МАГНИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ГРАНУЛЫ И СПОСОБЫ ИХ
ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к магнитным полимерным гранулам, представляющим собой полимерную матрицу и твердый наполнитель, а также к способам их применения для контролируемого высвобождения активных веществ в среду применения, например, веществ для инициирования, ускорения или замедления физико-химических процессов, таких, как гелеобразование, цементация и пр.
Полимерные (альгинатные) гранулы с пара- и ферромагнитными свойствами и способы их получения описаны в научной литературе. Они представляют собой гели, сшитые ионами кальция (Lее, D. Y. еt аl., Iеее Тrапsасtiопs on Маgпеtiсs 2004, 40, 2961; Rоgеr, S. еt аl., Jоurпаl оf Маgпеtism апd Маgпеtiс Маtеriаls 2006, 305, 221) или железа (Llапеs, F. еt аl., International Jоurпаl оf Вiоlоgiсаl Масгоmоlесulеs 2000, 27, 35; Nishiо, Y. еt аl., Роlуmеr 2004, 45, 7129; Nаik, R. еt аl., Jоurпаl оf Аррliеd Рhуsiсs 2005, 97, ), и содержащие магнитные вещества или частицы: феррит бария (Lее, D.Y. еt аl., Iеее Тrапsасtiопs оп Маgпеtiсs 2004, 40, 2961), оксид железа (Llапеs, F. еt аl., International Jоurпаl оf Вiоlоgiсаl Масгоmоlесulеs 2000, 27, 35; Nishiо, Y. еt аl., Роlуmеr 2004, 45, 7129; Nаik, R. еt аl., Jоurпаl оf Аррliеd Рhуsiсs 2005, 97, ) и магнетит (Туаgi, R. еt аl., Вiосаtаlуsis апd Вiоtrапsfоrmаtiоп 1995, 12, 293; Rоgеr, S. еt аl., Jоurпаl оf Маgпеtism апd Маgпеtiс Маtеriаls 2006, 305, 221).
Процедура получения магнитных альгинатных гранул включает введение сшивающих ионов в смесь раствора альгината натрия и феррожидкости. Описаны различные варианты введения: «внeшнee» и «внyтpeннee». Применительно к кальций-альгинатным гелям «внeшний» способ использует закапывание смеси раствора альгината натрия с
феррожидкостью в раствор хлорида кальция (Lее, D.Y. еt аl., Iеее Тrапsасtiопs оп Маgпеtiсs 2004, 40, 2961; Rоgеr, S. еt аl., Jоurпаl оf Маgпеtism апd Маgпеtiс Маtеriаls 2006, 305, 221). При «внyтpeннeм» способе в смесь раствора альгината натрия и феррожидкости добавляют сначала «нeaктивный» кальций в виде комплекса с ЭДТА, а затем медленно освобождают кальций подкислением среды, используя гидролиз глюко-δ- лактона (Rоgеr, S. еt аl., Jоurпаl оf Маgпеtism апd Маgпеtiс Маtеriаls 2006, 305, 221). В случае железо-альгинатных гелей применяют «внyтpeнний» способ введения, основанный на щелочном окислении двухвалентного железа в растворе альгината натрия (Llапеs, F. еt аl., International Jоumаl оf Вiоlоgiсаl Масrоmоlесulеs 2000, 27, 35). Показано, что при «внyтpeннeм» способе введения сшивающих ионов получаются более гомогенные частицы.
Описано использование магнитных альгинатных гранул для биоразделения и очистки ферментов и клеток в магнитном поле (Туаgi, R. еt аl., Вiосаtаlуsis апd Вiоtrапsfоrmаtiоп 1995, 12, 293; Аmеs, Т.Т. еt аl., Вiоtесhпоlоgу Рrоgrеss 1997, 13, 336; Liu, CZ. еt аl., Jоumаl оf Вiоsсiепсе апd Вiоепgiпееriпg 2000, 89, 420), для очистки стоков от тяжелых металлов (Nеstlе, N. еt аl., Соllоids апd Sшfасеs А-Рhуsiсосhеmiсаl апd Епgiпееriпg Аsресts 1996, 115, 141; Ngоmsik, А.F. еt аl., Wаtег Rеsеаrсh 2006, 40, 1848).
Примеров высвобождения активных веществ из полимерных гранул, управляемого магнитным полем, немного.
Так, патент США N° 4,652,257 описывает способ получения магнитолокализуемых полимеризующихся липидных везикул, содержащих целевое вещество (лекарство), и способ разрушения везикул и релиза их содержимого под действием магнитного поля. Терапевтическое средство и ферромагнитные частицы инкапсулируются в липидной везикуле, образованной полимеризующимися липидами. Липиды полимеризуются под
действием ультрафиолетового излучения с образованием мембраны, устойчивой к химическим и физическим воздействиям. В качестве магнитных частиц может быть использовано любое ферромагнитное вещество, предпочтительно моно-доменные магниты бактериального происхождения, магнетиты, ферриты или мелкозернистые железные опилки. Везикулы доставляются к целевому органу под действием внешнего постоянного магнитного поля. После локализации в нужном месте мембрана везикулы разрушается или дестабилизируется за счет приложения переменного магнитного поля. Частота и продолжительность действия переменного магнитного поля определяют скорость релиза терапевтического средства, инкапсулированного в везикуле.
Патент США JVГ« 5,019,372 предлагает способ получения твердых полимерных гранул, наполненных частицами нержавеющей стали и содержащих целевое биологически активное вещество (водорастворимое лекарство), релиз которого ускоряется в переменном магнитном поле. Полимерная гранула изготовлена из биосовместимого, пластически деформируемого полимера, нерастворимого в среде использования, например, из сополимера этилена с винилацетатом. Биологически активное вещество и магнитные частицы диспергируются в растворе мономеров в метиленхлориде, затем проводится полимеризация и формование гранул. Гранулы помещаются в водную среду, где осуществляется релиз целевого вещества под действием осциллирующего магнитного поля напряженностью от 0.5 до 1000 Гаусс. Скорость релиза, стимулируемого магнитным полем, в 30 раз больше, чем в отсутствие последнего, и составляет порядка 400 мкг/час. В качестве целевого может использоваться водорастворимое вещество с молекулярным весом выше 150 Д.
В работе Z. Lu еt аl. (Lапgmuiг, 2005, 21, 2042-2050) предложен способ получения магниточувствительных полиэлектролитных многослойных
микрокапсул. Мембрана капсулы состоит из нескольких слоев, образованных полистиролсульфонатом натрия и полиаллиламингидрохлоридом, между которыми включен слой наночастиц кобальта, покрытых золотом. Исследована проницаемость капсульной мембраны для декстрана, меченного флуоресцентной меткой. Показано, что внешнее переменное магнитное поле с частотой 100-300 Гц и напряженностью 1200 Гаусс вызывает интенсивное вращение кобальтовых наночастиц, что существенно нарушает целостность мембраны капсулы. Оптимальная магнитная чувствительность проницаемости мембраны наблюдалась в капсулах, стенки которых образованы 10 слоями полиэлектролитов и 1 слоем ферромагнитных наночастиц.
Описанные полимерные гранулы предназначены для биомедицинского применения в системах направленного транспорта лекарств. Их использование в других технологиях лимитировано сложностью процессов и их высокой стоимостью.
Использование полимеров для контролируемого образования пробки для зонной изоляции описано в патенте RU 2276675. Изобретение описывает способ получения полимерного геля путем гелеобразования жидкости, содержащей гидрофобно ассоциирующие вещества и водорастворимый ингибитор гелеобразования. В случае контакта жидкости с углеводородной средой свойства ингибитора сохраняются, в случае же контакта жидкости с водной средой ингибитор растворяется и происходит гелеобразование. Таким образом, способ позволяет контролировать водопритоки в нефтедобывающих скважинах путем формирования гелевых пробок. Однако, этот способ имеет свои недостатки: 1) гелеобразование при использовании этой жидкости необратимо и начинается при первом контакте с водой, которое может произойти на поверхности, что создаст значительные трудности при закачке жидкости в скважину; 2) уже
сформированные гелевые пробки при определенных условиях могут заблокировать также и нефтеносные пласты, затрудняя извлечение углеводородов.
Заявленным изобретением обеспечиваются полимерные гранулы, содержащие магнитные частицы и по меньшей мере одно активное вещество, и обладающие оптимальными механическими свойствами, допускающими разрушение гранул как в результате набухания, так и под действием магнитного поля доступной напряженности в результате смещения и изменения ориентации ферромагнитных частиц. Разрушение гранул обеспечивает достаточно полное и быстрое высвобождение активного вещества (или веществ) в среду применения и его растворение. Такой средой может быть, например, раствор полимера, способного к гелеобразованию под действием растворимой формы инкапсулированного вещества - инициатора гелеобразования. В этом случае достигается образование полимерного геля (т.о. полимерные гранулы можно использовать там, где требуется зональная изоляция, в гелях, используемых при гидроразрыве и пр.). Также в гранулы может быть инкапсулировано вещество, разрушающее структуру уже сшитого геля для его удаления из рабочей зоны. Под воздействием магнитного поля такие гранулы перемещаются и/или локализуются в области, где требуется введение активного вещества (инициатора гелеобразования, ускорителя затвердевания или иного компонента), разрушаются в результате набухания и/или под действием магнитного поля, в результате чего происходит его высвобождение. Наиболее важным преимуществом такой доставки инкапсулированного вещества является полный контроль над его размещением и высвобождением, что значительно повышает контроль над процессами, в которых он принимает участие.
Полимерная гранула, согласно настоящему изобретению, представляет собой гелевую матрицу из анионного полимера, сшитого катионами поливалентных металлов, в которой диспергировано по меньшей мере одно активное вещество и ферромагнитые микрочастицы при концентрации ферромагнитных микрочастиц от 0,5 до 5%. Содержание ферромагнитных частиц менее 0,5% не обеспечивает необходимых магнитных свойств гранул, а содержание частиц >5% приводит к утяжелению гранул и ухудшению их набухания. В качестве анионного полимера используют анионный полисахарид с концентрацией от 0, 1 до 2%. В качестве анионного полисахарида может быть использован альгинат натрия, пектин со степенью этерификации не выше 30 %, карбоксиметилцеллюлоза или оксиэтилкарбоксицеллюлоза. В качестве ферромагнитных микрочастиц используют сферические или стержневидные частицы ферромагнетика, например, железа или его оксидов с минимальным размером от 40 до 300 нм, например, частицы магнетита или магенита. Активное вещество может представлять собой инициатор физико- химического превращения или его пассивную форму, нерастворимую в матрице, например, инициатор гелеобразования, в качестве которого могут быть использованы, например, борная кислота или карбонат кальция.
Полимерные гранулы, согласно настоящему изобретению, предназначены для обеспечения контролируемого высвобождения активного вещества в среду применения. В соответствии с изобретением, способ контролируемого высвобождения активного вещества в среду применения включает получение полимерных гранул, каждая из которых представляет собой гелевую матрицу из анионного полимера, сшитого катионами поливалентных металлов, в которой диспергированы по меньшей мере одно активное вещество и ферромагнитые микрочастицы при концентрации ферромагнитных микрочастиц от 0,5 до 5%, перемещение
полученных полимерных гранул к месту применения и последующее разрушение гранул с высвобождением активного вещества в среду применения. Разрушение полимерных гранул осуществляют путем увеличения рН среды применения и/или путем приложения внешнего магнитного поля, вызывающего смещение и изменение ориентации ферромагнитных частиц. Перемещение полимерных гранул к месту применения может осуществляться под действием внешнего магнитного поля.
Полимерные гранулы, согласно настоящему изобретению, могут применяться для получения полимерного геля. В соответствии с изобретением, способ получения полимерного геля включает приготовление концентрированного раствора анионного полимера, способного к ионотропному гелеобразованию, введение в полученный раствор пассивной формы инициатора гелеобразования, активирование инициатора гелеобразования, и образование геля в результате взаимодействия активной формы инициатора гелеобразования с полимером. Пассивную форму инициатора гелеобразования вводят в раствор полимера в составе полимерных гранул, каждая из которых представляет собой гелевую матрицу из анионного полимера, сшитого катионами поливалентных металлов, в которой диспергированы инициатор гелеобразования и ферромагнитые микрочастицы при концентрации ферромагнитных микрочастиц от 0,5 до 5%. Активирование инициатора гелеобразования осуществляется в результате растворения пассивной формы инициатора в дисперсионной среде полученной суспензии полимерных гранул растворе полимера после их разрушения.
Разрушение полимерных гранул осуществляют путем увеличения рН полученной суспензии полимерных гранул в растворе полимера и/или путем приложения к полученной суспензии полимерных гранул в растворе
полимера внешнего магнитного поля, вызывающего смещение и изменение ориентации ферромагнитных частиц, в частности, внешнего магнитного поля с напряженностью 5000-20000 Эрстед.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения, в качестве полимера, способного к ионотропному гелеобразованию и используемого для получения полимерного геля, может быть использован поливиниловый спирт в концентрации не ниже 5 %, при этом в качестве пассивной формы инициатора гелеобразования используют борную кислоту, а активирование инициатора гелеобразования достигается при подщелачивании дисперсионной среды суспензии полимерных гранул до рН 8-10.
Высушивание гранул после изготовления значительно облегчает их хранение и транспортировку в результате существенного уменьшения их размера и веса, а также позволяет загружать их в скважину в составе буровой жидкости или других используемых смесей без риска повредить оборудование. Высушиваение может проводиться любым способом, до остаточной влажности гранул 15-25%.
Полимерные гранулы согласно настоящему изобретению могут быть использованы для формирования блокирующей гелевой пробки, например, с целью обеспечения изоляции пласта. В соответствии с изобретением, способ формирования блокирующей гелевой пробки включает доставку в зону формирования гелевой пробки гелеобразующего состава, выполненного в виде полимерных гранул, каждая из которых представляет собой гелевую матрицу из анионного полимера, сшитого катионами поливалентных металлов, в которой диспергированы инициатор гелеобразования и ферромагнитые микрочастицы при концентрации ферромагнитных микрочастиц от 0,5 до 5%. Доставка может быть осуществлена посредством приложения магнитного поля, обеспечивающего перемещение полимерных гранул в зону формирования гелевой пробки, а формирование блокирующей
гелевой пробки осуществляется за счет разрушения полимерных гранул в результате набухания и/или под воздействием внешнего магнитного поля и последующего высвобождения инициатора гелеобразования в окружающую среду.
Гранулы также могут использоваться для доставки вещества, разрушающего гель, используемый при гидроразрыве пласта, например, гуаровый гель, сшитый борной кислотой. После прохождения зоны перфорации гранулы, содержащие персульфат аммония, активируются, гуаровый гель разрушается, что обеспечивает очистку скважины от полимера и беспрепятственный выход нефти из пласта. Таким образом, гранулы могут использоваться в технологиях, используемых при цементации, формировании блокирующей пробки, гидроразрыве пласта и пр. как для доставки агента, активирующего полимеризацию или затвердевание, так и для доставки агента, разрушающего полимерную структуру, а также любых катализаторов, ингибиторов и других веществ, участвующих в процессе.
Полимерные гранулы согласно настоящему изобретению могут быть получены путем диспергирования ферромагнитных частиц и активного вещества при перемешивании в водном растворе анионного полисахарида, способного к ионотропному гелеобразованию, после чего полученную суспензию по каплям вводят в водный раствор соли поливалентного металла. В качестве солей поливалентных металлов могут быть использованы водорастворимые соли кальция, бария или алюминия.
Сущность изобретения иллюстрируют следующие неограничивающие его примеры.
Пример 1
Приготовление альгинатных гранул, содержащих магнетит и борную кислоту
0.3 г магнетита (порошок частиц Fe3O4 неправильной формы с размером около 300 нм) и 0.3 г мелкодисперсного порошка борной кислоты диспергируют при перемешивании в 9.4 г 0.7 %-нoгo раствора альгината натрия в 0.01 M растворе буферной смеси тpиc-(гидpoкcимeтил)- аминометан - HCl при рН 7.4. Полученную суспензию магнетита по каплям вводят в 100 мл 3 %-нoгo раствора хлорида кальция в указанной буферной смеси тpиc-(гидpoкcимeтил)-aминoмeтaн - HCl при рН 7.4. Суспензию сферических гранул диаметром 3 мм выдерживают при 4°C в течение суток промывают пять раз 20 мл бидистиллированной воды и хранят в холодильнике для последующего использования.
Пример 2
Инициирование физико-химического превращения на примере получения геля поливинилового спирта
К 40 мл 5 %-нoгo водного раствора поливинилового спирта по каплям при энергичном перемешивании добавляют 4 мл 0.5 %-нoгo водного раствора бикарбоната натрия и три альгинатные гранулы, содержащие магнетит и борную кислоту. Под действием однородного магнитного поля с напряженностью от 2000 до 20000 Эрстед происходит разрушение микросфер и высвобождение борной кислоты. Борная кислота взаимодействует с бикарбонатом натрия с образованием тетрабората натрия, под действием которого происходит формирование геля поливинилового спирта.
Пример 3
Высушивание альгинатных гранул, содержащих магнетит, при комнатной температуре
Магнитные гранулы, приготовленные, как указано в примере 1, высушивают путем выдержки при комнатной температуре в течение 24 часов. При этом средний вес одной гранулы уменьшается с 12,8 до 1,1 мкг за
первые 3 часа и затем практически не меняется. Гранулы сохраняют сферическую форму. Потеря веса при сушке сопровождается уменьшением диаметра с 3,1 мм до 0,7-0,9 мм.
Пример 4
Высушивание альгинатных гранул, содержащих магнетит, при температуре 8O0C
Магнитные гранулы, приготовленные, как указано в примере 1, высушивают при температуре 8O0C в течение 1 часа. При этом средний вес одной гранулы уменьшается с 12,8 до 1,1 мкг за первые 0,5 часа и затем практически не меняется. Гранулы сохраняют сферическую форму. Потеря веса при сушке сопровождается уменьшением диаметра с 3,1 мм до 0,7-0,9 мм.
Пример 5
Высушивание альгинатных гранул, содержащих магнетит, методом сублимационной сушки
Магнитные гранулы, приготовленные, как указано в примере 1, замораживают при температуре -5O0C и, а затем высушивают на установке сублимационной сушки при остаточном давлении 1,1 Па (Магtiп Сhriсt mоdеl ALFA 1-2 LD; Оstеrоdе аm Наrz, W, Gеrmапу) в течение 14 часов. При этом средний вес одной гранулы уменьшается с 12,8 до 1,1 мкг за первые 5 часов и затем практически не меняется. Потеря веса при сушке сопровождается изменеием формы гранул, они приобретают форму дисков с диаметром 2,4мм и толщиной 0,25мм.
Пример 6
Высушивание альгинатных гранул, содержащих магнетит, при комнатной температуре в вакууме
Магнитные гранулы, приготовленные, как указано в примере 1, высушивают при комнатной температуре под вакуумом (1-10"3 мм рт.ст.) в
течение 22 часов. При этом средний вес одной гранулы уменьшается с 12,8 до 1,1 мкг за первые 5 часов и затем практически не меняется. Гранулы сохраняют сферическую форму. Потеря веса при сушке сопровождается уменьшением диаметра с 3,1 мм до 0,9-1,0 мм.