 70, №2, 212-222 (2008)]. В отношении же криогелей ПВС, формируемых в среде ДМСО, да еще и в присутствии добавок низкомолекулярных хаотропов, такой информации не имеется. Эксперименты, проведенные авторами настоящего изобретения, продемонстрировали упрочняющие эффекты многократной криогенной обработки и для КГПВСДМСО (см. таблицу примеров). Поэтому в заявляемом способе предусмотрено осуществление не только одного цикла замораживания-оттаивания, но и нескольких таких циклов - до пяти. При этом определяющим число циклов моментом является соотношение стоимости процесса (многократная криогенная обработка в соответствующее число раз повышает энергозатраты) и достигаемого уровня повышения жесткости и теплостойкости получаемых криогелей.strength characteristics
Figure 00000001
[IN AND. Lozinsky, L.G. Damskaln, I.N. Kurochkin, I.I. Kurochkin. The study of cryostructuring of polymer systems. 28. Physico-chemical properties and morphology of polyvinyl alcohol cryogels formed by repeated freezing-thawing // Koloidn. Zh., T. 70, No. 2, 212-222 (2008)]. As regards PVA cryogels formed in DMSO, and even in the presence of additives of low molecular weight chaotropes, such information is not available. The experiments conducted by the authors of the present invention, demonstrated the reinforcing effects of multiple cryogenic treatment and for KGPVS DMSO (see table of examples). Therefore, in the inventive method provides for the implementation of not only one cycle of freezing-thawing, but also several such cycles - up to five. In this case, the determining number of cycles is the ratio of the cost of the process (repeated cryogenic treatment increases the energy consumption by an appropriate number of times) and the achieved level of increasing the rigidity and heat resistance of the obtained cryogels.

Финальные обработки:Final treatments:

В случае необходимости, когда получаемые криогели ПВС должны функционировать в водном окружении, заявляемое техническое решение предусматривает промывку КГПВСДМСО водой известными приемами для удаления водорастворимых веществ, что также приводит к замещению ДМСО в образцах водой.If necessary, when the obtained PVA cryogels should function in an aqueous environment, the claimed technical solution provides for washing the DMSO KHPVS with water by known methods to remove water-soluble substances, which also leads to the replacement of DMSO in the samples with water.

Заявляемая композиция для получения криогелей поливинилового спирта и способ повышения их жесткости и теплостойкости, а также заявляемая совокупность существенных признаков, ранее известны не были, то есть предлагаемые технические решения отвечают критерию «новизна».The inventive composition for producing cryogels of polyvinyl alcohol and a method for increasing their hardness and heat resistance, as well as the claimed combination of essential features, were not previously known, that is, the proposed technical solutions meet the criterion of "novelty."

Ниже описывается типичный пример осуществления изобретения, конкретные примеры в рамках заявляемых параметров суммированы в таблице под номерами 1-9; образцы сравнения (криогели ПВС, сформированные из ДМСО-растворов полимера без хаотропных добавок) даны под номером 10. Кроме того, приводятся рисунки, которые содержат следующую информацию:A typical embodiment of the invention is described below, specific examples within the scope of the claimed parameters are summarized in the table under the numbers 1-9; comparison samples (PVA cryogels formed from DMSO polymer solutions without chaotropic additives) are given under number 10. In addition, figures are given that contain the following information:

Фиг. 1. Зависимости компрессионного модуля упругости Е (а) и температуры плавления Тпл (б) образцов

Figure 00000001
от концентрации хаотропных добавок (1 - мочевина; 2 - хлоргидрат гуанидина) в исходном растворе ПВС (100 г/л) перед его криогенной обработкой (замораживание при -20°С в течение 12 ч) [О.Ю. Колосова, Е.А. Кондратьева, В.И. Лозинский. Исследование влияния ряда хаотропных и космотропных веществ на физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта // Успехи в химии и химической технологии, T. XXVII, №3, 73-77 (2013)].FIG. 1. Dependences of the compression modulus of elasticity E (a) and the melting temperature T PL (b) of the samples
Figure 00000001
on the concentration of chaotropic additives (1 - urea; 2 - guanidine hydrochloride) in the initial PVA solution (100 g / l) before cryogenic treatment (freezing at -20 ° С for 12 h) [O.Yu. Kolosova, E.A. Kondratiev, V.I. Lozinsky. Investigation of the influence of a number of chaotropic and cosmotropic substances on the physicochemical properties of cryogels of polyvinyl alcohol // Advances in Chemistry and Chemical Technology, T. XXVII, No. 3, 73-77 (2013)].

Фиг. 2. Зависимости компрессионного модуля упругости Е (а) и температуры плавления Тпл (б) образцов

Figure 00000001
от концентрации биогенных хаотропных добавок (3 - аскорбиновая кислота; 4 - аргинин) в исходном растворе ПВС (100 г/л) перед его криогенной обработкой (замораживание при -20°С в течение 12 ч) [Е.С. Колесникова, О.Ю. Колосова, В.И. Лозинский. Криогели поливинилового спирта, содержащие добавки биологически активных веществ. // Успехи в химии и химической технологии, T. XXXI, №12, 21-23 (2017)].FIG. 2. Dependences of the compression modulus of elasticity E (a) and the melting temperature T PL (b) of the samples
Figure 00000001
on the concentration of biogenic chaotropic additives (3 - ascorbic acid; 4 - arginine) in the initial PVA solution (100 g / l) before cryogenic treatment (freezing at -20 ° C for 12 hours) [E.S. Kolesnikova, O.Yu. Kolosova, V.I. Lozinsky. Polyvinyl alcohol cryogels containing additives of biologically active substances. // Advances in Chemistry and Chemical Technology, T. XXXI, No. 12, 21-23 (2017)].

Типичный пример осуществления изобретения:A typical embodiment of the invention:

Для приготовления исходного раствора ПВС сухой полимер диспергируют в расчетном объеме ДМСО и оставляют для набухания при комнатной температуре на 15 ч. Далее набухшую массу при постоянном перемешивании нагревают в течение часа на кипящей водяной бане до получения гомогенного раствора.To prepare the initial PVA solution, the dry polymer is dispersed in the calculated volume of DMSO and left to swell at room temperature for 15 hours. Then, the swollen mass is heated with constant stirring in a boiling water bath for one hour until a homogeneous solution is obtained.

При получении криогелей ПВС в присутствии хаотропных добавок исходный ДМСО-раствор полимера термостатируют при 20°С в течение 30 мин и затем вносят расчетное количество добавки. Композицию интенсивно перемешивают до полного растворения внесенных компонентов, далее в течение 20 мин инкубируют в ультразвуковой бане для удаления пузырьков воздуха и дозируют в формы для замораживания. Образцы криогелей, предназначенные для измерения их физико-механических характеристик, формируют в разъемных дуралюминовых контейнерах с внутренним диаметром 15 мм и высотой 10 мм; для определения температур плавления криогелей образцы готовят в полиэтиленовых пробирках (внутренный диаметр - 10 мм), на дно которых помещают металлический шарик диаметром 3.5 мм и массой 0.275±0.050 г. Пробирки и/или контейнеры переносят в камеру программируемого криостата для криогенной обработки соответствующих растворов ПВС. Образцы замораживают при заданной отрицательной температуре в течение требуемого времени и затем производят их оттаивание.Upon receipt of PVA cryogels in the presence of chaotropic additives, the initial DMSO polymer solution is thermostated at 20 ° C for 30 min and then the calculated amount of the additive is added. The composition is mixed vigorously until the introduced components are completely dissolved, then they are incubated for 20 minutes in an ultrasonic bath to remove air bubbles and dosed into freezing molds. Samples of cryogels intended to measure their physical and mechanical characteristics are formed in detachable duralumin containers with an inner diameter of 15 mm and a height of 10 mm; To determine the melting points of cryogels, samples are prepared in polyethylene tubes (inner diameter 10 mm), on the bottom of which a metal ball with a diameter of 3.5 mm and a mass of 0.275 ± 0.050 g is placed. The tubes and / or containers are transferred to a programmable cryostat chamber for cryogenic processing of the corresponding PVA solutions . Samples are frozen at a given negative temperature for the required time and then thawed.

Компрессионный модуль Юнга (Е) криогелей измеряют с помощью анализатора текстуры TA-Plus («Lloyd Instruments LTD», Великобритания) из прямолинейного участка зависимости напряжения от деформации при скорости одноосного приложения нагрузки 0.3 мм/мин. Измерения проводят до достижения 30%-ной деформации образца. Температуру плавления КГПВСДМСО определяют, помещая пробирки с криогелем, в нижней части столбика которого находится металлический шарик, вверх дном в водяную баню с мешалкой. Повышение температуры осуществляют со скоростью 0.4°С/мин. За точку плавления образца принимают температуру, при которой шарик, проходя через слой плавящегося геля, падает на пробку пробирки.Young's compression modulus (E) of cryogels is measured using a TA-Plus texture analyzer (Lloyd Instruments LTD, UK) from a straight-line plot of strain versus strain at a uniaxial loading rate of 0.3 mm / min. Measurements are carried out until a 30% deformation of the sample is achieved. The melting temperature of KHPVS DMSO is determined by placing tubes with a cryogel, in the lower part of the column of which there is a metal ball, upside down in a water bath with a stirrer. The temperature increase is carried out at a rate of 0.4 ° C / min. The temperature at which the ball passing through the layer of the melting gel falls on the tube tube is taken as the melting point of the sample.

Измерение модулей упругости и температур плавления криогелей осуществляют для трех параллельных образцов, сами же криогели получают не менее чем в трех независимых экспериментах. Полученные результаты усредняют.The elastic moduli and melting points of cryogels are measured for three parallel samples, while cryogels themselves are obtained in at least three independent experiments. The results are averaged.

В случае необходимости замены ДМСО водой и удаления водорастворимых веществ образцы КГПВСДМСО погружают в сосуд с деионизованной водой и, периодически перемешивая, выдерживают при комнатной температуре в течение 7 суток с ежедневной сменой промывной воды.If it is necessary to replace DMSO with water and remove water-soluble substances, the samples of KHPVS DMSO are immersed in a vessel with deionized water and kept stirring periodically at room temperature for 7 days with a daily change of washing water.

Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества перед аналогами и прототипом:The claimed technical solution has the following advantages over analogues and prototype:

1. В противоположность аналогам и прототипу, где добавки низкомолекулярных хаотропных веществ в водные растворы ПВС препятствуют формированию криогелей ПВС за счет ингибирования водородного связывания ОН-групп цепей полимера, в заявляемом техническом решении благодаря предложенному, причем совершенно неочевидному, составу исходной полимерной композиции, знак эффекта меняется на противоположный - добавки низкомолекулярных хаотропных веществ в ДМСО-растворы ПВС промотируют образование КГПВСДМСО. Таким образом, предлагаемое изобретение обладает существенно большей универсальностью в отношении возможностей получения этих полимерных материалов с разнообразными физико-химическими свойствами.1. In contrast to analogues and prototype, where additives of low molecular weight chaotropic substances in aqueous solutions of PVA prevent the formation of PVA cryogels due to inhibition of hydrogen bonding of OH-groups of polymer chains, in the claimed technical solution due to the proposed, and completely non-obvious, composition of the initial polymer composition, the sign of effect changes to the opposite - additives of low molecular weight chaotropic substances in DMSO-solutions of PVA promote the formation of CHPVS of DMSO . Thus, the present invention has significantly greater versatility in relation to the possibilities of obtaining these polymeric materials with a variety of physico-chemical properties.

2. Существенным преимуществом заявляемого способа также является возможность достижения значительного повышения жесткости и теплостойкости получаемых криогелей ПВС. Так, модуль упругости образцов, сформированных однократной криогенной обработкой в присутствии 2-4 моль/л мочевины (примеры 1и - 1м в таблице), превышал аналогичный показатель для приготовленного в аналогичных условиях КГПВСДМСО в отсутствие добавок (пример 10и), в 4-22 раза. Температура плавления тех же образцов, т.е. их теплостойкость, повышалась с 47.1 до 53.5-66.5°С, т.е. примерно на 6-19 градусов, что для физических гелей, узлы пространственной сетки которых стабилизированы водородными связями, является очень сильным эффектом. В случае использования 3-кратного замораживания-оттаивания жесткость криогелей повышается в 11.5 раза (примеры 1н и 10л, соответственно), а температура плавления - почти на 20°С. Способностью повышать жесткость и теплостойкость криогелей ПВС обладают, как оказалось, не только незаряженные растворимые в ДМСО хаотропные органические вещества (примеры 1, 3, 4 в таблице), но и заряженные хаотропы (примеры 2 и 5), а также их смеси (примеры 6-9).2. A significant advantage of the proposed method is also the ability to achieve a significant increase in stiffness and heat resistance of the obtained PVA cryogels. So, the elastic modulus of samples formed by a single cryogenic treatment in the presence of 2-4 mol / L urea (examples 1i - 1m in the table) exceeded the same value for DMSO prepared in similar conditions in the absence of additives (example 10i), in 4-22 times. The melting point of the same samples, i.e. their heat resistance increased from 47.1 to 53.5-66.5 ° С, i.e. by about 6-19 degrees, which is a very strong effect for physical gels whose spatial network nodes are stabilized by hydrogen bonds. In the case of using 3-fold freezing-thawing, the stiffness of cryogels increases by 11.5 times (examples 1n and 10l, respectively), and the melting point is almost 20 ° C. As it turned out, not only uncharged DMSO soluble chaotropic organic substances (examples 1, 3, 4 in the table), but also charged chaotropes (examples 2 and 5), as well as their mixtures (examples 6) have the ability to increase the rigidity and heat resistance of PVA cryogels -9).

3. Также эксперименты показали, что после замены в сформированных криогелях диметилсульфоксида водой физико-механические характеристики образцов не ухудшались, а наоборот, жесткость образцов еще возрастала. Например, если для КГПВСДМСО, сформированного в присутствии 3.0 моль/л формамида, модуль упругости составлял около 100 кПа (пример 3е), то после промывки водой для удаления водорастворимых веществ (в данном случае ДМСО и формамида) у полученного в результате

Figure 00000001
этот показатель оказался равным 170 кПа. В свою очередь, приготовленный практически в таких же условиях, но в водной среде в отсутствие добавок, криогель ПВС имел модуль упругости всего около 10.5 кПа (фиг. 1а и 2а). Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повышать жесткость не только КГПВСДМСО, но фактически и
Figure 00000001
, что не реализуется техническими решениями аналогов и прототипа.3. Also, experiments showed that after replacing dimethyl sulfoxide in the formed cryogels with water, the physicomechanical characteristics of the samples did not deteriorate, but on the contrary, the stiffness of the samples increased. For example, if the elastic modulus was about 100 kPa for the DPSO DMSO formed in the presence of 3.0 mol / L formamide (Example 3e), then after washing with water to remove water-soluble substances (in this case, DMSO and formamide) from the resulting
Figure 00000001
this indicator turned out to be equal to 170 kPa. In turn, prepared under practically the same conditions, but in an aqueous medium in the absence of additives, the PVA cryogel had an elastic modulus of only about 10.5 kPa (Figs. 1a and 2a). Thus, the claimed technical solution allows to increase the rigidity not only KGPVS DMSO , but actually
Figure 00000001
that is not implemented by technical solutions of analogues and prototype.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:The technical result of the claimed invention is:

(а) ранее неизвестный и неочевидный эффект повышения жесткости и теплостойкости криогелей ПВС при их формировании в среде ДМСО с добавками хаотропного вещества или смеси хаотропных веществ,(a) a previously unknown and non-obvious effect of increasing the stiffness and heat resistance of PVA cryogels when they are formed in DMSO with additives of a chaotropic substance or a mixture of chaotropic substances,

(б) возможность варьирования в широком диапазоне физико-химических характеристик криогелей ПВС технологически простым приемом введения в состав исходной композиции растворимых в ДМСО хаотропных агентов;(b) the possibility of varying in a wide range of physicochemical characteristics of PVA cryogels by a technologically simple method of introducing chaotropic agents soluble in DMSO into the initial composition;

(в) достижение высоких значений жесткости и теплостойкости не только КГПВСДМСО, но и

Figure 00000001
, получающихся после замены ДМСО водой в уже сформированном криогеле.(c) the achievement of high values of stiffness and heat resistance not only KGPVS DMSO , but also
Figure 00000001
obtained after replacing DMSO with water in an already formed cryogel.

Наиболее эффективно заявляемые технические решения и получаемые по настоящему изобретению криогели ПВС могут быть использованы в биотехнологии, медицине, клеточной и тканевой инженерии, например при разработке искусственной хрящевой тканиThe most effectively claimed technical solutions and PVA cryogels obtained by the present invention can be used in biotechnology, medicine, cell and tissue engineering, for example, in the development of artificial cartilage tissue

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

* Мольное соотношение.* The molar ratio.

** Суммарная мольная концентрация.** Total molar concentration.

Claims (3)

1. Полимерная композиция для получения криогеля поливинилового спирта, включающая поливиниловый спирт, низкомолекулярную добавку и диметилсульфоксид, отличающаяся тем, что в качестве низкомолекулярной добавки используют растворимое в диметисульфоксиде хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ при следующем содержании компонентов в 1 л композиции:1. A polymer composition for producing a polyvinyl alcohol cryogel, comprising polyvinyl alcohol, a low molecular weight additive and dimethyl sulfoxide, characterized in that a chaotropic substance soluble in dimetisulfoxide or a mixture of chaotropic substances is used as a low molecular weight additive with the following components in 1 liter of composition: поливиниловый спиртpolyvinyl alcohol 80-140 г80-140 g низкомолекулярная добавкаlow molecular weight additive 0,5-4,0 моль0.5-4.0 mol диметилсульфоксидdimethyl sulfoxide остальноеrest
2. Способ повышения жесткости и теплостойкости криогелей поливинилового спирта, включающий приготовление раствора полимера и низкомолекулярной добавки, представляющей собой хаотропное вещество или смесь хаотропных веществ, в диметилсульфоксиде, 1-5-кратную криогенную обработку полученного раствора его замораживанием при температуре от -10 до -40°C в течение 6-48 ч с последующим оттаиванием и, в случае необходимости, промывку водой для удаления водорастворимых веществ.2. A method of increasing the rigidity and heat resistance of polyvinyl alcohol cryogels, including the preparation of a polymer solution and a low molecular weight additive, which is a chaotropic substance or a mixture of chaotropic substances in dimethyl sulfoxide, 1-5-fold cryogenic processing of the resulting solution by freezing it at a temperature of from -10 to -40 ° C for 6-48 hours, followed by thawing and, if necessary, washing with water to remove water-soluble substances.
RU2018104214A 2018-02-05 2018-02-05 Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance RU2678281C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104214A RU2678281C1 (en) 2018-02-05 2018-02-05 Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104214A RU2678281C1 (en) 2018-02-05 2018-02-05 Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2678281C1 true RU2678281C1 (en) 2019-01-24

Family

ID=65085095

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018104214A RU2678281C1 (en) 2018-02-05 2018-02-05 Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2678281C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729025C1 (en) * 2019-07-19 2020-08-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ ТО им. Н.Н. Приорова" Минздрава России) Method for surgical treatment of pyoinflammatory processes of bone and soft tissue structures of patient's locomotor system using soft spacers impregnated with antibacterial agents

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2190644C1 (en) * 2001-04-26 2002-10-10 Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова РАН Composition for polyvinyl alcohol cryogel preparing and method of cryogel preparing
RU2543895C2 (en) * 2013-05-17 2015-03-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственный Центр "Амфион" Hydrogel material based on cross-linked polyvinyl alcohol
US9206414B2 (en) * 2003-08-13 2015-12-08 Axcelon Biopolymers Corporation Anisotropic nanocomposite hydrogel

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2190644C1 (en) * 2001-04-26 2002-10-10 Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова РАН Composition for polyvinyl alcohol cryogel preparing and method of cryogel preparing
US9206414B2 (en) * 2003-08-13 2015-12-08 Axcelon Biopolymers Corporation Anisotropic nanocomposite hydrogel
RU2543895C2 (en) * 2013-05-17 2015-03-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственный Центр "Амфион" Hydrogel material based on cross-linked polyvinyl alcohol

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729025C1 (en) * 2019-07-19 2020-08-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ ТО им. Н.Н. Приорова" Минздрава России) Method for surgical treatment of pyoinflammatory processes of bone and soft tissue structures of patient's locomotor system using soft spacers impregnated with antibacterial agents

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lou et al. Robust organohydrogel with flexibility and conductivity across the freezing and boiling temperatures of water
Xu et al. Nanocomposite hydrogels with high strength cross-linked by titania
Chu et al. Thermo-switchable surfactant gel
Xu et al. Morphological and swelling behavior of cellulose nanofiber (CNF)/poly (vinyl alcohol)(PVA) hydrogels: poly (ethylene glycol)(PEG) as porogen
Xie et al. Controlled mechanical and swelling properties of poly (vinyl alcohol)/sodium alginate blend hydrogels prepared by freeze–thaw followed by Ca2+ crosslinking
ES2330611T3 (en) HYDROGEL AND METHOD FOR THEIR ELABORATION.
Zhang et al. Highly porous, emulsion-templated, zwitterionic hydrogels: amplified and accelerated uptakes with enhanced environmental sensitivity
MX2013004994A (en) Gels and hydrogels.
TWI653278B (en) Hydrogel forming composition and hydrogel produced thereby
Hosseinzadeh Synthesis and swelling properties of a poly (vinyl alcohol)-based superabsorbing hydrogel
CN102161725B (en) Method for preparing and modifying polyacrylic acid super-absorbent resin
CN107602884B (en) Silk fibroin/chitosan composite intelligent hydrogel and preparation method thereof
CN101857666B (en) Cellulose ether grafted and modified temperature-sensitive hydrogel and preparation method thereof
RU2678281C1 (en) Polymer composition for obtaining cryogels polyvinyl alcohol and method of improving their hardness and heat resistance
Mirdarikvande et al. Effect of pH, and salinity onto swelling properties of hydrogels based on H-alginate-g-poly (AMPS)
Strachota et al. Monolithic intercalated PNIPAm/starch hydrogels with very fast and extensive one-way volume and swelling responses to temperature and pH: prospective actuators and drug release systems
CN102107023A (en) Preparation method of biological function composite auxetic hydrogel with shell core structure
US20150299975A1 (en) Prevention of topsoil erosion with hydrogels
Kemal et al. Phosphate based 2-hydroxyethyl methacrylate hydrogels for biomedical applications
CN110563968B (en) Preparation method of high-strength high-tensile ionic conductive hydrogel
Ochbaum et al. Tuning the mechanical properties of alginate–peptide hydrogels
CN109251451B (en) Preparation method of pH-sensitive xanthan gum/polyvinyl alcohol hydrogel
Tamahkar et al. Potential evaluation of PVA-based hydrogels for biomedical applications
CN114573835B (en) Polyacrylamide composite hydrogel with piezoelectric activity and preparation method and application thereof
Zhang et al. Thermoresponsive cryogels from dendronized interpenetrating polymer network showing dual-shape memory