SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE. Témavezető: Varga Imre egyetemi adjunktus. Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszék

Átírás

1 Tudományos Diákköri Dolgozat KARDOS ATTILA SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE Témavezető: Varga Imre egyetemi adjunktus Kémiai Intézet Fizikai Kémiai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Budapest, 2010

2 1. Tartalomjegyzék SZTÉRIKUSAN STABILIZÁLT INTELLIGENS MIKROGÉLEK SZINTÉZISE TARTALOMJEGYZÉK...2 A DOLGOZATBAN HASZNÁLT RÖVIDÍTÉSEK BEVEZETÉS INTELLIGENS HIDROGÉLEK POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) ALAPÚ HIDROGÉLEK POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) MAKRO- ILLETVE MIKROGÉLEK Poli(N-izopropil-akrilamid) makrogélek Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek POLI(N-IZOPROPIL-AKRILAMID) MIKROGÉLEK SZINTÉZISE KÍSÉRLETI MÓDSZEREK FELHASZNÁLT ANYAGOK P(NIPAAM-CO-AAC) ÉS P(NIPAAM-CO-AAC)-SHELL-(PEO) N -MEMA MIKROGÉLEK ELŐÁLLÍTÁSA AZ ELŐÁLLÍTOTT MIKROGÉLEK TISZTÍTÁSA VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Dinamikus fényszóródásmérés (DLS) * Elektroforetikus mobilitás meghatározása Termogravimetria (TG) Mikrogélek keletkezésének kinetikai vizsgálata HPLC-vel Turbidimetriás mérések MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉS A MIKROGÉL RÉSZECSKÉK KARAKTERIZÁLÁSA A mikrogél részecskék keletkezésének kinetikai vizsgálata Az előállított rendszerek turbidimetriás méréseinek eredménye A mikrogél részecskék hőmérséklet érzékenysége A mikrogél részecskék ph érzékenysége MIKROGÉL RÉSZECSKÉK ÉS ELLENTÉTESEN TÖLTÖTT TENZIDEK KOMPLEXEINEK STABILITÁS VIZSGÁLATA ÖSSZEFOGLALÁS IRODALOMJEGYZÉK...47 Köszönetnyílvánítás: Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni Dr. Varga Imre egyetemi adjunktusnak, aki jelen dolgozatom elkészítésében támogatott, illetve hasznos tanácsaival ellátott. Továbbá szeretnék köszönetet mondani Roberta Acciaro Phd hallgatónak és Sebestény Krisztinának munkám során nyújtott segítségükért.

3 A dolgozatban használt rövidítések NIPAAm PNIPAAm, p(nipaam) NaDS BIS AAc (PEO) n -MEMA DTAB APS NaOH N-izopropil-akrilamid poli(n-izopropil-akrilamid) nátrium-dodecilszulfát N,N'-metilén-biszakrilamid akrilsav poli(etilénoxid)-metil-metakrilát dodeciltrimetilammónim-bromid ammónium-perszulfát nátrium-hidroxid

4 2. Bevezetés Az intelligens anyagok definíciójának meghatározásakor nehéz dolgunk van, ugyanis szabatos, általános érvényű meghatározás napjainkig nem létezik. Magát a szóösszetételt az 1980-as években kezdték el alkalmazni olyan anyagok gyűjtőszavaként, melyek a környezetük fizikai és/vagy kémiai ingereire előnyösen képesek reagálni. Mindemellett az elnevezés az anyagtudomány egy olyan új ágára is felhívja a figyelmet, mely az anyag és közvetlen környezete aktív kapcsolatát igyekszik feltárni és kiaknázni. (Zrínyi Miklós, Magyar Tudomány; június) Az intelligens anyagokat feloszthatjuk kemény és lágy intelligens anyagokra. Az intelligens kemény anyagok közé sorolhatjuk az ötvözeteket, emlékező fémeket és műanyagokat, melyek a környezeti ingerekre alak vagy méret változtatással válaszolnak. Az intelligens lágy anyagokat további két csoportra oszthatjuk: intelligens folyadékokra és polimergélekre. A gélek olyan rendszerek, melyek alaktartóak és könnyen deformálhatóak, ugyanakkor nagy folyadéktartalmuk, fizikai tulajdonságaik az oldatokéhoz hasonlóak. Az intelligens polimergélek a környezeti paraméterek (hőmérséklet, elegyösszetétel, ph stb.) változására a gél térfogatának változásával reagál. Az intelligens lágy anyagok megjelenése a technikai fejlődés új útját nyitotta meg, ugyanis ezek jelentős orvosi, orvos-biológiai, gyógyszerészeti alkalmazásokat tesznek lehetővé. A fentiekből kiindulva az intelligens polimergélek gyorsan fejlődő kutatási területe a hatóanyagok célzott és elnyújtott kibocsájtását lehetővé tevő rendszerek vizsgálata. Az elmúlt évtizedekben történt erőfeszítések nyomán manapság már a hétköznapi életben is találkozhatunk ilyen rendszerekkel (Pluronics, Tetronics), anélkül hogy különösebb figyelmet szentelnénk nekik. Segítségükkel a hatóanyag mennyisége csökkenthető, és hatékonysága mégis növelhető az emberi szervezetben. Munkám kiinduló pontja, hogy intelligens anyagokat (hőmérséklet érzékeny mikrogéleket) használjunk fel makromolekulás hatóanyagok célba juttatására. Ennek során a mikrogélek szerkezetébe töltéssel rendelkező csoportokat polimerizálunk, melyek a későbbiekben lehetőséget nyújtanak ionos kölcsönhatások révén a hatóanyagok megkötésére majd a ph változásának függvényében kibocsájtására (ezzel a lépéssel mikrogélünk már nem csak hőmérséklet, hanem ph érzékeny is). Azonban már az elméleti megfontolások alapján is arra a következtetésre juthatunk, hogy a rendszer kolloid stabilitása az ellentétesen töltött részecskék kölcsönhatásának

5 eredményeképpen megszűnik és úgynevezett asszociatív fázisszeparáció játszódik le. Így a rendszer stabilitását helyreállítandó - munkám közvetlen céljává vált - olyan mikrogélek előállítása, melyek sztérikus stabilitással rendelkeznek. Ennek eredményeképpen a már stabil rendszer egyszerűen használható bármilyen ellentétesen töltött molekula szállítására. A sztérikus stabilitást poli-etilénoxid láncok felületbe való polimerizálásával kívántam biztosítani, melynek során az irodalomban fellelhető előzményekkel szemben a mag-héj szerkezetű mikrogél előállítását egy lépésben próbáltam kivitelezni. Ez jelentős idő és energia megtakarítást eredményezhet a korábbi eljárással szemben, ahol először előállították a későbbiekben magként szolgáló mikrogélt, majd hosszasan tisztították és a kész mikrogél felületén kezdtek el egy újabb polimerizációs lépést. Így a kész terméket ismételten tisztítani kell, ezzel egy-egy minta előállítása akár hónapokba is kerülhet. 3. Intelligens hidrogélek A hidrogéleket úgy definiálhatjuk, mint keresztkötött polimer térhálókat, melyek nagy mennyiségű vizet képesek felvenni, gyakran saját száraztömegük több ezerszeresét [1,2,3,4]. Megkülönböztethetünk fizikai és kémiai géleket. A fizikai géleket az egymást átható polimer hálózatok, vagy másodlagos erők tartják egyben, míg a kémiai géleket erős kovalens kötések tartják össze. Ennek köszönhetően reverzibilis válaszreakcióra képesek környezeti ingerek fellépésekor, ugyanis a térháló nem bomlik fel ellentétben a fizikai gélekével. Kémiailag térhálósított gélek előállítására három lehetséges út kínálkozik. Az első esetben a monomereket láncelágazás létrehozására képes vegyületek jelenlétében polimerizáljuk, ilyen például a PNIPAAm vagy a bakelit. A másik lehetséges eljárás, hogy már szintetizált makromolekulákat kötünk össze térhálósító molekulák segítségével. Ennek eredménye blokk kopolimerek keletkezése lesz. Erre klasszikus példaként a gumi vulkanizálását említhetjük, ahol az izoprén-polimer láncokat kénatomok tartják össze. A harmadik lehetőség, hogy két egymásba hatoló térhálóból alakítjuk ki a szerkezetet, ahol a két- vagy többféle láncot másodlagos kötések tartják össze, attól függően, hogy a felhasznált kopolimerek fizikai vagy kémiai térhálók-e. Ezeket nevezi a szakirodalom IPN (InterPenetrating Networks), vagy interpenetráló térhálóknak. A hidrogéleket csoportosíthatjuk méretük szerint, így különbséget tehetünk mikro- illetve makrogélek között. Mind a fizikai-, mind a kémiai térhálók közös jellemzője a nagy deformálhatóságuk, aminek oka, hogy Young-modoluszuk

6 (E) és nyírómodoluszuk (G) több nagyságrenddel kisebb az összenyomhatósági moduluszuknál (K). Ez azt eredményezi, hogy a külső erő hatásának irányától függetlenül az összes hálólánc deformálódni fog. A gél teljes alakváltozásához tartozó szabadenergia értéke egyenlő lesz az egyes hálóláncok deformációjából származó szabadenergia-változások értékének összegével. Különböző fizikai tulajdonságok, mint például a duzzadás mértéke, befolyásolható a térhálósító szer mennyiségének változtatásával. A gélek alaktartását a polimer láncok hálózata biztosítja. A gélváz nem engedi, hogy a benne levő folyadék kifolyjon, a folyadék pedig megakadályozza a hálóláncok összetapadását. A gél méretét a láncok elasztikus modulusza, valamint az ozmózisnyomás egyensúlya határozzák meg. A duzzadási képesség kifejezésére bevezethető a tömeg-, illetve a térfogati duzzadásfok, amely a gél duzzadt állapotban mért tömege/térfogata a szárazanyagtartalomra vonatkoztatva. Ez utóbbi reciproka a térfogattört ( ), amely alkalmas a polimer gél jellemzésére [5]. A hidrogélek, akár kémiai, akár fizikai hidrogélekről beszélünk, lehetnek környezeti hatásokra érzékenyek, vagy érzéketlenek. A környezeti hatásokra érzékeny gélek olyan anyagok, melyek változtatják duzzadásukat a környezeti paraméterek függvényében. Az intelligens hidrogélek három lényeges tulajdonsággal rendelkeznek: duzzadásuk legalább egy környezeti paraméternek nem lineáris függvénye, duzzadásuk reverzibilis, optimális esetben az intelligens hidrogéleknek a környezeti paraméterek megváltozására adott válasza gyors. A gélek duzzadásának hirtelen megváltozásáért a gélben a környezeti paraméterek megváltozásának hatására fellépő kölcsönhatások változása a felelős. A duzzadás a taszító erők dominanciájának a következménye, míg a kollapszus a vonzóerőké. Az ilyen intelligens hidrogélek tipikus képviselői többek között a hőmérséklet érzékeny és a ph érzékeny hidrogélek is. 4. Poli(N-izopropil-akrilamid) alapú hidrogélek A hidrogélek, amint fentebb állítottam keresztkötött polimerek, melyek térfogatának több mint 90%-a víz. Az intelligens hidrogélek egyik leggyakrabban vizsgált családja hőmérséklet érzékeny poli(alkil-akrilamid) [6,7,8] monomerekből épül fel, közülük is kiemelkednek a poli(n-izopropil-akrilamid) (pnipaam) alapú hidrogélek [8,9,10,11,12,13]. A poli-(n-izopropil-akrilamid) polimer szobahőmérsékleten korlátlanul elegyedik vízzel. Azonban a hőmérséklet emelésének hatására a polimer oldat szételegyedik egy polimerben

7 gazdag, illetve egy vízben gazdag fázisra. Azt a legalacsonyabb hőmérséklet értéket, ahol ez a fázisszeparáció lejátszódik alsó kritikus szételegyedési hőmérsékletnek (Lower Critical Solution Temperature; LCST) nevezzük (1. ábra). 1. ábra LCST értékkel rendelkező polimerek fázisdiagramja Ha egy ilyen tulajdonságokkal rendelkező polimerből gélt gyártunk, a részecske az LCST érték alatt duzzad az oldószerben, míg az LCST értéknél elveszíti a víztartalmának nagy részét (kollapszál). Gélek esetében ezt a reverzibilis tulajdonságot nevezik térfogati fázisátalakulásnak (Volume Phase Transition; VPT). A PNIPAAm gélek e tulajdonsága a gélben fellépő kölcsönhatások segítségével magyarázható. A rendszerben kétféle kölcsönhatás van jelen, a víz molekulák és a polimerlánc amid csoportjai között lép fellépő H-kötés, illetve a polimerláncok hidrofób kölcsönhatása. Alacsony hőmérsékleten (T<LCST) a polimer- illetve víz molekulák közötti kölcsönhatások dominálnak ( víz jó oldószere a polimernek), így a gél duzzadása nagy, míg magas hőmérsékleten (T>LCST) a polimer molekulák közötti kölcsönhatás a domináns (a víz rossz oldószere a polimernek), így a részecske duzzadása jelentősen csökken, a polimer kipréseli magából az előnytelen kölcsönhatást biztosító oldószer molekulákat. (2. ábra)

8 2. ábra A PNIPAAm gélekben fellépő kölcsönhatások szemléltetése 4.1. Poli(N-izopropil-akrilamid) makro- illetve mikrogélek A makrogélek tipikusan milliméteres vagy annál nagyobb mérettel rendelkeznek. A mikrogéleket definiálhatjuk úgy, mint a makrogélek olyan stabil analógjait, melyek mérete a mikro- és nanométeres tartományba esik. Mikro- és makrogéleket előállíthatunk ugyanazon kiindulási anyagokból (PNIPAAm), lehetnek környezeti hatásra érzékenyek, vagy érzéketlenek. A legfontosabb különbség, hogy a környezeti hatásokra érzékeny mikrogélek sokkalta gyorsabb válaszreakcióra képesek, mint makroszkopikus mérettartományba eső társaik. A leggyakrabban kutatott mikrogélek egyike az N-izopripil-akrilamid (NIPAAm) monomerekból épül fel (3. ábra). 3. ábra Az N-izopropil-akrilamid, N,N'-biszakrilamid, illetve akrilsav szerkezete Poli(N-izopropil-akrilamid) makrogélek A környezeti hatásokra érzékeny hidrogélek megjelenése óta, a PNIPAAm makrogélek a leginkább tanulmányozott hőmérséklet érzékeny intelligens anyagok. Ezen anyagok mérete tipikusan milliméteres skálán mérhető, és ~32 o C-on reverzibilis térfogatváltozáson mennek keresztül. Az eredmények azt mutatták, hogy a gél nedvesedési kinetikája nagyban függ a

9 rendszer méretétől, méghozzá a duzzadás csökkenése fordítottan arányos a hidrogél sugarának négyzetével [14,15,16,]. Tehát elmondhatjuk, hogy a milliméteres, illetve ennél nagyobb dimenziójú PNIPAAm makrogélek fázisátalakulási folyamata több órát, vagy akár napot is igénybe vehet Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek A mikrogélek tipikus mérete a mikro/nano skálán mozog. Köszönhetően ennek a kis méretnek a mikrogélek fázisátmeneti ideje pillanatszerű, a másodperc tört része alatt lejátszódik. Hasonlóan a makrogélekhez a mikrogélek is több mint 90% víz felvételére képesek duzzadt állapotban, míg kollapszáltan csupán 20% oldószer molekula befogadására képesek. A 4. ábrán látszik, hogy a PNIPAAm mikrogél mérete hogyan változik a hőmérséklettel. Amint a hőmérséklet eléri a polimerre jellemző LCST értéket (~32 o C), gél mérete nagymértékben lecsökken. Az ábrán látható a szórt fény intenzitásának változása is, a görbe egyszerűen magyarázható azzal, hogy míg a duzzadt állapotban levő mikrogélek és a közeg között kicsi a törésmutató különbség, addig a kollapszált részecskék esetében különbség jelentősen megnő, így a szórt fény intenzitása nagy mértékben növekszik. A fázisátmenet hőmérséklete hatékonyan befolyásolható, különböző funkciós csoportokat tartalmazó monomerek kopolimerizációjával a térhálóba. A PNIPAAm mikrogélek előállítása során használt komonomerek közül az egyik legelterjedtebb az akrilsav (AAc), melynek segítségével poli(n-izopropil-akrilamid-co-akrilsav) kopolimerket kapunk (pnipaam-co-aac). Az akrilsav disszociációjának a hatására a mikorgél fázisátmeneti hőmérséklete jelentősen megemelkedik, illetve az akrilsav monomerek ph érzékenysége miatt a mikrogél duzzadása is ph függővé válik.

10 4. ábra PNIPAAm gél átmérőjének tipikus hőmérséklet függése (fényszóródás kísérletekből) 4.2. Poli(N-izopropil-akrilamid) mikrogélek szintézise p(nipaam) alapú mikrogéleket általában precipitációs polimerizációval állítják elő [17,18,19,20,21]. Ezen eljárás során a prekurzór molekulák vízoldhatóak, míg a keletkező polimerek nem. A rendszer előállításához NIPAAm monomert és BIS (N,N -biszakrilamid) keresztkötő monomert, illetve NaDS-t (nátrium-dodecilszulfát) használunk. A NaDS-t a kritikus micellaképződési koncentrációnál jóval kisebb koncentrációban adjuk az elegyhez. A tenzid molekulák szerepe a keletkező mikrogél részecskék stabilizálása. A reakció megindításával (APS, ammónium-perszulfát adagolása) a monomerekből polimer láncok kezdenek el nőni, majd egy kritikus hossznál a polimer lánc vízoldhatósága megszűnik és kollapszál. A növekvő láncokból keletkező kollapszált részecskék nem rendelkeznek kolloid stabilitással, ezért aggregátumokat képeznek. Ezek az aggregátumok addig nőnek, míg az iniciátor molekulából származó töltött csoportok, illetve az adszorbeálódó tenzid molekulák elég nagy felületi töltést nem biztosítanak a részecskék stabilizálásához. Az így keletkezett prekurzór részecskékben tovább folyik a lánc növekedése, míg a reakció elegyből el nem fogynak a monomerek. A keletkezett mikrogélek monodiszperz méret eloszlással rendelkeznek. A mikrogél részecskék mérete a NaDS mennyiségével befolyásolható, ugyanis több NaDS adagolása esetén kisebb prekurzór részecskék stabilizálódnak. Az eljárás előnye, hogy számos komonomer adagolható a rendszerhez, így a mikrogélek különböző funkciójú

11 csoportokkal láthatóak el *8], így a rendszerhez adagolhatunk pl. AAc (akrilsav) komonomereket. 5. ábra A mikrogélek keletkezésének egyes fázisai (1. lánc növekedés, 2. lánc kollapszus, 3.prekurzor részecske képződése, 4. mikrogél részecske képződése) Az irodalomban számos példa létezik arra, hogy az előállított p(nipaam) mikrogélek részecskékre egy további polimer héjat polimerizáltak, és így alakítottak ki egy mag/héj szerkezetű mikrorészecskét*22,23]. A mag-héj szerkezetű nanokapszulák előállítását úgy végezték, hogy az előzetesen előállított p(nipaam-co-aac) mikrogéleket megtisztították, majd a monomerekkel és NaDS-sel együtt a reakcióelegyhez adagolták. Emelt hőmérsékleten a p(nipaam) részecskék kollapszált állapotban vannak és magként szolgálnak a polimerizáció során. Ezzel az eljárással elérhető, hogy a második lépésben polimerizált monomerek nagy része a részecske felületén polimerizálódjon. Ezzel az eljárással szemben egy olyan módszert akartam kidolgozni, mely lehetővé teszi, hogy egyetlen reakciólépésben hozzuk létre a mag-héj szerkezetű mikrogél részecskéket, így nincs szükség a keletkezett p(nipaam-co-aac) latexek tisztítására, ami jelentős idő és energia megtakarítást tesz lehetővé.

12 5. Kísérleti módszerek 5.1. Felhasznált anyagok Az 1. táblázat a mikorgélek előállítása során használt anyagokat mutatja be. 1. táblázat A felhasznált anyagok listája Felhasznált anyagok Vegyület Rövidített név Képlet N-izopropil-akrilamid NiPAAm N,N -metilén-bis-akrilamid BIS Na-dodecilszulfát NaDS Akrilsav komonomer AAc Ammónium-perszulfát APS poli-(etilénoxid)-metilmetakrilát 5.2. p(nipaam-co-aac) és p(nipaam-co-aac)-shell-(peo)n-mema mikrogélek előállítása A mikrogélek előállítása precipitációs polimerizációval történik. Az eljárás során a 2. táblázatban leírt mennyiségű NIPAAm monomert és BIS keresztkapcsolószert 190 g vízben oldottam fel, az elegyhez hozzáadtam 2 ml NaDS-t is, hogy a koncentrációja 0,7 mm legyen a reakció elegyben. Miután a komponensek feloldódtak, az elegyet a reaktoredénybe töltöttem és kb. 30 percen keresztül N 2 gázt buborékoltattam át a rendszeren oxigénmentesítés céljából, eközben a rendszer 80 o C-ra termosztálódott. Ezután a kevertetés sebességét az eddigi 2-es fokozatról 4-esre emeltem, és fecskendőből a rendszerhez adagoltam az AAc komonomert, majd amilyen gyorsan csak lehetett az APS iniciátort is hozzáadtam (fontos ez a sorrend). A szintézist további 4 órán keresztül folytattam, majd befejeztével hagytam a rendszert lehűlni, és a terméket dializáló csövekbe töltöttem.

13 2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége Bemérések Anyag Bemért mennyiség /(g) Koncentráció / (mm) p(nipaam-co-aac) NIPAAM 2, BIS 0,057 1,8 NaDS AAc 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,7 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,9 APS 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 p(nipaam-co-aac)-shell- 2,5 mol% (PEO) 23 -MEMA (1100 g/mol (PEO) 23 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 23 -MEMA 0,767 3,25 p(nipaam-co-aac)-shell- 5 mol% (PEO) 23 -MEMA (1100 g/mol (PEO) 23 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 23 -MEMA 1,534 6,5

14 2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége (folyt.) Bemérések Anyag Bemért mennyiség /(g) Koncentráció / (mm) p(nipaam-co-aac)-shell- 7,5 mol% (PEO) 23 -MEMA (1100 g/mol (PEO) 23 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 23 -MEMA 2,301 9,8 p(nipaam-co-aac)-shell- 10 mol% (PEO) 23 -MEMA (80%-os konverzió) (1100 g/mol (PEO) 23 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 APS (PEO) 23 -MEMA 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 3,046 p(nipaam-co-aac)-shell- 10 mol% (PEO) 23 -MEMA (90%-os konverzió) (1100 g/mol (PEO) 23 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 13 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 23 -MEMA 1,534 6,5

15 2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége (folyt.) Bemérések Anyag Bemért mennyiség /(g) Koncentráció / (mm) p(nipaam-co-aac)-shell- 2,5 mol% (PEO) 45 -MEMA (2080 g/mol (PEO) 45 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 45 -MEMA) 2,71 3,25 p(nipaam-co-aac)-shell- 5 mol% (PEO) 45 -MEMA (2080 g/mol (PEO) 45 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 45 -MEMA) 5,41 6,5 p(nipaam-co-aac)-shell- 7,5 mol% (PEO) 45 -MEMA (2080 g/mol (PEO) 45 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 45 -MEMA 8,11 9,8

16 2. táblázat A szintézishez használt anyagok mennyisége (folyt.) Bemérések Anyag Bemért mennyiség /(g) Koncentráció / (mm) p(nipaam-co-aac)-shell- 10 mol% (PEO) 45 -MEMA (2080 g/mol (PEO) 45 -MEMA) NIPAAM 2, ,5 BIS 0,057 1,7 NaDS AAc APS 0,380, melyből 2 ml-t használtam 0,6 0,702, melyből 8 ml-t használtam 12,3 0,560, melyből 2 ml-t használtam 1,2 (PEO) 45 -MEMA 10,82 13 Munkám során 10 szintézist végeztem. Az első esetben olyan p(nipaam-co-aac) mikrogéleket állítottam elő, melyben a keresztkötések sűrűsége 70, azaz minden 70. monomer keresztkapcsoló, illetve az akrilsav tartalom 10 mol%, ezt a rendszert alkalmaztam referencia rendszerként. A (PEO) n -MEMA héj létrehozása érdekében két szintézis sorozatot végeztem, melyek során 1100 g/mol illetve 2080 g/mol molekulatömegű (PEO) n -MEMA makromonomereket adagoltam a rendszerbe. Az adagolás általában 90%-os konverziónál történt, azonban az 1100 g/mol molekulatömegű 10 mol% (PEO) 23 -MEMA monomert tartalmazó mikrogélből szintetizáltam egy 80%-os konverziónál adagolt mintát is. Annak megállapítására, hogy az adagolás mikor történjen, a monomerek fogyásának kinetikai görbéjét alkalmaztam, amit az fejezetben leírtak szerint határoztam meg (13. ábra). A makromonomereket tartalmazó oldatokat az adagolás előtt vákuumban oxigénmentesítettem. Ez egy fontos lépés, ugyanis az oldott O 2 gyökfogóként viselkedik és zavarja a reakció lejátszódását.

17 6. ábra A lejátszódó reakció sémája A 7. ábrán látható a reakció során alkalmazott reakcióedény. A reakcióedényen négy csiszolat található. A bal hátsó szeptummal lezárt csiszolatba kerül az a tű, melyen keresztül a N 2 -áramot vezetjük be a reakciótérbe. A bal első csiszolatba kerül a hőmérő, a jobb hátsóba kerül a parafinos gázmosóval lezárt visszafolyós hűtő. A negyedik, szintén szeptummal lezárt csiszolaton keresztül történik a monomerek és az iniciátor adagolása a reakció során. 7. ábra A reakcióhoz használt reakcióedény

18 5.3. Az előállított mikrogélek tisztítása Az előállított mikrogéleket tartalmazó szuszpenziót a reakció lejátszódása után hagytam lehűlni, majd dializáló csövekbe töltöttem. A dialízist több héten keresztül folytattam, miközben naponta cseréltem a vizet, amelyben a dialízis csövek álltak. Erre azért van szükség, hogy megakadályozzuk a szennyezők (pl. az el nem reagált monomerek, képződött oligomerek) koncentrációjának lassú kiegyenlítődését a tisztított rendszer és a környezete között, ami a tisztulási folyamat leállásához vezetne. Több hetes dialízis után a további tisztítás érdekében a mintákat ultraszűrésnek vetettem alá. Az ultraszűréshez 100 kda-os szűrőmembránt tartalmazó VivaFlow200 típusú cellát használtam. Az ultraszűrés során a dializált mintáknak egy részét (10-20 ml) minimum hatszorosára hígítottam, és 10 mm-os NaOH-val beállítottam a ph-t 9-10 közé. A hígítás azért szükséges, mivel a dializált minta közvetlen lúgosítása esetén az egész rendszer begélesedhet. Miután a ph-t beállítottam a kívánt értékre a mikrogélben található AAc csoportok sóvá alakultak- az eddigi ml-es mintát tovább hígítottam 1000 ml-re és az így kapott híg latexet ultraszűrtem, míg a térfogata újra ml-re csökkent. A tisztítás mértéke ideális esetben (amikor a szennyezők homogénen oszlanak el a rendszerben) - en lefutású, ahol n az ismételt ultraszűrések száma, a higított rendszer térfogata, pedig a térfogat az ultraszűrés után. Ennek értelmében a tisztítandó minta nagyságrendi hígítása és ultraszűrése esetén, egy szűrés után már egy nagyságrenddel kevesebb a szennyező anyag mennyisége a rendszerben, n ismételt szűrés esetén pedig elvileg 10 n ed részére hígul a szennyezők koncentrációja. Az általam készített mikrogélek esetén azonban kevésbé hatékonynak bizonyult a módszer, mivel nemcsak a közeg, hanem a gélrészecskék is tartalmaztak szennyezőket. A gélrészecskék és szennyezők kölcsönhatásának következménye, hogy a közegből eltávolított szennyezők nagy része a hígítás után pótlódik a gélrészecskékből. Emiatt a tisztulás sokkal lassabb lehet az elméletileg várt ideális esetnél. A tisztulási folyamatot vezetőképesség mérésével követtem, a tisztítást addig folytattam, míg a minta szűrésével nyert szűrlet vezetőképessége el nem érte a tiszta desztillált víz vezetőképességét.

19 Vezetokepesseg / ( S) Szuresszam 8. ábra A minta tisztulásának követése vezetőképesség méréssel 5.4. Vizsgálati módszerek Dinamikus fényszóródásmérés (DLS) [24] A nanorészecskék, és egyéb kolloidális méretű részecske méretének meghatározására manapság rutinszerűen alkalmazzák a fényszóródás mérésén alapuló eljárásokat. Közülük is a legelterjedtebb a dinamikus fényszóródás mérés, mely alkalmas pl. polielektrolitok szerkezetének és dinamikájának meghatározására, valamint polimer rendszerek általános jellemzésére. A módszer alapja, hogy a vizsgált részecskék hőmozgásának következtében a részecskékről szóródó fény interferenciája folytonosan változik, így a szórt fény intenzitása is állandó ingadozást mutat (fluktuál). Ha az intenzitás fluktuációja, csak a részecskék hőmozgásának következménye, akkor a fluktuációk mérésével a részecskék mozgásának sebességéről és ezen keresztül a részecskék méretéről kaphatunk információt.

20 A DLS mérések során az intenzitás-intenzitás autokorrelációs függvényt határozzuk meg, melyből aztán a Siegert-egyenlet segítségével megkapjuk a térerő autokorrelációs függvényt: (1) ahol A a kísérletileg meghatározott alapvonal, b vektor, τ pedig a korrelációs idő. egy konstans, q a szórási (2) ahol n a közeg törésmutatója, λ 0 a lézer fényforrás hullámhossza, a szórás szöge. Amennyiben a vizsgált rendszer polidiszperz (a részecskék különböző sebességgel mozgnak) a kísérletileg meghatározott autokorrelációs függvényt az alábbi összefüggés írja le: (3) ahol a relaxációs idő, pedig a relaxációs idő eloszlás görbe. Ennek meghatározására számos numerikus eljárás létezik. Az általunk használt módszer (Kumulant analízis) segítségével egy átlagos relaxációs időt és polidiszperzitás paramétert határozunk meg, anélkül, hogy a relaxációs idő eloszlásról bármilyen előzetes információnk is lenne. A módszer mérsékelten polidiszperz minták esetén használható. Ha az intenzitásbeli fluktuáció a részecskék mozgásából származik, akkor a diffúziós együttható az alábbi egyenlet értelmében származtatható a relaxiációs időből: (4) ahol a girációs sugár és C egy konstans. -ból kiszámolható a hidrodinamikai átmérő a Stokes-Einstein egyenlet értelmében: (5) ahol k a Boltzmann-állandó, T a hőmérséklet, és a közeg viszkozitása. A numerikus eljárásban alkalmazott sorfejtésből származó, második redukált együttható felhasználásával kiszámolhatjuk a rendszer polidiszperzitását is: (6) ahol u a rendszer polidiszperzitása. A méréseket Brookhaven típusú fényszóródásmérő berendezéssel végeztem, mely mind sztatikus-, mind dinamikus fényszóródásmérés végrehajtására nyújt lehetőséget. A mérőberendezés BI-200SM típusú goniométerből, BI-9000AT típusú digitális korrelátórból,

21 és egy Omnichrome típusú argon-ion lézerből épül fel, mely 488 nm-es hullámhosszúságú, vertikálisan polarizált fényt bocsájt ki. Detektorként fotosokszorozót használtam. A vizsgált mintákat a mérés előtt 1,2 µm-es membránszűrőn szűrtem a nagy méretű szennyezők (pl. por szemcsék) eltávolítása érdekében. Mivel a mikrogélrészecskék nagy mérete miatt a szórt fény intenzitása erős szögfüggést mutatott a méréseket minden esetben -nál végeztem. 9. ábra A fényszoródásmérő berendezés elvi vázlata Elektroforetikus mobilitás meghatározása Elektroforetikus mobilitás meghatározására a Malvern Instrument által gyártott Malvern Zetasizer NanoZ típusú készüléket használtam, ami a legmodernebb eszköz a töltött részecskék elektroforetikus mobilitásának meghatározására. A berendezés a lézer Doppler elektroforézis technikát alkalmazza. Az elektromos tér hatására mozgó részecskékről a fény szóródik, és annak frekvenciája eltolódik. A frekvencia eltolódását interferometrikus technikával tudjuk mérni. Ez a gyakorlatban úgy történik, hogy koherens lézerpár nyalábot alkalmazunk, amik egy forrásból származnak. Az egyik nyaláb (szóródó nyaláb) a töltött részecskéhez érve eltérül, másik nyaláb pedig változatlanul átmegy a cellán (referencia nyaláb). Összehasonlítva a referencia- és a szóródó nyaláb frekvenciáját a töltött részecskék mobilitása meghatározható az alábbi összefüggésből:

22 (1) ahol az az elektroforetikus mozgékonyság, az elmozdulás, E az alkalmazott térerősség, a közeg dielektromos állandója, az elektrokinetikai potenciál, a közeg viszkozitása. Az elektroforetikus mozgékonyságból az elektrokinetikai potenciál az (1) egyenlet értelmében számolható. Szilárd/folyadék határfelületek elektromos kettősrétegének elektromos térrel való kölcsönhatása a kettősréteg hasadásával járó mozgásjelenségben nyilvánulhat meg. Diszperziók diffúz kettősréteggel rendelkező részecskéi egyenfeszültségű elektromos erőtér hatására felületi töltésükkel ellenkező töltésjelű pólus irányába igyekeznek elmozdulni, és ha mozgásuknak nincs akadálya, ténylegesen a pólus felé vándorolnak. Ezt a folyamatot elektroforézisnek nevezzük. Ha a kettősréteg a többnyire hidratált ion méretű Stern-síknál kiterjedtebb, diffúz része a részecske vándorlásakor egy mozdulatlan, és egy részecskékkel együtt mozgó részre szakad szét az ún. hasadási sík mentén. A hasadási sík és a tömb fázis között létrejövő potenciálkülönbséget definíciószerűen elektrokinetikai vagy zeta potenciálnak nevezzük. A hasadási sík pontos helyét a diffúz kettősrétegben általában nem ismerjük, mert a Stern-rétegben lévő ionokon kívül bizonyos mennyiségű folyadék is kötődhet a töltéssel rendelkező részecskék felületéhez. Indokolt azonban feltételeznünk, hogy a hasadási sík kissé távolabb helyezkedik el a felülettől, mint a Stern-sík és így a zeta potenciál is általában kisebb, mint a Stern-potenciál, a felületi potenciál és zeta potenciál közötti különbség a diszperziós közegbeli ionerősség növelésével nő, mert az elektrolit töménység növelése a kettősréteg diffúz részének kiterjedését csökkenti, így nagyobb potenciálesést eredményez. Az (1). egyenletből következik, hogy nem vezető részecskék elektroforetikus mozgékonysága független a részecskék méretétől és alakjától, ha a zeta potenciál állandó.

23 10. ábra Az elektromos kettősréteg szerkezete 1. a részecske felszíne, 2. Stern-sík, 3. hasadási sík, 4. diffúz réteg, 5. Stern-réteg. A jelölések jelentése : felületi potenciál, :elektrokinetikai vagy zeta potenciál, : Stern-sík vastagsága, 1/χ: a kettősréteg vastagsága. 11. ábra A tanszéken alkalmazott Malvern Instuments által gyártott készülék

24 Termogravimetria (TG) Az ultraszűrt minták koncentrációjának meghatározásához termogravimetriát alkalmaztam. Az eljárás során ismert mennyiségű mintát mértem be, majd előre megadott fűtési program alapján ( o C) a mintát előbb bepároltam, majd a polimert elégettem. A folyamat során mért tömegváltozásokból meghatároztam a tisztított minta összetételét. Az alkalmazott készülék a MOM Budapest által gyártott Derivatograph-C típusú termoanalizátor volt. Az előállított latexek koncentrációja az alábbi táblázatban került összefoglalásra. Minta Töménység meghatározás módja Koncentráció / (w/w%) p(nipaam-co-aac) dializált Szárazanyag-tartalom megh. 1,08 p(nipaam-co-aac)-shell- 10 mol% (PEO) 23 -MEMA dializált Szárazanyag-tartalom megh. 1,96 p(nipaam-co-aac) ultraszűrt Termogravimetria 0,30 p(nipaam-co-aac)-shell- 10 mol% (PEO) 23 -MEMA ultraszűrt Termogravimetria 0, Mikrogélek keletkezésének kinetikai vizsgálata HPLC-vel A folyadékkromatográfiás eljárások lényege, hogy az elválasztandó komponenseket oldat fázisban injektáljuk az elválasztásra szolgáló oszlopra, ahol a komponensek különböző mértékű affinitása miatt az oszlop anyagához elkülönülnek egymástól. Az eljárás során töltetes oszlopot alkalmazunk, ezért hogy az elválasztási idő elfogadható idő tartományban maradjon emelt nyomást kell alkalmazni. Az álló fázis egy általában 1-4 mm belső átmérőjű, cm hosszú acélcsőbe töltött µm-es méretű, nagy fajlagos felülettel rendelkező poláris vagy apoláris felületű szemcsékből áll. Apoláris töltetek esetén az áramló fázis erősen vagy közepesen poláris, általában metanol vagy acetonitril és víz meghatározott arányú keveréke. Az eljárás fontos része a mintaadagolás, ugyanis ez teszi magát az eljárást reprodukálható, robosztus technikává. Az alkalmazható detektorok száma rendkívül nagy, általában elmondható, hogy ilyen mérések esetében érdemes univerzális, azaz nem egy komponens mérése kifejlesztett detektort alkalmazni. A legegyszerűbben alkalmazható ilyen detektor az átfolyócellás UV/VIS detektor. A detektor jelét a feldolgozó egység regisztrálja és alakítja analitikai jellé, melyből kvantitatív és kvalitatív analitikai információ is nyerhető. A detektor által adott analitikai jel-idő függvényét nevezzük kromatogramnak. A kromatogramon megjelenő csúcsok területe (integrálja) az adott komponens mennyiségével lesz arányos. Relatív koncentráció méréséhez elég, ha a mérési tartományban a detektor lineáris

25 válaszjellel rendelkezik, abszolút koncentráció meghatározáshoz azonban kalibrációs eljárás alkalmazása szükséges. A mérések során az alkalmazott eluens 55:45 arányú metanol/víz elegy volt, mely 0,25 mm DTAB-t is tartalmazott. A kationos tenzid alkalmazása azért vált szükségessé, hogy az AAc csúcsa elváljon a majd két nagyságrenddel intenzívebb jelet szolgáltató NiPAm monomer csúcsától. Az alkalmazott oszlop fordított fázisú, C8-as töltetű oszlop (Shandon Hypersil, 5 µm), az injektált térfogat 20 µl volt. Az eljárás során UV/VIS detektor alkalmaztam, melyet előzetes vizsgálatok alapján 280 nm-es hullámhosszon üzemeltettem Turbidimetriás mérések A turbidimetriás méréseket spektrofotometriás készülék alkalmazásával kiviteleztem. Az eljárás alapja, hogy egy kolloid rendszeren áthaladó fénynyaláb intenzitása csökken a kolloid részecskéken történő fényszóródás miatt. A turbiditás mérések során ezt az intenzitás csökkenést regisztráljuk. A szórt fény intenzitását, így a rendszer turbiditását is, a szóró részecskék mérete, a részecske és közeg törésmutatójának a különbsége (kontraszt) és a részecskék kölcsönhatása határozza meg. Híg rendszerek esetén a részecskék kölcsönhatásának általában nincs meghatározó szerepe, így a vizsgált rendszer turbiditásának növekedése a részecskék aggregációjának (szóró centrumok növekedése), vagy a kontraszt növekedésének (pl. polimer részecskék víztartalmának csökkenése) a következménye. Vizsgálataimhoz Perkin Elmer Lambda 2 típusú spektrofotométert használtam. A méréseket 400 nm-en végeztem. A mérés során 0,1 tömeg%-os mikrogél tartalmú mintákat használtam, melyek ismert töménységű DTAB ionos tenzidet (2-20 mm) tartalmaztak. A minták turbiditását 3 napos szobahőmérsékletű várakozás után mértem. Ezt követően 40 o C-os vízfürdőbe helyeztem a mintákat, és újabb három napos termosztálás után mértem a turbiditásukat 40 o C-on.

26 6. Mérési eredmények és értékelés A tapasztalat szerint a polielektrolitok, így a p(nipaam-co-aac) mikrogél részecskék is, komplexeket képeznek ellentétesen töltött makromolekulákkal (pl. fehérjékkel). Mivel a képződő komplexek egy széles összetételi tartományban nem rendelkeznek elegendően nagy felületi töltéssel, elvesztik kolloid stabilitásukat, így aggregátumokat képeznek, és fázisszeparálnak. A célom olyan mikrogélek előállítása volt, melyek megőrzik kolloid stabilitásukat a komplex képződés után is. Mivel egy kolloid részecske stabilitása nem csak elektrosztatikusan hanem sztérikusan is biztosítható, ezért olyan részecskék előállítását tűztem ki célul, melyek egy külső semleges polimer héjjal rendelkeznek. Mint korábban említettem a poli-etilénoxidot elterjedten használják felületek biokompatibilitásának a biztosítására, ezért ez a polimer különösen alkalmasnak tűnt célom megvalósítására. A (PEO) n -MEMA héj kialakítására egy olyan makromonomert használtam fel, melyben a (PEO) n lánc egy észter kötés segítségével egy metakrilsav molekulához kapcsolódik. Ez lehetővé teszi a makromonomer beépülését a szintézis során kialakuló térhálóba. Bár az irodalomban már korábban is készítettek mag/héj típusú mikrogél részecskéket, erre mindig két önálló szintézislépésben került sor, és a héj kialakítását minden esetben az előállított primer részecskék hosszas tisztítása előzte meg. Az általam kidolgozott eljárás elvileg lehetőséget biztosít a szintézis egyetlen lépésben történő kivitelezésére. A szintézis kivitelezés során a makromonomereket csak a szintézis utolsó fázisában adtam a reakció elegyhez, ezzel biztosítva, hogy a monomerek a részecskék felületére épüljenek be. Annak eldöntésére, hogy melyik a megfelelő pillanat a (PEO) n -MEMA makromonomerek reakció elegyhez adására, a szintézis lefolyását HPLC vizsgálatokkal követtem és meghatároztam a komponensek fogyását az idő függvényében A mikrogél részecskék karakterizálása A mikrogél részecskék keletkezésének kinetikai vizsgálata Amint a fentiekben már említettem a monomerek, komonomerek, és keresztkapcsolószerek beépülése a mikrogélbe fontos információ abban az esetben, ha a célunk olyan mikrogélek előállítása, melyek a felületükön (PEO) n -MEMA láncokat tartalmaznak. Ezért részletesen megvizsgáltam a 10 mol%-os AAc tartalmú mikrogélek keletkezésének kinetikáját. A rendszer NIPAAm, BIS, és AAc monomereket tartalmaz, ezért a

27 mérés során ezek elválasztása és mennyiségi meghatározása volt a célom. Azért, hogy a beépülés kinetikáját követni tudjam adott időközönként a reakcióelegyből mintát vettem, és ezekben vizsgáltam a monomerek mennyiségét. A mintavételre 25 ml-es zárható üvegküvettát használtam. Ezekben 1-1 ml 5mM koncentrációjú gyökfogó (hidrokinon monometil-éter) volt. A mérés során minden edény és minta pontos tömegét megmértem. A kb. 1 ml mennyiségű mintát a gyökfogó oldathoz adtam. Ennek hatására a reakció azonnal leállt, így pontosan meghatározható, hogy az adott pillanatban vett mintában milyen mennyiségben találhatóak a monomerek. Az első mintát a reakció megindítása (iniciátor adagolása) előtt vettem, míg, a többi mintát az 1 és 240 perc közötti időintervallumban. A mintavétel után a mintát azonnal a gyökfogóhoz adtam, majd a rendszerhez további 13 ml vizet adtam. Az így nyert mintákat egy órán keresztül rpm-es fordulaton centrifugáltam a keletkezett polimerek eltávolításának céljából. Ezek után a felülúszóból 6-7 ml mintát vettem. A továbbiakban ezen mintát analizáltam, és ebből állapítottam meg a monomerek fogyását az idő függvényében. A mennyiségi analízis során a pontos tömegek ismeretében meghatározható volt a rendszer hígulása, így a monomerkoncentrációk pontosan meghatározhatók voltak a mintákben. A monomerek szeparációjára, illetve koncentrációjuk meghatározására HPLC méréseket végeztem. Az egyes csúcsokhoz tartozó mennyiségeket a legtöményebb oldatban (reakció megindítása előtti oldat) mért mennyiségekre normáltam, így összevethetővé váltak az egyes vizsgáltok eredményi, és a tapasztalatok egyszerűen levonhatóak. 200 NiPAAm 160 intenzitas / (mv) BIS AAc hidrokinon-monometil-éter ido / (min) 12. ábra Az elválasztással nyert kromatogram

28 3. táblázat A retenciós idők és területek Azonosított vegyület Retenciós idő / (min) Terület / (mvs) BIS 2,86 181,9 NIPAAm 3, ,5 AAc 4,29 18,9 A 12. ábra és 3. táblázat az első mintavételhez tartozó kromatogramot és a csúcsokhoz tartozó retenciós időket, illetve integrál értékeket tartalmazza. A továbbiakban vett minták kromatogramjának kiértékelése az első esetben alkalmazott módszerrel analóg módon történt. 13. ábra A vizsgálatokból nyert kinetikai görbék

29 A 13. ábra alapján elmondható, hogy a BIS keresztkapcsolószer gyorsabban épül be a keletkező részecskékbe, mint az AAc komonomer és a NIPAAm monomer, melyek hasonló sebességgel fogynak a reakció elegyből. Ezek alapján megállapítható, hogy a mikrogél részecskék egy jobban keresztkapcsolt maggal és egy lazább, kevéssé keresztkötött külső héjjal rendelkeznek, ez a tapasztalat megfelel az irodalomban felelhető eredményeknek is. Ugyanakkor az AAc monomerek eloszlása viszonylag egyenletes a részecskéken belül. Sztérikusan stabilizált mag/héj szerkezetű hidrogélek előállítása során ügyelni kell arra, hogy a sztérikus stabilitást biztosító polimert mikor adagoljuk a rendszerhez. Abban az esetben, ha az adagolás későn történik, az adagolt makromonomerek többsége nem lép reakcióba a felülettel, a felületre történő polimerizációs lépés kis konverzióval megy végbe. Az így nyert mikrogélek nem tartalmaznak elegendő felületen kötött polimert, hogy sztérikusan stabilak legyenek. Amennyiben a makromonomerek adagolására túl hamar kerül sor, nem mag/héj szerkezetű mikrogéleket kapunk, vagy a felületen kialakított héj túlságosan vastag lesz a gél méreteihez képest, jelentősen megváltoztatva ezzel a mikrogél részecskék előnyös tulajdonságait (pl. gél kollapszus hőmérséklete, illetve duzzadását). Munkám során a (PEO) n -MEMA makromonomereket a fenti megfontolásokból két időpontban adagoltam. Az első esetben a (PEO) 23 -MEMA polimereket 80 %-os konverziónál adtam a reakció elegyhez, majd az így előállított gél stabilitását, és hőmérsékletfüggését megmérve a további szintéziseket 90%-os konverziónál végeztem. A kinetikai görbe ismeretében megállapítható, hogy e konverzióknak megfelelő időpontok 13, illetve 20 percnél vannak. Így a makromonomereket a reakció megindítása után ezen időpontoknál adagoltam a rendszerhez, majd a reakciót további 4 órán keresztül folytattam.

30 Az előállított rendszerek turbidimetriás méréseinek eredménye A fejezetben alkalmazott rövidítések jelentéseit a 4. táblázat foglalja össze. 4. táblázat A fejezetben alkalmazott rövidítések jelentései Jelölés Konverzió (C x ) (PEO) n -MEMA / (g/mol) (P x ) (PEO) n -MEMA tartalom / (mol%)(m x ) C 80 P 1 M 10 80% C 90 P 1 M 2,5 90% ,5 C 90 P 1 M 5 90% C 90 P 1 M 7,5 90% ,5 C 90 P 1 M 10 90% C 90 P 2 M 2,5 90% ,5 C 90 P 2 M 5 90% C 90 P 2 M 7,5 90% ,5 C 90 P 2 M 10 90% Az előállított mikrogél latexek kolloid rendszerek, melyek stabilitását a részecskék között fellépő kölcsönhatások határozzák meg. A kolloid részecskék közötti eredő kölcsönhatás az összes kölcsönhatási energia összegzésével adható meg: ahol a Born-féle potenciál, van der Waals-féle vonzási potenciál, az elektrosztatikus taszítási potenciál, a szterikus kölcsönhatásokból származó eredő potenciál. A kolloid rendszer abban az esetben lehet stabil, ha a részecskék közeledése esetén vagy a meghatározó kölcsönhatás, így az eredő kölcsönhatás taszításban nyilvánul meg. 14. ábra Az eredő kölcsönhatási potenciál a részecskék közötti távolság függvényében

31 Ha egy elektromosan stabilizált kolloid részecskéhez ellentétesen töltött ionok kötődnek, akkor a kolloid részecske felületi töltéssűrűsége, így a részecske stabilítását biztosító potenciálgát nagysága is csökken. Ha a részecskéhez olyan nagy mértékben kötődnek ellentétesen töltött molekulák, hogy a potenciálgát nagysága összemérhetővé válik a hőmozgás energiájával a részecskék először aggregálnak, majd a nagy méretű aggregátumok kiülepednek, fázisszeparáció játszódik le. Az előállított p(nipaam-co-aac) rendszerek elektrosztatikusan stabilizált kolloid rendszerek, a felületükön lévő karboxil csoportok által kifejtett taszító kölcsönhatások miatt. Ha a rendszerhez kationos DTAB tenzidet adagolunk (modellezve ezzel az ellentétesen töltött fehérjékkel való kölcsönhatást), a tenzid molekulák kölcsönhatásba lépnek az ellentétesen töltött mikrogél részecskékkel. A tenzid kötés hajtóerejének két fő járuléka van. Egyrészt az ellentétesen töltött mikrogél és tenzid molekulák elektrosztatikus kölcsönhatása, másrészt a hidrofób hajtóerő, ami a tenzid molekulák alkilláncainak vizes közegből történő távozását kísérő energiaváltozás. A mikrogélek és tenzidek kölcsönhatásának eredményeképpen eleinte a mikrogél belsejében csökken az eredő töltéssűrűség, így a mikrogél részecskék által kötött DTAB mennyiségének növekedésével folyamatosan csökken a részecskék duzzadása, de az egyes részecskék önállósága nem szűnik meg. Azonban amikor a mikrogél összes töltése kompenzálódik az ellentétesen töltött molekulák által, a rendszer elektrosztatikus stabilitása megszűnik, a gél aggregál, az aggregátumok kiülepszenek. Ha azonban a mikrogél részecskék felszínén sikerül kialakítanunk egy olyan polimer héjat, ami biztosítja a kollapszált, semleges részecskék sztérikus stabilitását, akkor a részecskék aggregációja és a fázisszeparáció lejátszódása elkerülhető. Az előállított mikrogél-dtab rendszerek kolloid stabilitásának jellemzésére turbiditás méréseket végeztem. Amennyiben egy kolloid rendszer stabil, annak turbiditása időben állandó. Ha viszont a kolloid rendszerben a részecskék aggregálnak, akkor a szóró centrumok méretének növekedése miatt a rendszer turbiditása időben nő. A turbiditás növekedése addig tart, amíg a keletkezett aggregátumok ki nem ülepednek a folyadék fázisból, ami egy víztiszta, kolloid részecskékben szegény folyadékfázis és egy turbid üledék képződéséhez vezet. A turbiditás mérések elvégzésére három napig öregített mintákon került sor, hogy az esetleges lassan lejátszódó folyamatok megfigyelésére is mód legyen.

32 A referencia rendszerként alkalmazott p(nipaam-co-aac)/dtab rendszerek 25 o C-on mért turbiditás görbéje a 17. ábrán látható. Megállapítható, hogy a kezdeti kis turbiditás érték a DTAB koncentrációjának növekedésével emelkedik, ugyanis a mikrogélben egyre több töltés kompenzálódik a DTAB molekulák által, így a gél duzzadása csökken, ami a részecske törésmutatójának növekedése miatt a rendszer tubiditásának növekedését erdményezi. Elérve a mm-os DTAB koncentrációt, a turbiditás jelentős mértékben csökken, ugyanis a rendszer elveszíti kolloid stabilitását, és fázisszeparáció játszódik le. A DTAB mennyiségét tovább növelve 14 mm-nál, a rendszer turbiditása ismét jelentősen meg nő. Vizsgálataink azt mutatták, hogy ezekben a rendszerekben több hét elteltével sem figyelhető meg fázisszeparáció, a rendszer stabil marad. A 17. ábrán látható, hogy a koncentráció további növelésével a rendszer turbiditása folyamatosan csökken. Ez a megfigyelés elvileg kétféleképpen is magyarázható. Egyrészt elképzelhető, hogy a tenzid koncentráció növekedésével egyre jobban visszaszorul az ellentétesen töltött komponensek keverése során bekövetkező nem-egyensúlyi aggregátumok képződése. Másrészt ez is elképzelhető, hogy ~14 mm DTAB koncentrációnál megkezdődik a tenzidmolekulák kooperatív kötődése a mikrogél részecskében, ami a részecskék duzzadásához (törésmutatójának csökkenéséhez), így a rendszer turbiditásának csökkenéséhez vezet. Annak eldöntésére, hogy a két lehetséges mechanizmusból melyik magyarázza az észlelt változásokat e mérések alapján még nincs lehetőségünk. A C 90 P 1 M x mikrogélek 25 o C-on elvégzett turbiditás méréseinek eredménye a 15. ábrán látható. Összességében elmondható, hogy már C 90 P 1 M 2,5 rendszer is megőrizte kolloid stabilitását teljes tenzidkoncentráció tartományban (2-20 mm). A rendszerek turbiditása a DTAB mennyiségének növekedésével emelkedik, azonban a mm-os tartományban nincs aggregáció. E mikrogélek esetében is megfigyelhető az abszorbancia érték csökkenése a mm-os tartományban. Az ábrán jól látszik, hogy a különböző mennyiségű (PEO) 23 - MEMA makromonomert tartalmazó gélek kezdeti turbiditása (2 mm), az alkalmazott makromonomer mennyiségének emelkedésével csökken, ami arra utal, hogy a gérészecskék egyre több vizet tartalmaznak (csökken a törésmutató). Ebből arra következtethetünk, hogy a gél a (PEO) 23 -MEMA-tartalom emelkedésével egyre hidrofilebbé válik. Ez a tendencia tükröződik a C 90 P 2 M x mikrogélek esetében is (16.ábra). A C 90 P 2 M x hidrogélek 16.ábrán látható 25 o C-on mért turbiditás görbéiről elmondható, hogy a C 90 P 2 M 2,5, illetve C 90 P 2 M 5 mikrogélek mm-os tartományban nem stabilak,

33 aggregálnak, míg a C 90 P 2 M 7,5, illetve C 90 P 2 M 10 stabilak. A tapasztaltak arra engednek következtetni, hogy a (PEO) 45 -MEMA makromonomerek nagy mérete miatt, a beépülés a mikrogél részecskékbe kevésbé hatékony folyamat. A 25 o C-on végzett turbiditás mérések arra utalnak, hogy a (PEO) n -MEMA makromonomerek segítségével lehetőség van olyan PEO-héj kialakítására a mikrogél részecskék felszínén, ami alkalmas a részecskék sztérikus stabilizásására. Ugyanakkor a DTAB jelenlétében mért viszonylag kis turbiditás értékek azt jelzik, hogy bár a tenzid kötődésének következtében csökkent a mikrogél részecskék duzzadása, a részecskék kollapszusára nem került sor. Ennek a jelentőségét az adja, hogy a kompakt kollapszált részecskék jóval nagyobb szegmens-sűrűsége miatt kollapszált részecskék között jóval nagyobb vonzó kölcsönhatás fellépése várható, mint a duzzadt részecskék esetén. Így elképzelhető, hogy míg a képződött PEO-héj hatékonyan stabilizálja a részecskéket 25 o C-on duzzadt állapotban, magasabb hőmérsékleten, ahol a részecskék kollapszált állapotban vannak, már nem működik hatékonyan. Ezért a turbiditás méréseket megismételtük valamennyi mintán három napos 40 o C-on végzett öregítést követően. Ezen a hőmérsékleten a semleges mikrogél térháló már kollapszált állapotban van, így a maximális vonzó kölcsönhatások fellépése várható a mikrogél részecskék között. Az 17. ábrán, a p(nipaam-co-aac) mikrogélek különböző hőmérsékleten mért tubiditás görbéi láthatók. A hőmérséklet megemelésével az enyhén csapadékos tartomány kiszélesedett (világos tartomány), illetve a csapadékos rendszer mm-os tartománya a 4-6 mm-os értékekhez tolódott el. A csapadékos tartomány kisebb tenzid koncentrációkhoz tolódásának oka, hogy 40 o C-on jóval nagyobb a tenzidek kötődésének hajtóereje a mikrogél részecskében, mint 25 o C-on, hiszen a kollapszált részecskék jóval hidrofóbabb közeget biztosítanak a tenzid molekulák számára, mint a duzzadt, vízben gazdag mikrogél részecskék.