RU2715198C1 - Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments) - Google Patents

Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments) Download PDF

Info

Publication number
RU2715198C1
RU2715198C1 RU2019110799A RU2019110799A RU2715198C1 RU 2715198 C1 RU2715198 C1 RU 2715198C1 RU 2019110799 A RU2019110799 A RU 2019110799A RU 2019110799 A RU2019110799 A RU 2019110799A RU 2715198 C1 RU2715198 C1 RU 2715198C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogel
organic solvent
porous
reaction mixture
poly
Prior art date
Application number
RU2019110799A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ирина Петровна Чихачева
Игорь Иванович Пашкин
Олеся Иршатовна Тимаева
Галина Михайловна Кузьмичева
Ирина Витальевна Кубракова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет"
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 образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет"
Priority to RU2019110799A priority Critical patent/RU2715198C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2715198C1 publication Critical patent/RU2715198C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075Macromolecular gels
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28Treatment by wave energy or particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/04Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof using blowing gases generated by a previously added blowing agent
    • C08J9/12Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof using blowing gases generated by a previously added blowing agent by a physical blowing agent
    • C08J9/14Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof using blowing gases generated by a previously added blowing agent by a physical blowing agent organic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34Silicon-containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L39/00Compositions 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 a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen; Compositions of derivatives of such polymers

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: group of inventions relates to hybrid organo-inorganic materials, specifically to versions of a method of producing a porous form-stable polymer hydrogel. In one embodiment, the hydrogel is obtained by sol-gel technology in the presence of a reaction mixture containing poly-N-vinylamide, tetraethoxysilane (TES), a basic catalyst and an organic solvent, followed by exposure of the above reaction mixture to microwave radiation (MWR). In another embodiment, the non-porous polymer hydrogel obtained by sol-gel technology in the presence of a reaction mixture containing poly-N-vinylamide, thermal power plant and the main catalyst is subjected to swelling in an organic solvent with subsequent exposure of the MWR to the swollen polymer hydrogel.
EFFECT: technical result is providing non-toxic porous form-stable polymer hydrogels based on poly-N-vinylamides, as well as maintaining porosity of said hydrogels during swelling and drying.
7 cl, 6 dwg, 7 ex

Description

Изобретение относится к области гибридных органо-неорганических материалов, к их структурной модификации, а именно, к пористому гидрогелю на основе поли-N-виниламидов и тетраэтоксисилана, а также к вариантам способа его получения по золь-гель технологии под действием микроволнового облучения.The invention relates to the field of hybrid organo-inorganic materials, to their structural modification, namely, to a porous hydrogel based on poly-N-vinylamides and tetraethoxysilane, as well as to variants of the method for producing it by sol-gel technology under the influence of microwave irradiation.

Классические, общеизвестные методы образования пористых систем предполагают использование соединений, которые при нагревании или химических реакциях выделяют газ, что приводит к вспениванию жидкой композиции. Пористая структура может быть образована вследствие экстрагирования (вымывания, выжигания) из сформованного изделия, посредством спекания металлических, керамических или полимерных монолитных частиц (порошков) и пористых гранул. Легкокипящие жидкости выделяют газы в результате кипения, испарения, десорбции при повышении температуры или при понижении давления. Вещества, выделяющие газообразные продукты в результате термического разложения: аммониевые соли минеральных и карбоновых кислот, гидрокарбонаты и карбонаты щелочных металлов, выделяющие NH3 и/или CO2, NH2COONH4, NaHCO3, Na2CO3, смесь (NH4)2CO3⋅H2O с (NH4)HCO3; азо- и диазосоединения, N-нитрозосоединения, сульфонилгидразиды, азиды и др. Низкокипящие летучие жидкости - ароматические, алифатические и галогенсодержащие углеводороды, спирты, простые эфиры, кетоны [Энциклопедия полимеров, Т. 3. - М., 1977, с. 153-159; Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционкоспособных олигомеров. - М.: Химия, 1978, 296 с.; Берлин А.А., Шутов Ф.А. Химия и технология газонаполненных высокополимеров. - М.: Наука, 1980, 504 с.].Classical, well-known methods for the formation of porous systems involve the use of compounds that produce gas during heating or chemical reactions, which leads to foaming of the liquid composition. The porous structure can be formed due to extraction (washing out, burning out) from the molded product, by sintering metal, ceramic or polymer monolithic particles (powders) and porous granules. Low-boiling liquids emit gases as a result of boiling, evaporation, desorption when the temperature rises or when the pressure decreases. Substances emitting gaseous products as a result of thermal decomposition: ammonium salts of mineral and carboxylic acids, bicarbonates and carbonates of alkali metals, emitting NH 3 and / or CO 2 , NH 2 COONH 4 , NaHCO 3 , Na 2 CO 3 , mixture (NH 4 ) 2 CO 3 ⋅H 2 O with (NH 4 ) HCO 3 ; azo and diazo compounds, N-nitroso compounds, sulfonyl hydrazides, azides, etc. Low-boiling volatile liquids - aromatic, aliphatic and halogen-containing hydrocarbons, alcohols, ethers, ketones [Encyclopedia of Polymers, T. 3. - M., 1977, p. 153-159; Berlin A.A., Shutov F.A. Foam polymers based on reactive oligomers. - M .: Chemistry, 1978, 296 p .; Berlin A.A., Shutov F.A. Chemistry and technology of gas-filled high polymers. - M .: Nauka, 1980, 504 p.].

Но все эти методы описаны для синтеза твердых пористых систем.But all these methods are described for the synthesis of solid porous systems.

При синтезе пористого гидрогеля, т.е. системы представляющей собой студенистое тело, способное сохранять форму, обладающее упругостью и эластичностью, но не имеющее текучести, необходимо учитывать капиллярные эффекты, способные «затянуть» поры. Пространственная сетка в гидрогелях образована частицами дисперсной фазы, которые соединены между собой с помощью межмолекулярного взаимодействия (водородными, ионными, ковалентными силами). Гели могут образоваться при коагуляции золей, когда контакты между частицами легко и обратимо разрушаются при механических и тепловых воздействиях (золь-гель переход). Различают гидрогели и органогели, где в качестве дисперсионной среды выступают вода и органические соединения соответственно. При высушивании гелей, в зависимости от метода удаления дисперсионной среды, могут быть получены аэрогели, амбигели, криогели и ксерогели, значительно отличающиеся плотностью и особенностями микроморфологии.In the synthesis of a porous hydrogel, i.e. system, which is a gelatinous body, able to maintain shape, with elasticity and elasticity, but without fluidity, it is necessary to take into account capillary effects that can “tighten” the pores. The spatial network in hydrogels is formed by particles of a dispersed phase, which are interconnected by intermolecular interaction (hydrogen, ionic, covalent forces). Gels can form during coagulation of sols, when the contacts between particles are easily and reversibly destroyed by mechanical and thermal influences (sol-gel transition). There are hydrogels and organogels, where water and organic compounds, respectively, act as a dispersion medium. When drying the gels, depending on the method of removing the dispersion medium, aerogels, ambigels, cryogels and xerogels can be obtained, which differ significantly in density and micromorphology features.

В химии и технологии полимеров гелями являются набухшие в водной среде ионообменные смолы; пространственно-сшитые декстраны (сефадексы), полиакриламиды, набухшие в жидких углеводородах сополимеры стирола и дивинилбензола, а также резины на основе натурального и некоторых синтетических каучуков; гидрогели желатины, агара, поливинилового спирта; органогели некоторых эфиров целлюлозы, акрилонитрила. Человек постоянно совершенствует разнообразные материалы, ищет новые области их применения. С полным основанием это относится и к полимерным гидрогелям. Как оказалось, реестр их изученных свойств еще далек от завершения [Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. - М.: Наука, 1989, 208 с.; Хохлов А.Р. и др. Самоорганизация в ион-содержащих полимерных системах / Успехи физических наук, 1997, Т. 167, №2, с. 113-128; Хохлов А.Р. Восприимчивые гели / Соросовский образовательный журнал, 1998, №11, с. 138-142; Филиппова О.Е. «Восприимчивые» полимерные гели / Высокомолекулярные соединения, серия С, 2000, Т. 42, №12, с. 2328-2352; Галаев Ю.В. «Умные» полимеры в биотехнологии и медицине / Успехи химии, 1995, Т. 64, №5, с. 505-524; Philippova О.Е. et al. Charge-induced Microphase Separation in Polyelectrolyte Hydrogels with Associating Hydrophobic Side Chains: Small-angle Neutron Scattering Study / Langmuir, 2003, V. 19, №18, pp. 7240-7248; Шляхтин O.A. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology. 2nd ed. (the «Gold Book») / Compiled by A.D. McNaught, A. Wilkinson. - Oxford: Blackwell Scientific Publications, 199; Филиппова О.Е. «Умные» полимерные гидрогели / Природа, 2005, №8, с. 71-73; Химическая энциклопедия, Т. 1. - М.: Советская энциклопедия, 1988, с. 513].In chemistry and polymer technology, gels are water-swollen ion-exchange resins; spatially cross-linked dextrans (Sephadexes), polyacrylamides, swollen copolymers of styrene and divinylbenzene in liquid hydrocarbons, as well as rubber based on natural and some synthetic rubbers; hydrogels of gelatin, agar, polyvinyl alcohol; organogels of certain cellulose ethers, acrylonitrile. Man is constantly improving a variety of materials, looking for new areas of their application. With good reason, this applies to polymer hydrogels. As it turned out, the register of their studied properties is still far from complete [Grosberg A.Yu., Khokhlov AR Physics in the world of polymers. - M .: Nauka, 1989, 208 p .; Khokhlov A.R. and others. Self-organization in ion-containing polymer systems / Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1997, T. 167, No. 2, p. 113-128; Khokhlov A.R. Susceptible Gels / Soros Educational Journal, 1998, No. 11, p. 138-142; Filippova O.E. "Susceptible" polymer gels / High molecular weight compounds, series C, 2000, T. 42, No. 12, p. 2328-2352; Galaev Yu.V. “Smart” polymers in biotechnology and medicine / Advances in Chemistry, 1995, T. 64, No. 5, p. 505-524; Philippova O.E. et al. Charge-induced Microphase Separation in Polyelectrolyte Hydrogels with Associating Hydrophobic Side Chains: Small-angle Neutron Scattering Study / Langmuir, 2003, V. 19, No. 18, pp. 7240-7248; Shlyakhtin O.A. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology. 2nd ed. (the "Gold Book") / Compiled by A.D. McNaught, A. Wilkinson. - Oxford: Blackwell Scientific Publications, 199; Filippova O.E. “Smart” polymer hydrogels / Nature, 2005, No. 8, p. 71-73; Chemical Encyclopedia, T. 1. - M .: Soviet Encyclopedia, 1988, p. 513].

Материалы на основе полимерных гидрогелей известны уже почти полвека и находят широкое применение в различных областях, в том числе, связанных с биотехнологией, медициной, сельским хозяйством.Materials based on polymer hydrogels have been known for almost half a century and are widely used in various fields, including those related to biotechnology, medicine, and agriculture.

На сегодняшний день получены гидрогели на основе множества полимеров и их композиций. Особое место среди них занимают трехмерные полимерные системы с порами размером в десятки и сотни микрометров, так называемые макро- и суперпористые полимерные гидрогели. Они используются в качестве компонентов систем с контролируемым высвобождением активного вещества, материалов для имплантатов, а также в качестве подложек для выращивания клеток и тканей в тканевой инженерии [Hoffman A.S. Hydrogels for biomedical applications / Advanced Drug Delivery reviews, 2002, V. 43, N. 1, pp. 3-12; Drury J.L. et al. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications / Biomaterials, 2003, V. 24, N. 24, pp. 4337-4351; Штильман М.И. и др. Эпоксидсодержащие пористые гидрогели поли-(2-гидроксиэтилметакрилата): исследование влияния условий синтеза / Пластические массы, 2002, №7, с. 24-28; Лозинский В.И. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения / Успехи химии, 2002, Т. 71, №6, с. 559-585].To date, hydrogels based on many polymers and their compositions have been prepared. A special place among them is occupied by three-dimensional polymer systems with pores of tens and hundreds of micrometers in size, the so-called macro- and super-porous polymer hydrogels. They are used as components of systems with controlled release of the active substance, materials for implants, and also as substrates for growing cells and tissues in tissue engineering [Hoffman A.S. Hydrogels for biomedical applications / Advanced Drug Delivery reviews, 2002, V. 43, N. 1, pp. 3-12; Drury J.L. et al. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications / Biomaterials, 2003, V. 24, N. 24, pp. 4,337-4,351; Shtilman M.I. et al. Epoxy-containing porous hydrogels of poly- (2-hydroxyethylmethacrylate): study of the influence of synthesis conditions / Plastics, 2002, No. 7, p. 24-28; Lozinsky V.I. Cryogels based on natural and synthetic polymers: production, properties and applications / Uspekhi Khimii, 2002, V. 71, No. 6, p. 559-585].

Одним из наиболее распространенных способов синтеза макропористых гидрогелей является получение криогелей, например, на основе поливинилового спирта (ПВС), образующихся при замораживании с последующем оттаиванием растворов этого полимера [патент RU 2070901 С1, опубл. 27.12.1996].One of the most common methods for the synthesis of macroporous hydrogels is to obtain cryogels, for example, based on polyvinyl alcohol (PVA), formed upon freezing and subsequent thawing of solutions of this polymer [patent RU 2070901 C1, publ. 12/27/1996].

Однако, как правило, такие системы являются термически нестабильными и разрушаются, переходя в водный раствор при нагревании, и требуют закрепления структуры с использованием дополнительных, зачастую токсичных, сшивающих реагентов или жесткого излучения. Все это в значительной степени усложняет и удорожает технологию их получения, а также существенно ограничивает возможные сферы применения.However, as a rule, such systems are thermally unstable and break down, passing into an aqueous solution when heated, and require fixing the structure using additional, often toxic, crosslinking reagents or hard radiation. All this greatly complicates and increases the cost of technology for their production, and also significantly limits the possible scope.

Для получения макропористых гидрогелей на основе ПВС, лишенных этих недостатков, проведен синтез модифицированного полимера на основе ПВС, содержащего в боковой цепи непредельные связи в количестве, достаточном для образования трехмерной пространственной структуры в присутствии инициаторов радикальной полимеризации, при незначительном изменении физико-химических и токсикологических свойств модифицированного полимера по сравнению с исходным поливиниловым спиртом [Артюхов А.А. Макропористые гидрогели на основе сшитого поливинилового спирта / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. - Москва, 2006. - 18 с.].To obtain macroporous PVA-based hydrogels devoid of these drawbacks, we synthesized a modified PVA-based polymer containing unsaturated bonds in the side chain in an amount sufficient to form a three-dimensional spatial structure in the presence of radical polymerization initiators, with a slight change in physicochemical and toxicological properties modified polymer compared to the original polyvinyl alcohol [Artyukhov A.A. Macroporous hydrogels based on crosslinked polyvinyl alcohol / Abstract of dissertation for the degree of candidate of chemical sciences. - Moscow, 2006. - 18 p.].

Известен способ получения пористого гидрогеля ПВС за счет использованием сшивающих агентов, обладающих высокой токсичностью, которые требуется тщательно удалять из готового геля, или радиационным облучением [Голунова А.С. и др. Пористые полимерные гидрогели на основе поливинилового спирта и его производных, содержащих заряженные группы / Успехи в химии и химической технологии, 2010, Т. XXIV, №4 (109), с. 23-32].A known method of obtaining a porous PVA hydrogel through the use of crosslinking agents with high toxicity, which must be carefully removed from the finished gel, or by radiation [Golunova A.S. et al. Porous polymer hydrogels based on polyvinyl alcohol and its derivatives containing charged groups / Advances in Chemistry and Chemical Technology, 2010, T. XXIV, No. 4 (109), p. 23-32].

Все это требует дополнительной очистки продуктов, существенно ограничивает сферы их применения, а также усложняет технологию получения.All this requires additional purification of products, significantly limits the scope of their application, and also complicates the production technology.

Вместе с ПВС часто используют биодеградируемые полимеры - хитозан, коллаген. И в этом случае используют технологию криотропного гелеобразования, сублимационную сушку в течение суток под вакуумом [Монография «Хитозан» / под ред. Скрябина К.Г., Михайлова С.Н., Варламова В.П. - М.: Центр «Биоинженерия» РАН, 2013. - 593 с.; Подорожко Е.А. и др. Изучение криоструктурирования полимерных систем. Комплексные и композитные криогели поливинилового спирта, содержащие соответственно, растворимую и нерастворимую формы хитозана / Коллоидный журнал, 2016, Т. 78, №1, с. 75].Together with PVA, biodegradable polymers are often used - chitosan, collagen. And in this case, cryotropic gelation technology is used, freeze-drying during the day under vacuum [Monograph "Chitosan" / ed. Scriabin K.G., Mikhailova S.N., Varlamova V.P. - M .: Center "Bioengineering" RAS, 2013. - 593 p .; Podorozhko E.A. et al. Study of cryostructuring of polymer systems. Complex and composite polyvinyl alcohol cryogels containing, respectively, soluble and insoluble forms of chitosan / Colloid Journal, 2016, T. 78, No. 1, p. 75].

Известен также способ получения пористого сорбционного перевязочного материала на основе ПВС, сшивающего агента, минеральной кислоты, хлорида натрия, пенообразующего агента [патент RU 2151615 С1, опубл. 27.06.2000]. Количественное соотношение ПВС и сшивающего агента составляет на 100 частей ПВС 150-170 частей сшивающего агента.There is also a method of obtaining a porous sorption dressing material based on PVA, a crosslinking agent, a mineral acid, sodium chloride, a foaming agent [patent RU 2151615 C1, publ. 06/27/2000]. The quantitative ratio of PVA to crosslinking agent is 100-170 parts of crosslinking agent per 100 parts of PVA.

Недостатком указанного материала является недостаточная термическая стабильность продукта, относительно небольшие количество пор и их суммарный объем. Существенно, что продукт необходимо тщательно очищать от сшиваемого агента. Данные методы многостадийны и длительны.The disadvantage of this material is the lack of thermal stability of the product, the relatively small number of pores and their total volume. It is essential that the product must be thoroughly cleaned of the crosslinkable agent. These methods are multi-stage and long-lasting.

Синтез пористых гидрогелей возможен и при полимеризации мономеров в водных замороженных растворах водорастворимых ненасыщенных производных ПВС. Вводимый в боковую цепь ненасыщенный радикал содержит одну или две ненасыщенные группы и обеспечивает образование пространственной структуры в условиях радикальной полимеризации и сополимеризации. Радикал может содержать остаток ненасыщенной кислоты, например, акриловой, метакриловой, сорбиновой, кротоновой, коричной, или алкеновую группу, ненасыщенная группа может быть также введена в виде бокового ацетального заместителя. Материал имеет повышенную термостабильность, развитую пористость высокую дренирующую способность. Полимерные гидрогели медицинского назначения получают в присутствии биологически активных соединений и используют для создания покрытий при лечении ран и ожогов, макропористые гидрогелевые полимерные материалы и изделия на их основе используются в качестве имплантатов, подложек для клеточной инженерии, матриц с контролируемым высвобождением лекарственных средств, дренажных средств и т.п. [патент RU 2328313 С2, опубл. 10.07.2008; патент RU 2612703 С1, опубл. 13.03.2017; патент RU 2198686 С2, опубл. 20.02.2003].The synthesis of porous hydrogels is also possible during the polymerization of monomers in aqueous frozen solutions of water-soluble unsaturated derivatives of PVA. The unsaturated radical introduced into the side chain contains one or two unsaturated groups and provides the formation of a spatial structure under conditions of radical polymerization and copolymerization. A radical may contain an unsaturated acid residue, for example, acrylic, methacrylic, sorbic, crotonic, cinnamon, or an alkene group, and the unsaturated group may also be introduced as a side acetal substituent. The material has increased thermal stability, developed porosity and high drainage ability. Polymeric hydrogels for medical purposes are obtained in the presence of biologically active compounds and are used to create coatings in the treatment of wounds and burns, macroporous hydrogel polymeric materials and products based on them are used as implants, substrates for cell engineering, matrices with controlled release of drugs, drainage agents, and etc. [patent RU 2328313 C2, publ. 07/10/2008; Patent RU 2612703 C1, publ. 03/13/2017; patent RU 2198686 C2, publ. 02/20/2003].

Однако эти способы изобилует наличием большого числа стадий, органических веществ и требуют дополнительной очистки и длительности операций.However, these methods are replete with the presence of a large number of stages, organic substances and require additional purification and the duration of operations.

Также описан синтез полиметилсилоксанов (гидрогелей метилкремниевой кислоты), которые могут быть использованы в качестве адсорбентов в различных областях техники, в частности в медицине как энтеросорбенты для выведения из организма среднемолекулярных органических токсических метаболитов. Данные соединения синтезированы в связи с необходимостью получения сорбентов с повышенной сорбционной емкостью и селективностью к среднемолекулярным органическим метаболитам [патент RU 2111979 С1, опубл. 27.05.1998].Also described is the synthesis of polymethylsiloxanes (hydrogels of methylsilicic acid), which can be used as adsorbents in various fields of technology, in particular in medicine, as enterosorbents for excretion of medium molecular organic toxic metabolites. These compounds are synthesized due to the need to obtain sorbents with increased sorption capacity and selectivity for medium molecular metabolites [patent RU 2111979 C1, publ. May 27, 1998].

В работе [Пашкин И.И. и др. Структурообразование в системах поливиниловый спирт-гликоли-вода / Пластические массы, 2011, №2, с. 11-15] изучено влияние вводимых в реакционную систему гликолей различной природы и концентрации на свойства формоустойчивых гидрогелей на основе ПВС, получаемых методом замораживания смесей. В отличие от структуры криогелей ПВС-вода, гели из тройных систем обладают относительно регулярной мелкопористой структурой, состоящей из глобулярных образований, при этом размер пор составляет 60-80 нм, что на порядок превышает средний размер пор криогелей ПВС-вода. Полученные прочные аппликационные материалы нашли применение в медицине и косметологии.In the work [Pashkin I.I. et al. Structuring in polyvinyl alcohol-glycol-water systems / Plastics, 2011, No. 2, p. 11-15] the effect of glycols of various nature and concentration introduced into the reaction system on the properties of PVA-based form-stable hydrogels obtained by freezing mixtures was studied. In contrast to the structure of PVA-water cryogels, gels from ternary systems have a relatively regular finely porous structure consisting of globular formations, while the pore size is 60-80 nm, which is an order of magnitude larger than the average pore size of PVA-water cryogels. The obtained durable application materials have found application in medicine and cosmetology.

Таким образом, в рассмотренных способах синтеза пористых гидрогелей используется, в основном, криогенная технология водных растворов полимеров (ПВС) или синтез полимеров с соответствующими добавками (например, сшивающие агенты) с последующими операциями, в том числе, криогенной сушкой, очисткой, что усложняет многостадийную технологию и увеличивает время синтеза. Следует подчеркнуть, что в этих методиках только в высушенных с помощью криогенной сушки образцах наблюдаются образующиеся поры. В набухшем состоянии поры заполнены растворителем (водой).Thus, the considered methods for the synthesis of porous hydrogels use mainly the cryogenic technology of aqueous solutions of polymers (PVA) or the synthesis of polymers with appropriate additives (for example, cross-linking agents) with subsequent operations, including cryogenic drying, purification, which complicates the multi-stage technology and increases synthesis time. It should be emphasized that in these methods, only in the samples dried by cryogenic drying are the pores formed. In the swollen state, the pores are filled with solvent (water).

В предлагаемом изобретении способ получения пористого формоустойчивого гидрогеля основан на золь-гель технологии и использует в качестве воздействия на реакционную систему микроволновое излучение (МВИ).In the present invention, the method for producing a porous form-stable hydrogel is based on the sol-gel technology and uses microwave radiation (MVI) as an effect on the reaction system.

Основное преимущество золь-гель метода заключается в высокой степени гомогенизации исходных компонентов. Это достигается благодаря растворению солей и оксидов исходных веществ в исходном растворе. Золь-гель метод по сравнению с традиционной схемой синтеза веществ обладает упрощенной технологической схемой синтеза. Данный метод позволяет достичь снижения энергозатрат и высокой степени чистоты продуктов на всех стадиях синтеза при минимуме затрат на ее достижение. Становится возможным получение данным методом продуктов, которые характеризуются: монофазной кристаллической структурой, обладающей высокой степенью совершенства; строго стехиометрическим составом; отсутствием посторонних фаз. Исключительно важную роль в золь-гель процессе играют процессы удаления растворителя из геля (сушки). В зависимости от метода их осуществления могут быть получены различные продукты синтеза (ксерогели, амбигели, криогели, аэрогели). Общими особенностями этих продуктов являются сохранение наноразмеров структурных элементов и достаточно высокие значения удельной поверхности [Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с.; Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. - СПб.: ООО «Техномедиа», 2007. - 255 с.; Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 208 с.; Cheong K.Y. et al. Electrical and optical studies of ZnO:Ga thin films fabricated via the sol-gel technique / Thin Solid Films, 2002, V. 410, pp. 142-146; Li Y. et al. Effect of aging time of ZnO sol on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by sol-gel method / Applied Surface Science, 2010, V. 256., pp. 4543-4547).The main advantage of the sol-gel method is the high degree of homogenization of the starting components. This is achieved by dissolving the salts and oxides of the starting materials in the starting solution. The sol-gel method, in comparison with the traditional scheme of synthesis of substances, has a simplified technological scheme of synthesis. This method allows to reduce energy consumption and a high degree of purity of products at all stages of synthesis with a minimum of costs for its achievement. It becomes possible to obtain products using this method that are characterized by: a monophasic crystalline structure with a high degree of perfection; strictly stoichiometric composition; lack of extraneous phases. An extremely important role in the sol-gel process is played by the processes of solvent removal from the gel (drying). Depending on the method of their implementation, various synthesis products (xerogels, ambigels, cryogels, aerogels) can be obtained. Common features of these products are the preservation of nanoscale structural elements and fairly high values of the specific surface [Eliseev A.A., Lukashin A.V. Functional nanomaterials. - M .: FIZMATLIT, 2010 .-- 456 p .; Maksimov A.I., Moshnikov V.A., Tairov Yu.M., Shilova O.A. The basics of sol-gel technology of nanocomposites. - SPb .: Technomedia LLC, 2007. - 255 p .; Shabanova N.A., Sarkisov P.D. The basics of sol-gel technology of nanosized silica. - M.: IKC "Akademkniga", 2004. - 208 p .; Cheong K.Y. et al. Electrical and optical studies of ZnO: Ga thin films fabricated via the sol-gel technique / Thin Solid Films, 2002, V. 410, pp. 142-146; Li Y. et al. Effect of aging time of ZnO sol on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by sol-gel method / Applied Surface Science, 2010, V. 256., pp. 4543-4547).

В случае использования микроволнового излучения синтез гидрогеля может осуществляться одновременно с образованием пористой структуры. Микроволновое излучение для получения пор можно использовать и на готовые гидрогели.In the case of using microwave radiation, the synthesis of the hydrogel can be carried out simultaneously with the formation of a porous structure. Microwave radiation to produce pores can also be used on finished hydrogels.

Микроволновое излучение (МВИ) относится к экологически чистому виду технологии, «зеленой химии» и является одним из перспективных методов, позволяющим снизить энергозатраты и увеличить скорость образования конечных продуктов [Кубракова И.В. Микроволновое излучение в аналитической химии: возможности и перспективы использования / Успехи химии, 2002, Т. 71, №4, с. 240-278; Романова Н.Н. и др. Микроволновое облучение в органическом синтезе / Успехи химии, 2005, Т. 74, №11, с. 1059-1101; Kirsh Y.E. et al. Structural transformations and water associate interactions in poly-N-vinylcaprolactam-water system / European Polymer Journal, 1999, V. 35, N. 2, pp. 305-316; Whittaker A.G. et al. The application of microwave heating to chemical syntheses /Journal of microwave power and electromagnetic energy, 1994, V. 29, N. 4, pp. 195-219].Microwave radiation (MVI) refers to an environmentally friendly type of technology, "green chemistry" and is one of the promising methods that can reduce energy consumption and increase the rate of formation of end products [Kubrakova I.V. Microwave Radiation in Analytical Chemistry: Possibilities and Prospects of Use / Uspekhi Khimii, 2002, V. 71, No. 4, p. 240-278; Romanova N.N. et al. Microwave irradiation in organic synthesis / Advances in Chemistry, 2005, T. 74, No. 11, p. 1059-1101; Kirsh Y.E. et al. Structural transformations and water associate interactions in poly-N-vinylcaprolactam-water system / European Polymer Journal, 1999, V. 35, N. 2, pp. 305-316; Whittaker A.G. et al. The application of microwave heating to chemical syntheses / Journal of microwave power and electromagnetic energy, 1994, V. 29, N. 4, pp. 195-219].

Настоящее изобретение не имеет ближайшего аналога, поскольку предлагаемый способ основан на сочетании двух хотя и известных технологических приемов (золь-гель технология и микроволновое воздействие), однако из уровня техники не известно совместное использование этих методик для получения пористых гидрогелей.The present invention does not have the closest analogue, since the proposed method is based on a combination of two although well-known technological methods (sol-gel technology and microwave exposure), however, the joint use of these techniques to obtain porous hydrogels is not known.

Использование при синтезе гидрогелей полярных соединений обеспечивает сильное воздействие микроволн на систему, нагрев и испарение отдельных компонентов, что вызывает образование пористой структуры. В зависимости от природы соединений и их концентрации, времени и мощности МВИ можно варьировать как количество пор, так и их размер. Использование МВИ в качестве промотора при получении пористых гидрогелей на основе поли-N-виниламидов и тетраэтоксисилана по золь-гель технологии имеет ряд преимуществ:The use of polar compounds in the synthesis of hydrogels of hydrogels provides a strong effect of microwaves on the system, heating and evaporation of individual components, which causes the formation of a porous structure. Depending on the nature of the compounds and their concentration, time and power of MVI, both the number of pores and their size can be varied. The use of MVI as a promoter in the preparation of porous hydrogels based on poly-N-vinylamides and tetraethoxysilane using the sol-gel technology has several advantages:

1. Избирательность воздействия МВИ на определенные компоненты реакционной системы. Известно, что способность материала превращать электромагнитную энергию в тепло характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь: tgδ=ε12, где ε1 - коэффициент диэлектрических потерь (эффективность, с которой энергия электромагнитного поля превращается в тепло), ε2 - диэлектрическая проницаемость [Целинский И.В. и др. Применение микроволнового нагрева в органическом синтезе / Журнал общей химии, 1996, Т. 66, №10, с. 1699-1704]. Введение соединений с различными величинами параметров диэлектрических потерь позволяет варьировать их способность к нагреву (испарению). В зависимости от значения tgδ растворители делятся на три группы: сильные tgδ>0,5, к которым относятся спирты; средние tgδ=0,1-0,5 (для воды tgδ=0,123); слабые tgδ<0,1 (для ацетона tgδ=0,054).1. The selectivity of the impact of MVI on certain components of the reaction system. It is known that the ability of a material to convert electromagnetic energy into heat is characterized by the dielectric loss tangent: tanδ = ε 1 / ε 2 , where ε 1 is the dielectric loss coefficient (the efficiency with which the electromagnetic field energy is converted into heat), ε 2 is the dielectric constant [ Tselinsky I.V. et al. The use of microwave heating in organic synthesis / Journal of General Chemistry, 1996, T. 66, No. 10, p. 1699-1704]. The introduction of compounds with different values of the dielectric loss parameters allows you to vary their ability to heat (evaporation). Depending on the tanδ value, the solvents are divided into three groups: strong tanδ> 0.5, to which alcohols belong; average tanδ = 0.1-0.5 (for water tanδ = 0.123); weak tanδ <0.1 (for acetone tanδ = 0.054).

2. МВИ обеспечивает безинертность нагрева системы и в отличие от конвекционного нагрева проникает быстро и по всему объема образца.2. MVI ensures the inertia of the heating of the system and, unlike convection heating, penetrates quickly throughout the sample volume.

3. Учитывая, что воздействию МВИ подвергаются гидрогели, содержащие определенное количество воды, которую по возможности в некоторых случаях необходимо сохранить, скорость и время МВИ имеет определяющее значение. В этой связи растворители, дополнительно вводимые в реакционную систему, должны иметь большую величину тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с параметрами воды, что и определило выбор растворителей в предлагаемом изобретении.3. Given that the effects of MVI are hydrogels containing a certain amount of water, which, if possible, must be preserved in some cases, the speed and time of MVI are of decisive importance. In this regard, the solvents additionally introduced into the reaction system should have a larger dielectric loss tangent than water parameters, which determined the choice of solvents in the present invention.

4. Применение микроволнового нагрева необходимо согласовывать с энергетическим балансом реакции гелеобразования, которая является суммой реакции гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭС) и поликонденсации, которые могут идти как с поглощением, так и выделением тепла. В литературе нет однозначного мнения о балансе: гидролиз ТЭС - экзотермический процесс и система может нагреваться до 50-60°С, поликонденсация - эндотермический, хотя баланс зависит от природы катализатора [Фарус О.А. Исследование влияния типа катализатора на процессы гелеобразования золь-гель системы на основе тетраэтоксисилана / Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ», 2015, Т. 7, №4, с. 1-10]. С другой стороны, скорость снижения концентрации ТЭС в реакционной массе в процессе гидролиза увеличивается с повышением температуры. Все эти данные необходимо учитывать при использовании нагрева МВИ при синтезе гидрогелей: время гидролиза и время гелеобразования (поликонденсации, нарастания вязкости). [Антошкина Е.Г. и др. Получение композитных гелей на основе тетраэтоксисилана, модифицированных неорганическими веществами / Электронный научно-практический журнал «Исследования в области естественных наук», 2014, №8; Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Золь-гель технологии. Нанодисперсный кремнезем. - М.: БИНОМ, 2012. - 328 с.; Скородумова О.Б. и др. Исследование механизма гелеобразования в гибридных гелях кремнезема с пониженной склонностью к агрегированию / Bichuk НТУ «ХП1», 2014, №60(1102), с. 14-19; Whittaker A.G. et al. Application of microwave heating to chemical syntheses / Journal of microwave power and electromagnetic energy, 1994, V. 29, N. 4, pp. 195-219].4. The use of microwave heating must be coordinated with the energy balance of the gelation reaction, which is the sum of the hydrolysis of tetraethoxysilane (TPP) and polycondensation, which can occur both with absorption and heat generation. There is no unequivocal opinion on the balance in the literature: hydrolysis of thermal power plants is an exothermic process and the system can heat up to 50-60 ° С, polycondensation is endothermic, although the balance depends on the nature of the catalyst [Farus O.A. Investigation of the effect of the type of catalyst on the gelation processes of the sol-gel system based on tetraethoxysilane / Internet journal "SCIENCE", 2015, V. 7, No. 4, p. 1-10]. On the other hand, the rate of decrease in the concentration of TPPs in the reaction mass during hydrolysis increases with increasing temperature. All these data must be taken into account when using MVI heating in the synthesis of hydrogels: hydrolysis time and gelation time (polycondensation, viscosity increase). [Antoshkina E.G. et al. Obtaining composite gels based on tetraethoxysilane modified with inorganic substances / Electronic scientific and practical journal "Research in the field of natural sciences", 2014, No. 8; Shabanova N.A., Sarkisov P.D. Sol-gel technology. Nanodispersed silica. - M .: BINOM, 2012 .-- 328 p .; Skorodumova O.B. et al. Investigation of the gelation mechanism in silica hybrid gels with a reduced tendency to aggregation / Bichuk NTU “KhP1”, 2014, No. 60 (1102), p. 14-19; Whittaker A.G. et al. Application of microwave heating to chemical syntheses / Journal of microwave power and electromagnetic energy, 1994, V. 29, N. 4, pp. 195-219].

5. Особенно ценным свойством полученных по предлагаемой технологии макропористых гидрогелей является сохранность их пористости при многократном набухании и сушке, что не требует дополнительных операций для закрепления структуры. Кроме того, испарение органических соединений при воздействии МВИ минимизирует их количество в гидрогеле, что сокращает количество стадий технологического процесса (очистка гидрогеля) и обеспечивает получение нетоксичных композиционных гидрогелей. Присутствие в реакционной смеси органического растворителя и воды предполагает образование азеотропных смесей, в составе которых преобладает органика [Свентославский В. Азеотропия и полиазеотропия. - М.: Химия, 1968. - 244 с.; Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Справочник. - Л.: Химия, 1971. - 648 с.], и микроволновое нагревание также будет способствовать снижению их концентрации в гидрогелях, тем более, что температура кипения азеотропных смесей обычно ниже температуры кипения отдельных растворителей.5. A particularly valuable property of macroporous hydrogels obtained by the proposed technology is the preservation of their porosity during repeated swelling and drying, which does not require additional operations to fix the structure. In addition, the evaporation of organic compounds under the influence of MVI minimizes their amount in the hydrogel, which reduces the number of stages of the process (purification of the hydrogel) and provides non-toxic composite hydrogels. The presence in the reaction mixture of an organic solvent and water suggests the formation of azeotropic mixtures, the composition of which is dominated by organic matter [Sventoslavsky V. Azeotropy and polyaseotropy. - M .: Chemistry, 1968 .-- 244 p .; Ogorodnikov S.K., Lesteva T.M., Kogan V.B. Azeotropic mixtures. Directory. - L .: Chemistry, 1971. - 648 p.], And microwave heating will also help to reduce their concentration in hydrogels, especially since the boiling point of azeotropic mixtures is usually lower than the boiling point of individual solvents.

Технический результат настоящего изобретения заключается в получении пористых формоустойчивых полимерных гидрогелей на основе поли-N-виниламидов, а также в сохранении пористости указанных гидрогелей при набухании и сушке.The technical result of the present invention is to obtain porous form-resistant polymer hydrogels based on poly-N-vinylamides, as well as to preserve the porosity of these hydrogels during swelling and drying.

Указанный технический результат достигается за счет совместного использования золь-гель технологии и микроволнового воздействия при получении пористых полимерных гидрогелей.The specified technical result is achieved through the joint use of sol-gel technology and microwave exposure to obtain porous polymer hydrogels.

Более конкретно, в первом варианте способ получения пористого формоусточивого полимерного гидрогеля характеризуется тем, что указанный гидрогель получают по золь-гель технологии в присутствии реакционной смеси, состоящей из поли-N-виниламида, прекурсора - тетраэтоксисилана (ТЭС), основного катализатора и 0,5-4,0 об. % органического растворителя, с последующим воздействием на указанную реакционную смесь микроволнового излучения (МВИ) до испарения органического растворителя с образованием пор в полимерном гидрогеле.More specifically, in the first embodiment, the method of producing a porous form-stable polymer hydrogel is characterized in that the hydrogel is obtained by sol-gel technology in the presence of a reaction mixture consisting of poly-N-vinylamide, a precursor tetraethoxysilane (TPP), a main catalyst and 0.5 -4.0 rpm % organic solvent, followed by exposure to the specified reaction mixture of microwave radiation (MVI) until the organic solvent evaporates to form pores in the polymer hydrogel.

Во втором варианте способ получения пористого формоусточивого полимерного гидрогеля характеризуется тем, что непористый полимерный гидрогель, полученный по золь-гель технологии в присутствии реакционной смеси, состоящей из поли-N-виниламида, прекурсора - тетраэтоксисилана (ТЭС) и основного катализатора, подвергают набуханию в органическом растворителе с последующим воздействием МВИ на набухший полимерный гидрогель до испарения органического растворителя с образованием пор в полимерном гидрогеле.In the second embodiment, the method for producing a porous form-stable polymer hydrogel is characterized in that the non-porous polymer hydrogel obtained by the sol-gel technology in the presence of a reaction mixture consisting of poly-N-vinylamide, a precursor tetraethoxysilane (TES) and the main catalyst is swollen in an organic solvent, followed by the action of MVI on the swollen polymer hydrogel until the organic solvent evaporates to form pores in the polymer hydrogel.

В качестве органического растворителя могут использоваться растворители, активно взаимодействующие с МВИ, что приводит к их испарению и образованию пор в гидрогеле. Указанные растворители характеризуются значением тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) большим 0,5. Такой органический растворитель предпочтительно выбирается из пропанола, триэтиленгликоля, этанола.As an organic solvent, solvents that actively interact with MVI can be used, which leads to their evaporation and the formation of pores in the hydrogel. These solvents are characterized by a dielectric loss tangent (tan δ) of greater than 0.5. Such an organic solvent is preferably selected from propanol, triethylene glycol, ethanol.

В качестве органического растворителя также могут быть использованы неполярные легколетучие растворители, например, гексан.Non-polar volatile solvents, for example, hexane, can also be used as an organic solvent.

В некоторых вариантах осуществления изобретения в реакционную смесь может быть добавлен загуститель, снижающий время созревания гидрогеля. В качестве такого загустителя использовали краситель - метилоранж.In some embodiments, a thickener may be added to the reaction mixture to reduce the ripening time of the hydrogel. As such a thickener, a dye was used - methyl orange.

Наиболее предпочтительным основным катализатором является триэтаноламин. Однако также возможно использование и других основных катализаторов, известных из уровня техники [см., например: патент RU 2371451 С2, опубл. 27.10.2009; патент RU 2472778 С2, опубл. 20.01.2013].The most preferred basic catalyst is triethanolamine. However, it is also possible to use other basic catalysts known from the prior art [see, for example: patent RU 2371451 C2, publ. 10/27/2009; patent RU 2472778 C2, publ. 01/20/2013].

Источником электромагнитного поля служили микроволновые печи Discover (СЕМ Corp., США, частота 2,45 ГГц) и Samsung PG 83R (Китай, частота 2,45 ГГц). Мощность МВИ: 100-800 Вт, время обработки 5-18 мин.The source of the electromagnetic field was Discover microwave ovens (CEM Corp., USA, 2.45 GHz frequency) and Samsung PG 83R (China, 2.45 GHz frequency). MVI power: 100-800 W, processing time 5-18 min.

В примерах осуществления изобретения в качестве поли-N-виниламидов использовали поли-N-винилкапролактам (ПВК) или поли-N-винилпирролидон (ПВП) с молекулярной массой 106 Да, а в качестве органических растворителей - пропанол-2, этанол, триэтиленгликоль (ТЭГ).In embodiments of the invention, poly-N-vinylcaprolactam (PVC) or poly-N-vinylpyrrolidone (PVP) with a molecular weight of 10 6 Da was used as poly-N-vinylamides, and propanol-2, ethanol, triethylene glycol (organic solvents) were used ( TEG).

Концентрации основного катализатора (триэтаноламина) и прекурсора (тетраэтоксисилана) выбирали в диапазонах 0,02-0,6 и 2,0-8,0 об. % соответственно. Количество органического растворителя варьировали в интервале 0,5-4,0 об. %.The concentrations of the main catalyst (triethanolamine) and the precursor (tetraethoxysilane) were selected in the ranges of 0.02-0.6 and 2.0-8.0 vol. % respectively. The amount of organic solvent was varied in the range of 0.5-4.0 vol. %

Созревание гидрогеля оценивали качественно по прозрачности образцов, а также по скорости нарастания вязкости реакционной смеси, скорости и максимальной степени набухания в воде. Размер пор гидрогеля колеблется от 20 до 700 мкм.The maturation of the hydrogel was evaluated qualitatively by the transparency of the samples, as well as by the rate of increase in viscosity of the reaction mixture, the rate and maximum degree of swelling in water. The pore size of the hydrogel ranges from 20 to 700 microns.

На фиг. 1 показана зависимость степени набухания гидрогелей от времени: кривая 1 - гидрогель по примеру 1, кривая 3 - гидрогель по примеру 7.In FIG. 1 shows the dependence of the degree of swelling of hydrogels on time: curve 1 - hydrogel according to example 1, curve 3 - hydrogel according to example 7.

На фиг. 3-6 представлены микрофотографии синтезированных пористых формоустойчивых гидрогелей на основе поли-N-виниламидов, для сравнения приведена микрофотография гидрогеля без обработки МВИ (фиг. 2). Фотографии сделаны с помощью Microscope Digital Comera Levenhuk C-Series Zoom Joy (China).In FIG. 3-6 are microphotographs of the synthesized porous form-stable hydrogels based on poly-N-vinylamides; for comparison, a microphotograph of a hydrogel without MVI processing is shown (Fig. 2). Photographs taken with Microscope Digital Comera Levenhuk C-Series Zoom Joy (China).

Пример 1 (сравнительный пример). 10 мл 5 об. % водного раствора ПВК смешивали с 0,07 об. % основного катализатора (триэтаноламина) и с 5 об. % прекурсора (ТЭС). Реакционную смесь перемешивали 10 мин и оставляли при комнатной температуре до созревания гидрогеля (9 суток). Получен плотный прозрачный гидрогель без пор (фиг. 2).Example 1 (comparative example). 10 ml 5 vol. % aqueous solution of PVC was mixed with 0.07 vol. % of the main catalyst (triethanolamine) and with 5 vol. % precursor (TPP). The reaction mixture was stirred for 10 minutes and left at room temperature until the hydrogel matured (9 days). A dense, transparent pore-free hydrogel was obtained (FIG. 2).

Пример 2 (сравнительный пример). 10 мл 5 об. % водного раствора ПВП смешивали с 0,07 об. % основного катализатора (триэтаноламина) и с 5 об. % прекурсора (ТЭС). Реакционную смесь перемешивали 10 мин и оставляли при комнатной температуре до созревания гидрогеля (10 суток). Получен плотный прозрачный гидрогель без пор.Example 2 (comparative example). 10 ml 5 vol. % aqueous solution of PVP was mixed with 0.07 vol. % of the main catalyst (triethanolamine) and with 5 vol. % precursor (TPP). The reaction mixture was stirred for 10 minutes and left at room temperature until the hydrogel matured (10 days). A dense transparent pore-free hydrogel was obtained.

Пример 3. Гидрогель, полученный в примере 2, подвергали набуханию в пропаноле, степень набухания 18%. Далее осуществляли обработку набухшего гидрогеля МВИ (мощность 800 Вт, время обработки 5 мин). Получен пористый гидрогель (фиг. 3).Example 3. The hydrogel obtained in example 2 was subjected to swelling in propanol, the degree of swelling of 18%. Next, the MVI swollen hydrogel was processed (power 800 W, processing time 5 min). The obtained porous hydrogel (Fig. 3).

Пример 4. Пористый гидрогель получен способом в соответствии с примером 3, за исключениями в том, что мощность МВИ составила 100 Вт, а время обработки - 18 мин.Example 4. Porous hydrogel obtained by the method in accordance with example 3, with the exception that the power MVI was 100 watts, and the processing time is 18 minutes

Пример 5. К реакционной смеси (описанной в примере 1) добавили органический растворитель (этиловый спирт) в количестве 0,5 об. %. После перемешивания смесь подвергали воздействию МВИ (мощность 100 Вт, время обработки 10 мин). Время созревания гидрогеля 13 суток. Получен пористый гидрогель (фиг. 4).Example 5. To the reaction mixture (described in example 1) was added an organic solvent (ethyl alcohol) in an amount of 0.5 vol. % After stirring, the mixture was subjected to MVI (power 100 W, processing time 10 min). The hydrogel ripening time is 13 days. The obtained porous hydrogel (Fig. 4).

Пример 6. К реакционной смеси (описанной в примере 1) добавили органический растворитель (ТЭГ) в количестве 0,5 об. %. После перемешивания смесь подвергали воздействию МВИ (мощность 100 Вт, время обработки 18 мин). Время созревания гидрогеля 13 суток. Получен пористый гидрогель (фиг. 5).Example 6. To the reaction mixture (described in example 1) was added an organic solvent (TEG) in an amount of 0.5 vol. % After stirring, the mixture was subjected to MVI (power 100 W, processing time 18 min). The hydrogel ripening time is 13 days. The obtained porous hydrogel (Fig. 5).

Пример 7. Влияние МВИ на азеотропную смесьExample 7. The effect of MVI on the azeotropic mixture

Влияние МВИ на азеотропную смесь (АС) показано на примере синтеза пористого гидрогеля в присутствии реакционной смеси, описанной в примере 1, в которую добавляли легколетучий неполярный органический растворитель гексан (1,0 об. %). Состав азеотропной смеси: вода/гексан = 6/94 (по объему), температура кипения которых 100° и 69°С соответственно, а температура кипения АС - 62°С [Свентославский В. Азеотропия и полиазеотропия. - М.: Химия, 1968. - 244 с. \ Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Справочник. - Л.: Химия, 1971. - 648 с.]. И хотя сам гексан не взаимодействует с МВИ, нагрев системы способствует быстрому испарению гексана и АС с образованием пор. Степень набухания образующегося в этих условиях пористого гидрогеля (ПВК) в воде достигает 8000-9000% (фиг. 6).The effect of MVI on the azeotropic mixture (AS) is shown by the example of the synthesis of a porous hydrogel in the presence of the reaction mixture described in Example 1, to which a volatile non-polar organic solvent hexane (1.0 vol.%) Was added. The composition of the azeotropic mixture: water / hexane = 6/94 (by volume), the boiling point of which is 100 ° and 69 ° C, respectively, and the boiling point of the AC is 62 ° C [Sventoslavsky V. Azeotropy and polyaseotropy. - M.: Chemistry, 1968 .-- 244 p. \ Ogorodnikov S.K., Lesteva T.M., Kogan V.B. Azeotropic mixtures. Directory. - L .: Chemistry, 1971. - 648 p.]. Although hexane itself does not interact with MVI, heating of the system promotes the rapid evaporation of hexane and AS with the formation of pores. The degree of swelling of the porous hydrogel (PVC) formed under these conditions in water reaches 8000–9000% (Fig. 6).

Таким образом, приведенные примеры демонстрируют возможность структурного изменения гибридных органо-неорганических гидрогелей на основе поли-N-виниламидов и тетраэтоксисилана, синтезированных по золь - гель технологии с использованием МВИ, с получением пористого гидрогеля. Предложенный способ позволяет сохранить пористость полимерного гидрогеля в набухшем и сухом состоянии. Использование загустителя - красителя метилоранжа, участвующего в комплексообразовании с поли-N-виниламидами, снижает время созревания гидрогеля в 1,5-2,0 раза, что является дополнительным техническим эффектом, достигаемым при осуществлении частного случая предложенных способов. Размер пор по предложенным способам синтеза пористых полимерных гидрогелей колеблется в пределах 20-700 мкм. Наличие пор увеличивает максимальную степень набухания в 1,6-3,5 раза, скорость набухания пористого гидрогеля возрастает в 1,5-3,0 раза по сравнению с непористыми системами, что позволит использовать такие гибридные органо-неорганические композиции для иммобилизации лекарственных препаратов (раневых покрытий), в качестве эффективных сорбционных систем и т.п.Thus, the above examples demonstrate the possibility of structural changes in hybrid organo-inorganic hydrogels based on poly-N-vinylamides and tetraethoxysilane synthesized by sol-gel technology using MVI to obtain a porous hydrogel. The proposed method allows you to save the porosity of the polymer hydrogel in a swollen and dry state. The use of a thickener - dye methyl orange, participating in complexation with poly-N-vinylamides, reduces the ripening time of the hydrogel by 1.5-2.0 times, which is an additional technical effect achieved in the implementation of a special case of the proposed methods. The pore size according to the proposed methods for the synthesis of porous polymer hydrogels ranges from 20-700 microns. The presence of pores increases the maximum degree of swelling by 1.6-3.5 times, the swelling rate of a porous hydrogel increases by 1.5-3.0 times compared with non-porous systems, which will allow the use of such hybrid organo-inorganic compositions for immobilization of drugs ( wound coverings), as effective sorption systems, etc.

Claims (7)

1. Способ получения пористого формоустойчивого полимерного гидрогеля, характеризующийся тем, что указанный гидрогель получают по золь-гель технологии в присутствии реакционной смеси, состоящей из поли-N-виниламида, прекурсора - тетраэтоксисилана (ТЭС), основного катализатора и 0,5-4,0 об. % органического растворителя, с последующим воздействием на указанную реакционную смесь микроволнового излучения (МВИ) до испарения органического растворителя с образованием пор в полимерном гидрогеле, при этом органический растворитель выбирается из растворителя со значением тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) большим 0,5 или из неполярного легколетучего растворителя.1. A method of obtaining a porous form-resistant polymer hydrogel, characterized in that the hydrogel is obtained by sol-gel technology in the presence of a reaction mixture consisting of poly-N-vinylamide, a precursor - tetraethoxysilane (TPP), a main catalyst and 0.5-4, 0 about % organic solvent, followed by exposure to the specified reaction mixture of microwave radiation (MVI) until the organic solvent evaporates to form pores in the polymer hydrogel, while the organic solvent is selected from a solvent with a dielectric loss tangent (tan δ) greater than 0.5 or non-polar volatile solvent. 2. Способ получения пористого формоустойчивого полимерного гидрогеля, характеризующийся тем, что непористый полимерный гидрогель, полученный по золь-гель технологии в присутствии реакционной смеси, состоящей из поли-N-виниламида, прекурсора - тетраэтоксисилана (ТЭС) и основного катализатора, подвергают набуханию в органическом растворителе с последующим воздействием МВИ на набухший полимерный гидрогель до испарения органического растворителя с образованием пор в полимерном гидрогеле, при этом органический растворитель выбирается из растворителя со значением tg δ большим 0,5 или из неполярного легколетучего растворителя.2. A method of obtaining a porous form-stable polymer hydrogel, characterized in that the non-porous polymer hydrogel obtained by sol-gel technology in the presence of a reaction mixture consisting of poly-N-vinylamide, a precursor tetraethoxysilane (TPP) and a main catalyst is subjected to swelling in an organic solvent, followed by the action of MVI on the swollen polymer hydrogel until the organic solvent evaporates to form pores in the polymer hydrogel, while the organic solvent is selected from solvent with a tan δ value greater than 0.5; or from a non-polar volatile solvent. 3. Способ по любому из пп. 1 или 2, характеризующийся тем, что поли-N-виниламид выбирается из поли-N-винилкапролактама и поли-N-винилпирролидона.3. The method according to any one of paragraphs. 1 or 2, characterized in that the poly-N-vinylamide is selected from poly-N-vinylcaprolactam and poly-N-vinylpyrrolidone. 4. Способ по любому из пп. 1 или 2, характеризующийся тем, что растворитель со значением tg δ больше 0,5 выбирается из пропанола, триэтиленгликоля, этанола.4. The method according to any one of paragraphs. 1 or 2, characterized in that the solvent with a value of tan δ greater than 0.5 is selected from propanol, triethylene glycol, ethanol. 5. Способ по любому из пп. 1 или 2, характеризующийся тем, что неполярный легколетучий растворитель представляет собой гексан.5. The method according to any one of paragraphs. 1 or 2, characterized in that the non-polar volatile solvent is hexane. 6. Способ по любому из пп. 1 или 2, характеризующийся тем, что в качестве основного катализатора предпочтительно используют триэтаноламин.6. The method according to any one of paragraphs. 1 or 2, characterized in that triethanolamine is preferably used as the main catalyst. 7. Способ по любому из пп. 1-6, характеризующийся тем, что в реакционную смесь добавляют загуститель - краситель метилоранж.7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that a thickener is added to the reaction mixture — a dye methyl orange.
RU2019110799A 2019-04-11 2019-04-11 Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments) RU2715198C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019110799A RU2715198C1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019110799A RU2715198C1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2715198C1 true RU2715198C1 (en) 2020-02-25

Family

ID=69631051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019110799A RU2715198C1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2715198C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2198685C1 (en) * 2001-12-18 2003-02-20 Пашкин Игорь Иванович Medicinal polymeric gel material and curative preparations made upon its basis
EA011516B1 (en) * 2005-01-13 2009-04-28 Синвеншен Аг Composite material and process for producing thereof
RU2575640C2 (en) * 2009-06-29 2016-02-20 Басф Се Porous gels based on aromatic polyurea
US20180079944A1 (en) * 2016-09-20 2018-03-22 Aspen Aerogels,Inc. Aerogel composites having thermal storage capacity

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2198685C1 (en) * 2001-12-18 2003-02-20 Пашкин Игорь Иванович Medicinal polymeric gel material and curative preparations made upon its basis
EA011516B1 (en) * 2005-01-13 2009-04-28 Синвеншен Аг Composite material and process for producing thereof
RU2575640C2 (en) * 2009-06-29 2016-02-20 Басф Се Porous gels based on aromatic polyurea
US20180079944A1 (en) * 2016-09-20 2018-03-22 Aspen Aerogels,Inc. Aerogel composites having thermal storage capacity

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MIRCEA STEFANESCU ET AL. SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POLY(VINYLALCOHOL)ETHYLENE GLYCOL/SILICA HYBRIDS. THERMAL ANALYSIS AND FT-IR STUDY, Rev. Roum. Chim., 2010, 55(1), pp. 17-23. *
И.В.БАКЕЕВА и др. Структура и свойства органо-неорганических гибридных гидрогелей поли-N-винилкапролактам-SiO2, Высокомолекулярные соединения, Серия А, 2010, Том 52, N 5, c. 776-786 *
КИРИЛИНА Ю.О. Органо-неорганические гибридные гидрогели на основе поли-N-виниламидов и продуктов гидролитической поликонденсации тетраметоксисилана. Автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. хим. наук, Москва, 2009. *
КИРИЛИНА Ю.О. Органо-неорганические гибридные гидрогели на основе поли-N-виниламидов и продуктов гидролитической поликонденсации тетраметоксисилана. Автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. хим. наук, Москва, 2009. И.В.БАКЕЕВА и др. Структура и свойства органо-неорганических гибридных гидрогелей поли-N-винилкапролактам-SiO2, Высокомолекулярные соединения, Серия А, 2010, Том 52, N 5, c. 776-786. MIRCEA STEFANESCU ET AL. SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POLY(VINYLALCOHOL)ETHYLENE GLYCOL/SILICA HYBRIDS. THERMAL ANALYSIS AND FT-IR STUDY, Rev. Roum. Chim., 2010, 55(1), pp. 17-23. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bentz et al. Hollow polymer nanocapsules: synthesis, properties, and applications
KR101824667B1 (en) A process of preparing hydrogels comprising reduced graphene oxide for enhanced molecular adsorption
Oechsle et al. CO2-switchable cellulose nanocrystal hydrogels
Gun'ko et al. Cryogels: Morphological, structural and adsorption characterisation
Peppas et al. Development of semicrystalline poly (vinyl alcohol) hydrogels for biomedical applications
Dinu et al. Ice-templated hydrogels based on chitosan with tailored porous morphology
Sun et al. Preparation and swelling behavior of pH/temperature responsive semi-IPN hydrogel based on carboxymethyl xylan and poly (N-isopropyl acrylamide)
US7820729B2 (en) Process for preparing a functionalised polyHIPE polymer
US20110008442A1 (en) Dendritic Macroporous Hydrogels Prepared by Crystal Templating
Vashist et al. Polyol induced interpenetrating networks: chitosan–methylmethacrylate based biocompatible and pH responsive hydrogels for drug delivery system
US4898908A (en) Anionic polymer hydrogels and a process for making the same
JP2893104B2 (en) Method for producing inorganic porous body having organic functional groups bonded thereto
JP6660022B2 (en) Method for producing gel
CN108409988B (en) Preparation method of spongy macroporous polyvinyl alcohol hydrogel
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
Wang et al. Facile fabrication and characterization of high-performance Borax-PVA hydrogel
Tang et al. Physical hydrogels based on natural polymers
Hu et al. Temperature-responsive porous polycaprolactone-based films via surface-initiated ATRP for protein delivery
Wang et al. Physical crosslinked poly (n-isopropylacrylamide)/nano-hydroxyapatite thermosensitive composite hydrogels
Luo et al. Fabrication of antiseptic, conductive and robust polyvinyl alcohol/chitosan composite hydrogels
Xu et al. Enhanced swelling, mechanical and thermal properties of cellulose nanofibrils (CNF)/poly (vinyl alcohol)(PVA) hydrogels with controlled porous structure
EP0176225B1 (en) Porous chitin shaped article and production thereof
RU2715198C1 (en) Method of producing macroporous form-stable polymer hydrogels using microwave radiation (embodiments)
Shen et al. Cross-linking induced thermo-responsive self-healing hydrogel with gel-sol–gel transition constructed on dynamic covalent bond
Erhan Hydroxyethyl methacrylate based nanocomposite hydrogels with tunable pore architecture