Разработка влагоудерживающих композитов на основе минерал-модифицированных акриловых гидрогелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат наук Носенко Татьяна Николаевна

• Носенко Татьяна Николаевна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Носенко Татьяна Николаевна

Реферат

Synopsis

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Полимерные гидрогели и материалы на их основе

1.2 Методы синтеза акриловых гидрогелей

1.3 Основные характеристики акриловых гидрогелевых композитов

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты исследования

2.2 Препаративная технология получения акрилового гидрогелевого композита

2.3 Методы исследования полученных ПКМ

2.3.1. Оптические методы исследования исследуемых композитов

2.3.2 Исследование сорбционных характеристик акриловых композитов

2.3.3 Термические методы исследования акриловых гидрогелевых композитов

2.3.4 Метод испытания на механическую прочность изделий

2.3.5 Определение конверсии мономеров и выхода продукта

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Влияние рецептурных параметров на время начала гелеобразования

3.1.1 Влияние доли гиалуроната натрия

3.1.2 Влияние содержания бентонита в композите на время начала гелеобразования

3.1.3 Изучение ВНГ при получении ВПС на основе акрилового гидрогеля и гиалуроната натрия, наполненных бентонитом

3.2 Влияние технологических параметров на ВНГ полимерных композитов

3.2.1 Влияние температуры синтеза

3.2.2 Влияние способов введения гиалуроната натрия на характеристики ПКМ

3.3 Степень конверсии мономеров в синтезированных гидрогелях

3.4 Исследование морфологии поверхности полимерных гидрогелевых композитов

3.5 Влияние условий синтеза на сорбционные свойства гидрогелевых ПКМ

3.5.1 Сорбционные свойства ПКМот содержания сшивающего агента

3.5.2 Сорбционные характеристики гидрогелевых ПКМ, модифицированных гиалуронатом натрия

3.5.3 Сорбционные свойства дисперсно-наполненных гидрогелевых композитов

3.5.4 Сорбционные характеристики ПКМ, модифицированного бентонитом и гиалуронатом натрия

3.5.5 Сорбция белка акриловым ПКМ

3.6 Термические характеристики гидрогелевых ВПС

3.6.1 Термические характеристики гидрогелевых ВПС с гиалуронатом натрия

3.6.2 Термические характеристикиминерал-содержащих гидрогелевых композитов

3.6.3 Термические характеристики влагопоглощающих ВПС с бентонитом и гиалуронатом натрия

3.7 Механические свойства гидрогелевых композитов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

Приложение А - Микрофотографии поверхностей композитов, полученных после синтеза

Приложение Б - Микрофотографии поверхностей образцов композитов после лиофильной сушки

Приложение В - Графики для расчета кинетических параметров набухания

Приложение Г - кинетические характеристики сорбции ЧСА

Приложение Д - дифференциально сканирующая калориметрия синтезированных

образцов композитов

Приложение Е - термические свойства композитов

Приложение Ж - акты испытаний экспериментальной серии образцов

Тексты публикаций

Реферат

I. Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. В настоящее время все большее внимание в медицине и фармакологииуделяется полимерным влагоудерживающим акриловым материалам, с заданными физико-химическими параметрами, способными легко изменять их под воздействием окружающей среды. Такие полимерные системы, называемые гидрогели, представляют собой редкосшитые полиэлектролиты, поглощающие и удерживающие значительные количества различных жидкостей (более 1000 г воды на 1 г полимерного материала).

Акриловые гидрогели широко применяются в различных областях, и прежде всего, медицине, фармацевтике, косметологии и т.п. Так, сорбирующие полимерные материалы могут быть применены в качестве контейнеров для доставки лекарственных препаратов, перевязочных средств для ран, имплантов, барьерных материалов, одноразовых изделий санитарно -гигиенического назначения и т.д.

Однако, обладая рядом существенных преимуществ: высокой сорбционной способностью, низкой стоимостью, чувствительностью к внешним условиям, акриловые гидрогели имеют значительные недостатки, в частности, низкие физико-механические параметры, которые значительно затрудняют их дальнейшее практическое применение.

Введение в полимерную матрицу наполнителей, модификаторов или создание полу- или взаимопроникающих сеток (ВПС) приводит к улучшению эксплуатационных характеристик материалов. Актуальной задачей является исследование возможностей повышения физико-механических свойств акриловых гидрогелей путем создания взаимопроникающих на основе гиалуроната натрия и создание композиционных минерал-содержащих материалов на их основе.

Целью настоящей работы явилось создание и исследование гидрогелевых композитов на основе акриловой кислоты и акриламида, модифицированных гиалуронатом натрия и бентонитом с улучшенными деформационно-прочностными и сорбционными характеристиками для применения в медицинской и косметологической практике.

В ходе настоящей работы решались следующие задачи:

• Разработать методику синтеза влагоудерживающего минерал-содержащего композита на основе акрилового гидрогеля и гиалуроната натрия.

• Изучить влияние рецептурных параметров с целью выявления их влияния на влагоудерживающие, физико-химические, физико-механические и термические характеристики акриловых гидрогелевых композитов.

• Разработать оптимальную рецептуру состава полимерного композиционного материала (ПКМ) с заданными эксплуатационными характеристиками для использования в медицине и косметологии.

• Исследовать влияние гиалуроната натрия и бентонита на время начала гелеобразования и эксплуатационные характеристики влагопоглощающих полимерных материалов.

• Показать возможность целенаправленного регулирования свойств влагоудерживающихПКМ для использования в медицине в качестве раневых повязок и косметических масок.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Методика получения влагоудерживающих полимерных композитов на основе акриловых гидрогелей, бентонита и гиалуроната натрия (ГН) и влияние рецептурных и технологических параметров на время начала гелеобразования и эксплуатационные характеристики материалов.

• Комплексный анализ влияния природы и количества наполнителей на время начала гелеобразования гидрогелевых композиционных материалов, а также на эксплуатационные и специальные свойства исследуемых композитов.

• Результаты экспериментальных исследований сорбционных, термических и прочностных характеристик акриловых ПКМ.

• Результаты испытаний разработанных гидрогелевых акриловых композитов в качестве косметологических масок с улучшенными деформационно-прочностными и сорбционными свойствами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка влагоудерживающих композитов на основе минерал-модифицированных акриловых гидрогелей»

Научная новизна работы

- разработана методика получения влагопоглощающих ПКМ на основе акриловых гидрогелей, наполненных бентонитом и гиалуронатом натрия для применения в качестве раневых повязок и косметологических масок;

- проведено исследование влияния рецептурных параметров на время начала гелеобразования и структуру новых сорбирующих материалов. Показано, что получение взаимопроникающих сеток на основе акрилового сшитого сополимера на основе акриламида, акриловой кислоты и К,К-метиленбисакриламида и гиалуроната натрия уменьшает время начала гелеобразования в 2 - 4 раза, а введение бентонита увеличивает ВНГ в 1,5 - 3,5 раза. Совместное введение бентонита и ГН в акриловую полимерную матрицу приводит к увеличению ВНГв 1,5 - 2 раза, доля золь-фракции уменьшается в 1,5 -2,5 раза, а выход продукта увеличивается до 90% при создании ПКМ.

- Введение дополнительной стадии - приготовления раствора ГН на стадии синтеза влагопоглощающих ПКМ приводит к получению композиционных материалов с улучшенными деформационно-прочностными характеристиками: модуль Юнга увеличивается в 0,5 - 2 раза, а относительное удлинение до 100%, по сравнению с ПКМ,

полученными без предварительного растворения гиалуроната натрия, что позволяет получать материалы с заданной геометрической формой.

- Деконволюцией ИК-спектров показано, что совместное введение гиалуроната натрия и бентонита приводит к уменьшению доли мономеров, образующих полимерную сетку.

- Получены количественные характеристики процесса сорбции по модели псевдовторого порядкаакриловыми композитами, определены кинетические параметры процесса, константы и средние скорости набухания, в дистиллированной воде, физиологическом растворе и растворах белков. Показано, что наибольшую сорбционную емкость обладают ПКМ с концентрацией бентонита 5 мас.% и гиалуроната натрия 0,1 мас.%. Продемонстрировано, что скорость набухания образцов в дистиллированной воде, физиологическом растворе и альбумине контролируется как диффузией внешнего раствора, так и релаксацией полимерных сеток (аномальная диффузия): 0,5 <п< 1,0.

- Изучено влияние гиалуроната натрия и бентонита на термические характеристики влагопоглощающих ПКМ. Показано, что увеличение содержания доли ГН, ведет к росту энергии активации испарения воды в 1,5 - 2 раза и достигает значения 80,7 кДж/моль, а температура начала дегидратации увеличивается на 10 °С и составляет 97,4 °С для ПКМ, содержащего 1 мас.% ГН.

- Продемонстрировано, что зависимость относительного удлинения материалов от доли ГН носит экстремальный характер: максимальное значение имеют образцы с концентрацией гиалуроната натрия в реакционной смеси 0,05 мас.%, что на 25% больше по сравнению с ненаполненным гидрогелем. Введение минерального наполнителя в полимерную матрицу повышает модуль Юнга в 3 раза, предел прочности на порядок, а относительное удлинение уменьшается на 20% по сравнению с ненаполненными материалами.

Практическая и научная значимость работы

Разработан способ получения полимерных композиционных материалов на основе акрилового гидрогеля, модифицированного частицами бентонита и гиалуроната натрия для практического медицинского и косметологического применения. Показано, что введение ГН и бентонита в полимерную матрицу приводит к созданию материалов с улучшенными сорбционными и деформационно-прочностными характеристиками. Разработан новый полимерный влагопоглощающий композиционный материал, прошедший предварительные испытания и рекомендованный для использования в качестве базовой матрицы при производстве раневых повязок и косметических масок. Выпущена опытная партия раневых повязок на основе новых полимерных композиционных влагопоглощающих материалов, модифицированных ГН и минеральным

наполнителем.Практическая значимость части предлагаемых технических решений подтверждена актом испытаний.

Степень достоверности результатов

Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается применением стандартных методов испытаний, апробированных методик исследований, подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с использованием современных методов исследования (ИК- и УФ-спектроскопия, термические, оптические, физико-механические исследования), применением аттестованного испытательного оборудования, а также использованием математико-статистических методов обработки результатов.

Личный вклад автора в работу состоит в личном участии в формировании цели и задач исследования, в проведении экспериментов, теоретических расчетов и обработке и анализе полученных данных, а также в обобщении полученных результатов в виде публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на VII международной научной конференции «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство», Казань, 2019; на международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования: Инновационный потенциал развития», Уфа, 2019; 19thInternationalMultidisciplinaryScientifïcGeoConferenceSurveyingGeologyand MiningEcologyManagement, Болгария, 2019; InternationalScientificConference "MaterialsScience: Composites, AlloysandMaterialsChemistry", Санкт-Петербург, 2019; на VII Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, 2018;

18thInternationalMultidisciplinaryScientifïcGeoConferenceSurveyingGeologyand MiningEcologyManagement, Болгария, 2018; на X международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2017», Санкт-Петербург, 2017; на международном симпозиуме "Химия для биологии, медицины, экологии и сельского хозяйства, Санкт-Петербург, 2015; На XII международной конференции «Спектроскопия координационных соединений», Туапсе, 2015.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных трудов, из которых 5 входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования, 3 публикации в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 268 страниц, включая библиографию из 122 наименований. Работа содержит 52 рисунка и 35таблицы, размещенных внутри глав.

II. Основное содержание работы

Во Введении и 1 главе говорится об актуальности проведенного исследования, определяется цель и задачи исследования, а также обосновывается научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов. В главе 1 проводится обзор практических и теоретических работ по теме исследования, рассмотрены основные методы получения акриловых гидрогелей и композитов на их основе, показано влияние наполнителей на эксплуатационные характеристики полимерных материалов, описаны методы характеризации исследуемых ПКМиз анализа зарубежной и отечественной литературы.

Вторая глава диссертации посвящена объектам и методам исследования.

Объектами исследования в настоящей работе являлись полимерные влагоудерживающиеПКМ на основе акриловых гидрогелей, модифицированные бентонитом и гиалуроновой кислотой при различных технологических и рецептурных параметрах (температуры реакции, соотношении компонентов реакционной смеси и т д.).

Акриловый ПКМ был получен на основе акриловой кислоты (АК) и акриламида (АА), соотношение АК:АА = 77:23 и К,№-метилен-бис-акриламида с концентрацией 0,001 - 0,3 мас.% к суммарной массе мономеровметодом свободно-радикальной полимеризации в водной среде при температуре 30 - 50 °С в течение 24 ч.

Концентрация бентонита в полимерной композиции варьировалась в пределах 1 ^20 мас.%, концентрация гиалуроновой кислоты составляла 0,01

мас.%. В качестве инициатора была выбрана окислительно-восстановительная система: персульфат аммония (ПСА) и тетраметилэтилендиамин (ТМЭД).

В качестве исходных веществ были использованы:

Гиалуронат натрия. 1) Гиалуронат натрия с ММ 1.0 - 1.8 МДа предоставлялся фирмой BloomageBiotech.

Акриловая кислота. 2) Акриловая кислота (АК), фирмы ЗАО "Вектон", хранилась при температуре 0 - 4 °С, перед процессом синтеза размораживалась и перегонялась.

Акрил амид

3) Акриламид (АА) предоставлен фирмой SigmaAldrigch.

N4/

О

О

О—О

О

о- мн4+

О Пероксодисульфат аммония 4) Пироксодисульфат аммония (ПСА) предоставлен ЗАО "Вектон".

5) Тетраметиленэтилендиамин (ТМЭД) N^3)2^2 - Ш2-^Ш3)2 ТМЭД предоставлен фирмой SigmaAldrigch.

6) ^№-метилен-бис-акриламид

CH2=CH-C0NН-CH2-NHC0-СH=CH2 (МБАА)

МБАА предоставлен фирмой SigmaAldrigch

7) Бентонит (фирма SigmaAldrigch) - природный гидроалюмосиликат, нетоксичный, главной компонентой которого является монтмориллонит, широко используемый в косметологии, фармакологии и т.п.

Строение бентонита представлено на рис. 2.1, тетраэдрическая сетка которого состоит из атома кремния и окружающих его четырёх атомов кислорода. Октаэдрическая сетка образована из шести атомов кислорода или гидроксильных групп. В центре октаэдра могут находиться атомы других металлов, например, магния, алюминия, титана и т.д.

О кислород © ОН • А1 Бе Мв

а) тетраэдрический слой, б) октаэдрический слой Рисунок 1 - Строение слоистых силикатных глин

8) Гидроксид натрия №ОН, ЗАО "Вектон".

9) Вода дистиллированная.

2.2 Препаративная технология получения акрилового гидрогелевого композита

1. Стадии получения влагопоглощающих полимерных композиций на основе акрилового гидрогеля и ГН

Лабораторная технология приготовления акрилового ПКМ, наполненного ГН и бентонитом, включает следующие стадии технологического процесса:

I. Вспомогательные стадии:

a. очистка исходных мономеров и реагентов;

Ь. приготовление 14 н водного раствора гидроксида натрия;

Раствор 14 н NaOH готовился непосредственно перед процессом синтеза. Концентрация NаOH была определена титрованием 0,1н раствора соляной кислоты в присутствии индикатора фенолфталеина.

а приготовление 2 %-го водного раствора ПСА;

В мерную колбу объемом 100 мл наливали 100 мл воды, затем в нее помещали навеску ПСА 2 г. При проведении синтеза гидрогелей использовали 4 мл полученного раствора.

d. приготовление 0,5 %-го водного раствора ТМЭД;

0,5 %-ный раствор ТМЭД готовился заранее - 1.38 г вещества было растворено в 100 мл воды

e. приготовление раствора гиалуроната натрия (может отсутствовать).

II. Основные стадии:

a. приготовление реакционной смеси;

Ь. полимеризация;

а отмывка полученного гидрогеля от остаточных мономеров (удаление золь-фракции);

d. сушка полученного акрилового гидрогелевого композита при температуре не более 40 °С.

Синтез акрилового гидрогелевого композита

Получение сшитых полимерных гидрогелевых композитов проводилось методом свободно-радикальной полимеризации в водной среде.

Для получения реакционной смеси сначала очищались исходные вещества и приготавливались растворы, затем готовилась реакционная смесь в следующей последовательности. Перегнанную и очищенную АК нейтрализовали 14 н гидроксидом натрия до степени нейтрализации кислоты равной 0,8. Далее добавлялись: окислительно-восстановительная система ПСА - ТМЭД, затем сшивающий агент МБАА заданной массы. К полученной реакционной смеси добавлялись: гиалуронат натрия и бентонит заданных концентраций. Гидрогелевые композиции синтезировались при постоянной температуре 30 - 50 °С.

Введение гиалуроната натрия проводилось двумя способами: первый -непосредственно в смесь мономеров, без предварительного набухания в дистиллированной воде и второй - с предварительным набуханием в течение 15 мин при непрерывном размешивании на магнитной мешалке. Затем полученный композит помещался в термостатируемый шкаф с заданной температурой и оставлялся там до полной полимеризации смеси.

Схематично стадии образования акриловых гидрогелевых композитов, модифицированных бентонитом и гиалуроновой кислотой, можно представить следующим образом:

Персульфат аммония часто используют как с, так и без восстановителей, для образования свободных радикалов, инициирующих полимеризацию:

Образование полимерной акриловой матрицы происходит по следующей схеме:

В результате чего образуется сшитый акриловый сополимер:

Нейтрализация гидроксидом натрия, а также введение бентонита и гиалуроната№ приводит к образованию композиции, см. рисунок 2:

а)

Бентонит Сшивающий агент МБАА

АК-со-ААм

Гиалуронат натрия

б)

Рисунок 2 - Схема образования взаимопроникающей сетки на основе акрилового гидрогеля и гиалуроната натрия

Во второй главе также представлены экспериментальные методы исследований и методики расчетов.

В третьей главе работы представлены и описаны результаты полученных экспериментальных исследований.

В ходе работы было исследовано влияние технологических и рецептурных факторов: стадий технологического процесса, температуры реакции и сушки, доли реагентов, концентрации бентонита и гиалуроната натрия на время начала гелеобразования (ВНГ) полимерного материала.

Влияние концентрации гиалуроната натрия на ВНГвлагоудерживающих минерал-содержащих ВПС представлено на рисунке 3.

22

5 20-

го ш о со ГО Ср

ю

о ф

с;

<и

го с; го т го

<и

Ср

со

18 ■

16-

14-

12 -

10-

8-

6-

4-

-■— Время начала гелеобразования, мин • Время начала гелеобразования гидрогеля без наполнения

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Концентрация гиалуроната Na в композите, масс.%

Рисунок 3 - Время начала гелеобразования для композита с различным содержанием гиалуроната натрия

Как видно из рисунка 3, при увеличении содержания ГН в композите в диапазоне концентраций 0,1-1 мас.%, время начала гелеобразования уменьшается в 2 - 4 раза, что объясняется увеличением соотношения констант скорости роста и обрыва цепи, обусловленного уменьшением электростатического отталкивания между растущими цепями полимера и функциональными группами ГН.

В области концентрации ГН менее 0,1 мас.% ВНГ увеличивается до 1,5 раз, что объясняется, резким увеличением вязкости реакционного раствора и уменьшением доли активных радикалов.

Совместное введение наполнителя - бентонита и ГН в реакционную смесь, в общем случае, приводит к увеличению ВНГ в 1,5 - 2 раза по сравнению с акриловым гидрогелем и создает сложную поверхность зависимости ВНГ от концентрации обоих исходных компонентов, что представлено на рисунке 4.

—1—|—1—|—1—|—I—|—1—г-

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Концентрация гиалуроната натрия, мас.%

а)

б)

Рисунок 4 - Зависимость ВНГ от концентрации бентонита и гиалуроната натрия в композите

Такую закономерность можно объяснить увеличением общей скорости полимеризации акриловых производных за счет снятия электростатического

отталкивания одноименно заряженных частиц растущего макрорадикала и мономера.

Поверхность полученных полимерных гидрогелевых материалов с различным наполнением представлены на рисунке 5. Как видно из рисунка 5 введение ГН приводит к получению более гладкой поверхности с меньшей долей дефектов.

К Л* л (Г !

Щш Ж ^'■ЖЁПЛ ^ я/- ' у/

20"0"йт

а) б)

*

200 ит

в)

а - без наполнения; б - с 0,1 мас.% ГН; в - с 0,1 мас.% ГН и 5 мас.% бентонита Рисунок 5 - Фотографии поверхности полимерных акриловых композитов

В ходе работы также были определены выход продукта, степень

конверсии мономеров и доля золь-фракции. Как видно из таблицы 1

совместное введение гиалуроната натрия и бентонита приводит к

22

уменьшению доли мономеров, образующих полимерную сетку и участвующих в формировании композита, а также доли золь-фракции в 1,5 -2,5 раза по сравнению с акриловым гидрогелем, полученным при тех же самых условиях.

Таблица 1 - Некоторые характеристики получения минерал-содержащей ВПС на основе акрилового гидрогеля и ГН. Концентрация бентонита составляет 5 мас.%.

№№ Концентрация ГН, мас.% Выход продукта, % Степень конверсии,% Доля золь-фракции, мас.%

1 0 85,4 89,0 22,2

2 0,01 81,3 84,6 18,4

3 0,03 81,9 85,3 17,8

4 0,05 82,4 85,5 17,1

5 0,1 91,7 93,4 8,3

6 0,24 89,7 90,3 10,3

7 0,5 90,7 90,1 9,0

8 1 90,0 91,5 9,8

Высушивание полимерных композиционных материалов на открытом воздухе или с использованием лиофильной сушки существенным образом сказывается на сорбционных и термических характеристиках влагопоглощающих композитов.

Как видно из таблицы 2 значения равновесной степени набухания в дистиллированной воде при 25 °С для композиционных полимерных образцов независимо от их состава уменьшаются на 20 - 40% для материалов подвергшихся лиофилизации,что объясняется уменьшением размеров пор материалов, см. рисунок 6.

Таблица 2 - Значения равновесной степени набухания образцов с и без лиофильной сушки

№№ Б : ГН Способ сушки Qравн, г/г

1 0:0 на воздухе 160

2 лиофилизованный образец 110

3 0 : 0,05 на воздухе 125

4 лиофилизованный образец 95

5 5 : 0,05 на воздухе 190

6 лиофилизованный образец 135

Размеры образующихся пор для гидрогелевых материалов без наполнения находятся в диапазоне 10 - 120 мкм; тогда как для полимерных композиционных материалов значения пор уменьшаются и находятся в пределах до 70 мкм.

а) б)

Рисунок 6 - Фотографии поверхности акриловых ПКМ после лиофилизации

В ходе работы также были изучены сорбционные характеристики влагопоглощающих ПКМ различного состава в дистиллированной воде, физиологическом растворе и в водном растворе человеческого сывороточного альбумина.

Полученные гидрогелевые материалы, модифицированные ГН, показали уменьшение сорбции дистиллированной воды по отношению к акриловому гидрогелю в среднем на 30 - 70%, при этом достижение равновесных степеней набухания изучаемых ПКМ осуществлялось в среднем за 4 - 5 ч, что значительно быстрее, чем для немодифицированных акриловых гидрогелей (время для которых составляет до 2 сут).

Некоторые сорбционные характеристики акриловых композитов, на основе ВПС: равновесная степень набухания (Отах) в дистиллированной воде при 25 °С, коэффициент диффузии Фика (п), характеризующий кинетический механизм диффузии; параметр сетки по Фику (к), связанный со структурой полимерной сетки, константа скорости набухания (к2) в зависимости от концентрации ГН и влагосодержания (у) представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Сорбционные характеристики композиционных гидрогелей на основе ВПС

№ п/п Концентрация ГН, мас. % п к к2, г(ммольмин)-1 Qmax, г/г У, %

1 0 0,76 0,012 3,210-5 155 32,17

2 0,01 0,68 0,024 1,7 10-4 125 41,44

3 0,03 0,56 0,065 4,0 10-4 130 39,63

4 0,05 0,75 0,018 2,5 10-4 150 37,48

5 0,1 0,70 0,025 5,7-10"4 135 46,95

6 0,5 0,73 0,017 1,2 10-4 125 40,67

7 1 0,66 0,025 2,2-10"4 120 41,21

Как следует из таблицы 3, увеличение концентрации ГН в составе гидрогелевых композитов приводит к существенному росту скорости набухания на начальной стадии процесса - константы скорости набухания по модели псевдовторого порядка для материалов, модифицированных

гиалуронатом натрия увеличиваются на порядок по сравнению с акриловым гидрогелем, полученным в тех же самых условиях.

При этом следует отметить повышенное значение влагосодержания акриловых ПКМ (37-47 %,), содержащих ГН, по сравнению с акриловыми гидрогелями, для которых влагосодержание в среднем составляет 25-35 %.

Поскольку значения п для композиционных акриловых гидрогелей, модифицированных ГН, находятся в интервале 0,5 <п< 1,0, то можно сказать, что скорость набухания образцов в дистиллированной воде контролируется как диффузией внешнего раствора, так и релаксацией полимерных сеток (аномальная диффузия).

Совместное введение ГН и бентонита в состав полимерной матрицы существенно влияет на сорбционные характеристики гидрогелевых композитов. Значения равновесной степени набухания при увеличении концентрации ГН в реакционной смеси при доли бентонита равной 0,05 проходят через максимум сорбционной емкости для материалов с концентрацией 0,1 мас.% гиалуроната натрия в композите и составляет 240 г/г.

Коэффициент диффузии воды (п) в гидрогелевые композиты, рассчитанный по закону Фика, имеет значения в пределах 0.5<п<1, т.е. скорости проникновения воды в композит и релаксации полимерных цепей примерно одинаковы.

Константа скорости сорбции воды (к2) для полимерных акриловых композитов, модифицированных и бентонитом и ГН, сначала повышается по мере увеличения содержания гиалуроната натрия до концентрации 0,1 мас.%, а затем уменьшается (таблица 4).

Таблица 4 - Некоторые сорбционные характеристики ВПС на основе акрилового гидрогеля и ГН

№№ Б:ГН, масс%:мас. % Коэффициент диффузии п Параметр сетки по Фикук Константа скорости набуханияк2, г^(ммоль^мин)-1 О», г/г %

1 5:0,01 0,82 0,004 1,0Е-05 200 42,1

2 5:0,05 0,79 0,009 2,4Е-05 190 40,8

3 5:0,1 0,91 0,002 5,5Е-06 240 41,1

4 5:0,25 0,82 0,006 3,1Е-05 130 40,6

5 5:0,5 0,79 0,006 2,0Е-05 110 41,0

На рисунке 7 приведены кинетические зависимости величин сорбции ЧСА от времени для полученных гидрогелевых композитов.

0,40 0,35 0,30

< 0,25

О

т

5 0,20

ю

о 0,15 О

0,10 0,05 0,00

1 2

3

4

—.—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Время, мин

1 - 0,05 мас.% ГН; 2 - акриловый гидрогель; 3 - 5 мас.% бентонита; 4 - 5 мас.% бентонита и 0,05 мас.% ГН. Рисунок 7 - Кинетические кривые сорбции ЧСА (г альбумина/г гидрогеля)

для наполненных акриловых ПКМ

Как видно из рисунка 7 видно, что большая часть альбумина (до 95%) сорбируется в первые 3-5 часов. Известно, что сорбция белка происходит за счет образования ионных связей между заряженными группами матрицы гидрогеля и концевыми амино- и карбоксильными граппами аминокислот, связывающих доменов альбумина.

Медленнее всех сорбция происходит акриловым ПКМ, наполненным 5 мас.% бентонита, т.к. меньшее количество заряженных групп гидрогелевой матрицы участвует в сорбции белка, поскольку часть групп связывается с поверхностью частиц бентонита(см. рис. 7).

Несколько меньшую скорость сорбции акриловых ПКМ, модифицированных 0,05 мас.% ГН, по сравнению с акриловым гидрогелем, можно объяснить уменьшением свободного пространства в гидрогелевом материале. Однако, сорбционная емкость его при этом увеличивается и демонстрирует самое высокое значение по альбумину в течение 24 часов за счет введения дополнительных заряженных карбоксилатных групп гиалуроната натрия в состав полимерной матрицы. Сорбция белка ПКМ достигает 0,35 г альбумина на 1 г гидрогелевого ПКМ, что на 40% больше, чем сорбция немодифицированного акрилового гидрогеля.

Для гидрогелевых композитов с сорбированным альбумином были получены ИК спектры поверхностей высушенных образцов гидрогелевых ПКМ, см. рисунок 8.

Значительное увеличение оптической плотности на волновых числах, соответствующих пику Амид 1 и Амид 2 и появление явного пика Амид А говорит о наличии значительного количества сорбированного белка на поверхности полимерного материала.

Волновое число, см-1

Рисунок 8 -ИК спектры акрилового ПКМ: 1 - до и 2 - после сорбции ЧСА

Кинетические характеристики процесса сорбции 1%-ного водного раствора альбумина полимерными акриловыми композитами:константа скорости и средняя скорость сорбции альбумина, а также параметр сетки по Фику (£), коэффициент диффузии Фика (п), равновесная степень набухания Оравн, количество сорбированного альбумина О, количество удержанного образцом ПКМ альбумина после проведения десорбции О^ет, представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Некоторые сорбционные характеристики акриловых ПКМ в 1%-ном растворе ЧСА

№ № [ГН] : [Б], мас%:мас. % Константа скорости сорбции, мл/(моль*с) Скорость сорбции, мл/мин Оравщ г/г О, г/г Оchem, г/г п к

1 0 : 0 5.63Е-05 0,40 125 0,25 0,06 0,53 2,50

2 0,05 : 0 9.91Е-05 0,38 100 0,35 0,12 0,73 2,40

3 0 : 5 2,64 Е-04 0,29 40 0,20 0,12 0,64 1,94

4 0,05:5 5,21Е-04 0,38 70 0,18 0,13 0,58 2,40

Как видно из таблицы 5 во всех случаях наблюдается аномальная диффузия сорбции ЧСА в ПКМ, поскольку значения п находятся в интервале 0,5 <п< 1,0.

Количество сорбированного альбумина в процессе набухания в растворе ЧСА наибольшее для акрилового ПКМ, модифицированного гиалуронатом натрия. Количество оставшегося в полимерном акриловом образце альбумина после проведения десорбции максимально для образцов, модифицированных гиалуронатом натрия и бентонитом, по сравнению с акриловым гидрогелем, для которого это значение в 2 раза меньше (0,07 г/г).

Термические характеристики ВПС на основе акрилового гидрогеля и ГН были исследованы методом ТГА. На рисунке 9 (а) представлены ТГА кривые акриловых гидрогелей без наполнения и ВПС на основе гелей с гиалуронатом натрия.

Температура, оС Температура, оС

Рисунок 9 - ТГ (а) и ДТГ кривые (б) гидрогеля на основе сополимера акриловой кислоты и акриламида (1), и гидрогелей с ВПС с различным содержанием гиалуроната натрия, мас.%: 0,01 (2), 0,05 (3), 0,25 (4) и 1 (5).

Как видно из рисунка 9, введение гиалуроната натрия в состав композиции влияет на термические характеристики полученных ВПС гидрогелевых композитов.

Деструкция полученного полимерного композита состоит из трех стадий деградации, см. рисунок 9-а. Первая ступень потери массы связана с процессом испарения растворителя - воды, содержащегося в композите. Вторая ступень связана с деструкцией акриламидных звеньев полимерной матрицы, которая начинается в области температур 215-220 °С и происходит с выделением аммиака, что вызвано имидизацией амидных групп. Далее, рост температуры приводит к ускорению деструкции акриламидных звеньев, как видно из графика на Рисунок 9 (б), где максимум потери массы на этой ступени достигается при 370 °С. На этой стадии происходит разрушение имидных групп, образовавшихся ранее, распад связей С-С скелетной цепи акриламидных звеньев и процессы декарбоксилирования звеньев акрилата натрия с выделением воды и углекислого газа.

Широкий пик потери массы в области температур 400-490 °С свидетельствует о закончившейся термоокислительной деструкции макроцепей гидрогеля и частичном разрушении карбоксилатных групп акрилата натрия.

Одной из важных параметров, характеризуемых температуры потери массы образца на 10% (Тю) и 50% (Т50). В таблице 6 представлены значения температур потери массы акриловых ПКМ, модифицированных ГН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Носенко Татьяна Николаевна, 2019 год

Литература

1. El-Sherbiny Ibrahim М., and Magdi Н. Yacoub. Ну-drogel Scaffolds for Tissue Engineering: Progress and Challenges // Global Cardiology Science & Practice. 2013. V. 3. P. 316-342. https://doi.org/10.5339/gcsp.2013.38

2. Freyman, Т., Yannas, I., Gbson, L Cellular materials as porous scaffolds for tissue engineering. // Prog.Mater. Sd. 2001.V.46. P. 273-282.

3. Santin M., Huang SJ.Jannace S.,Ambrosio L.,Nicolais L. and Peluso G. Synthesis and characterization of a new interpenetrated poly (2-hydroxyethylmethacrylate) - Gelatin composite polymer // Biomaterials. 1996. V. 17. P. 1459-1467.

4.Pulat M. and Eksi H. Determination of swelling behavior and morphological properties of poly(acrylamide-co-itaconicacid) and poly(acrylic add-co-itaconic acid) copolymeric hydrogels //Journal of Applied Polymer Sci-ence.2006. V.102. №6. P. 5994-5999.

5.Elvira C., Mano J.F., Roman J.S. and Reis R.L Starch-based biodegradable hydrogels with potential biomedical applications as drug delivery systems //Biomaterials, 2002.V.23(9), P. 1955-1966.

6. D'Amora U.,Ronca A. ,Raucd M.G., Lin H.,Soriente A., Fan Y.,Zhang X. and Ambrosio L Bioactive composites based on double network approach with tailored mechanical, physico-chemical, and biological features. // 3. Bio-med. Mater.Res. A. 2018. V. 106. P. 3079-3089.

7. Peppas N.A. Hydrogels in medicine and pharmacy: properties and applications. Boca raton (USA):CRC press, 2019. 208p.

8. Park K.,Sha!aby IV.S.W. and Park H. Biodegradable Hydrogels for Drug Delivery. Lancaster llSA):Technomlc, 1993. 262p.

9. Ratner B.D., Hoffman AS. Synthetic hydrogels for biomedical applications. Chapter 1 in book Hydrogels for Medical and Related Applications. Washington (USA): ACS Symposium Series; American Chemical Society, 1976. P. 1-36.

10. Sionkowska A. Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials // Prog.Polym. Sd. 2011. V. 36. P. 1254-1276

11. Giusti P., Lazzeri L andLelli L. Bioartifidal polymeric materials: A new method to design biomaterials by using both biological and synthetic polymers // Trends Polyme. Sd. 1993. V. 1. P. 261-267.

12. Cascone M.G Dynamic-mechanical properties of bioartifidal polymeric materials // Polym. Int. 1997. V.43. P.55-69.

13. Lederc £, Furukawa K.S., Miyata F, Sakai Y., Ushida T. and Fujii T. Fabrication of microstructures in photosensitive biodegradable polymers for tissue engineering applications // Biomaterials. 2004. V. 25. P. 46834690.

14. Gong IP. Why are double network hydrogels so tough // Soft Matter. 2010. V. 6. P. 2583-2590.

15. Wang W. and Wang A. Synthesis and swelling properties of pH-sensitive semi-IPN superabsorbent hydrogels based on sodium alginate-g-poly(sodium acrylate) and polyvinylpyrrolidone //Carbohydrate Polymer. 2010. V.80. P. 1028-1036.

16. El-Sherbiny I.M., Lins RJ„ Abdel-Bary EM. and Harding D.R.K. Preparation, characterization, swelling and in vitrodrug release behaviour of poly[N-acryloytglycine-chitosan] interpolymeric pH and thermally-responsive hydrogels //European Polymer Journal. 2005. V.41. P. 25842591.

65

17. Bae Y.H. and Kim S. W. Hydrogel delivery systems based on polymer blends, block copolymers, and interpenetrating networks // Advanced Drug Delivery Re-views.1993. V.U.P. 109-135.

18. Вильданова P.P., Сигаева H.H., Куковинец O.C., Володина В.П., Спирихин Л.В., Зайдуллин И.С., Колесов С.В. Модификация гмалуроновой кислоты и хитозана с целью создания гидрогелей для офтальмологии // Журн. прикл. химии. 2014. Т. 87. № 10. С. 1500-1511.

19. Сигаева Н.Н., Колесов С.В., Назаров П.В., Вильданова P.P. Химическая модификация гиалуроновой кислоты и ее применение в медицине // Вестник Баш-кирскогоуниверситета. 2012. Т. 17. №3. С. 1220-1241.

20. Байдакова М.В., Ситникова В.Е, Успенская М.В., Кременевская М.И., Соснина О.А., Лебедева Т.В. Методы синтеза и исследование свойств акриловых композитов на основе белкового наполнителя "биостим" // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2017.№4. С. 13-18.

21. Посыпайко В.И., Козырева Н.А., Логачева Ю.П. Химические методы анализа. М.: Высш.шк., 1989. 448 с.

22. Ситникова В.Е, Илич И., Гусев К.Г., Олехнович P.O., Успенская М.В. Кинетика коллапса композитов наоснове сополимера акриловой кислоты и акриламида, наполненного бентонитом в водных растворах поливалентных металлов//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и огттики. 2017. Т. 17. № 1. С. 39-45. doi: 10.17586/2226-14942017-17-1-39-45

23. Но Y.S., McKay G. Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood // Process Saf. Environ. Protect. 1998. V. 76B. P. 183-191.

24. Otekhnovich R.O., Sitnikova V.E., Chereneva S.V., Voikova К V., Be/ukhichev E V. Study of the kinetics of thermal degradation of polymer composites based on pol-yvlnytchloride film and biopolymer filler // 18th International Multidisdplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM-2018. June 30 - July 9 2018-Albena, Bulgaria. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2018. V. 18. No. 4.1. P. 651-658.

References

1. EI-Sherbiny Ibrahim M., and Magdi H. Yacoub. Hydrogel Scaffolds for Tissue Engineering: Progress and Challenges // Global Cardiology Science & Practice. 2013. V. 3. P. 316-342. https://doi.org/10.5339/gcsp.2013.38

2. Freyman, Т., Yannas, I., Qbson, L Cellular materials as porous scaffolds for tissue engineering. // Prog.Mater. Sti. 2001.V.46. P. 273-282.

3. Santm M., Huang SJ.,Iannace S.,Ambrosio L,Nicolais L and Peluso G. Synthesis and characterization of a new interpenetrated poly (2-hydroxyethylmethacrylate) - Gelatin composite polymer // Biomatenals. 1996. V. 17. P. 1459-1467.

4 .Pu/at M. and Eksi H. Determination of swelling behavior and morphological properties of poly(acrylamide-co-itaconicadd) and poly(acrylic add-co-itaconic acid) copolymer«: hydrogels //Journal of Applied Polymer Sa-ence.2006. V.102. №6. P. 5994-5999.

5.Elvira C., Mano J.F., Roman J.S. and Reis R.L. Starch-based biodegradable hydrogels with potential biomedical applications as drug delivery systems //Biomatenals, 2002,V.23(9), P. 1955-1966.

6. D'Amora U.,Ronca A. ,Raucci M.G., Lin H.,Soriente A., Fan Y.,Zhang X. and Ambrosio L. Bioactive composites

based on double network approach with tailored mechanical, physico-chemical, and biological features. // J. Bio-med. Mater.Res. A. 2018. V. 106. P. 3079-3089.

7. Peppas N.A. Hydrogels in medicine and pharmacy: properties and applications. Boca raton (USA):CRC press, 2019. 208p.

8. Park K.,Shalaby W.S.W. and Park H. Biodegradable Hydrogels for Drug Delivery. Lancas-ter(USA):Technomic, 1993. 262p.

9. Ratner B.D., Hoffman A.S. Synthetic hydrogels for biomedical applications. Chapter 1 in book Hydrogels for Medical and Related Applications. Washington (USA): ACS Symposium Series; American Chemical Society, 1976. P. 1-36.

10. Stonkowska A. Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials // Prog.Polym. Sa. 2011. V. 36. P. 1254-1276

11. Gusti P., Lazzeri L. andLelli L. Bioartifitial polymeric materials: A new method to design biomaterials by using both biological and synthetic polymers // Trends Polyme. Sa. 1993. V. 1. P. 261-267.

12. Cascone M.G Dynamic-mechanical properties of bioartifitial polymeric materials // Polym. Int. 1997. V.43. P.55-69.

13. Leclerc E, Furukawa K.S., Miyata F., Sakai Y., Ushida T. and Fujii T. Fabrication of mkrostructures in photosensitive biodegradable polymers for tissue engineering applications // Biomaterials. 2004. V. 25. P. 46834690.

14. Gong J.P. Why are double network hydrogels so tough // Soft Matter. 2010. V. 6. P. 2S83-2S90.

15. Wang W. and Wang A. Synthesis and swelling properties of pH-sensitive semi-IPN superabsorbent hydrogels based on sodium alginate-g-poly(sodium acrylate) and polyvinylpyrrolidone //Carbohydrate Polymer. 2010. V.80. P. 1028-1036.

16. El-Sherbiny I.M., Lins RJ„ Abdel-Bary EM. and Harding D.R.K. Preparation, characterization, swelling and in vitrodrug release behaviour of poly[N-acryloylglycine-chitosan] interpolymeric pH and thermally-responsive hydrogels //European Polymer Journal. 2005. V.41. P. 25842591.

17. Bae Y.H. and Kim S. W. Hydrogel delivery systems based on polymer blends, block copolymers, and interpenetrating networks // Advanced Drug Delivery Re-views.1993. V.U.P. 109-135.

18. VU'danova R. R., Sigaeva N.N., Kukovinets O. S., Votodina V. P., Spirikhin L.V., Zaidullin I.S., Kolesov S. ^Modification of hyaluronic acid and chitosan, aimed at developing hydrogels for ophthalmology // Russian Journal of Applied Chemistry. 2015. V. 87. №10. P.1S47-1557. D01:10.1134/S1070427214100231

19. Sigaeva N.N., Kolesov S. V., Nazarov P. V., VU'danova R.R. Himicheskaya modifikaciya gialuronovoj kisloty i ee primenenie v medicine I I Vestnik Bashkirskogouniversi-teta. 2012. T. 17. №3. S. 1220-1241.

20. Bajdakova M.V., Sitnikova V.E, Uspenskaya M.V., Kremenevskaya M.I., Sosnina O.A., Lebedeva T. V. Metody sinteza i issledovanie svojstv akrilovyh kompozitov na os-nove belkovogo napolnitelya "biostim" // Nauchnyj zhumal NIU ITMO. Seriya: Processy i apparaty plshchevyh pro-izvodstv. 2017.№4. S. 13-18.

21. Posypajko V.I., Kozyreva N.A., Logacheva YU.P. Himicheskie metody analiza. M.: Vyssh.shk., 1989. 448 s.

22. Sitnikova V.E, Ilich I., Gusev K.G., Otekhnovich R.O., Uspenskaya M.V. Kinetika kollapsa kompozitov na-osnove sopolimera akrilovoj kisloty i akrilamida, napolnerv

nogo bentonitom v vodnyh rastvorah polivalentnyh metal-lov//Nauchno-tekhnicheskij vestnik infbrmacionnyh tekhnologij, mekhaniki i optiki. 2017. T. 17. № 1. S. 3945. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-1-39-45

23. Ho Y.S., McKay G. Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood // Process Saf. Environ. Protect. 1998. V. 768. P. 183-191.

24. Olekhnovich R.O., Sitnikova V.E, Chereneva S.V., Volkova K.V., Belukhtchev E.V. Study of the kinetics of thermal degradation of polymer composites based on pol-yvinylchlonde film and biopolymer filler // 18th International Multidisciplinary Saentific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM-2018. June 30 - July 9 2018.AJbena, Bulgaria. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2018. V. 18. No. 4.1. P. 651-658.

УНИВЕРСИТЕТ ИТНО

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ июль-август 2019 Том 19 N»4 ISSN 2226-1494 http://ntv.ltmo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTCS July August 2019 Vol. 19 No 4 ISSN 2226-1494 http://ntv.itmo.ru/en/

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ. МЕХАНИКИ N ОПТИКИ

УДК 543.4/577.322

doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-586-593

СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА ВТОРИЧНОИ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ НА ОСНОВЕ ДЕКОНВОЛЮЦИИ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВ

Д.А. Усольцев, В.Е. Ситникова, Т.Н. Носенко, P.O. Олехнович, М.В. Успенская

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [e-mail] Информация о статье

Поступила в редакцию 29.04.19, принята к печати 29.05.19 Язык статьи — русский

Ссылка для цитирования: Усольцев Д.А., Ситникова В.К.. Носенко Т.Н., Олехнович P.O., Успенская М.В. Сравнение методик расчета вторичной струкгуры белков на основе деконволюции инфракрасных спектров // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 4. С. 586-593. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-586-593 Аннотации

Предмет исследования. Проведено сравнение двух различных спектроскопических методик количественного определения компонентов вторичной структуры двух глобулярных белков, имеющих разную вторичную структуру - человеческий сывороточный альбумин и свиной трипсин. Проанализирована вариативность и воспроизводимость каждой из методик. Метод. Вторичная структура белков определена с помощью двух распространенных спектроскопических методик количественной оценки вторичной структуры белков - деконволюции контура полосы поглощения амид 1 в инфракрасном спектре и деконволюция второй производной инфракрасного спектра в области частот амида I. Для данных методик использованы спектры после вычитания спектра растворителя из спектра раствора белка. Основные резульгаты. Сравнение двух спектроскопических методик показывает, что деконволюция второй производной инфракрасного спектра белков даст большую воспроизводимость по компонентам вторичной структуры при независимых ■экспериментах по сравнению с разложением спектра в диапазоне полосы поглощения амид 1 как для альбумина, так и для трипсина. Величина коэффициента вариации при деконволюции шорой производной также имеет малую величину, следовательно, метод второй производной дает более точное определение вторичной структуры белков в отличие от разложения контура полосы амид I. Полученные результаты деконволюции второй производной лучше согласуются с расчетными методами и рентгеноструктурным анализом. Практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты по сравнению с результатами разных методик количественного определения вторичной структуры белков позволяют выбрать наиболее точную методику расчета, которая, помимо оценки содержания белковых вторичных структур, также может предоставить информацию о структурной стабильности и динамике белка в различных средах. Ключевые слова

вторичная структура белков, альбумин, трипсин, ИК-спскгроскопия, вторая производная

doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-586-593

COMPARISON OF PROTEIN SECONDARY STRUCTURE CALCULATION METHODS BASED ON INFRARED SPECTRA DECONVOLUTION

D.A. Usoltsev, V.E. Sitnikova, T.N. Nosenko, R.O. Olekhnovich, IY1.V. Uspenskaya

ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [e-mail] Article info

Received 29.04.19, accepted 29.05.19 Article in Russian

For citation: Usoltsev D.A., Sitnikova V.E., Nosenko T.N., Olekhnovich R.O., Uspenskaya M.V. Comparison of protein secondary structure calculation methods based on infrared spectra deconvolution. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2019, vol. 19, no. 4, pp. 586-593 (in Russian), doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-586-593 Abstract

Subject of Research. The paper presents comparison of tw o different spectroscopic methods for the quantitative determination of the secondary structure components of two globular proteins with different secondary structure, such as human serum albumin and porcine trypsin. The variability and reproducibility of each method are analyzed. Method. The secondary structure of proteins was determined by two common spectroscopic methods for quantitative assessment of protein secondary structure, such as deconvolution of amide I absorption band in the infrared spectrum and deconvolution of infrared spectrum second derivative in

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2019, том 19, №4

586

the frequency range of amide I. We used spectra after subtraction of the solvent spectrum from the protein solution spectrum for these methods. Main Results. Comparison of two spectroscopic methods shows that the second derivative deconvolution method for protein infrared spectrum provides greater reproducibility of the secondary structure components in independent experiments compared to the decomposition of the spectrum in the amide 1 absorption band for both albumin and trypsin. The coefficient of variation in the second derivative deconvolution also has a small value, therefore, the method of the second derivative gives a more accurate determination of the protein secondary structure as opposed to the contour decomposition of amide I band. The obtained results of the second derivative deconvolution arc in better agreement with computational methods and X-ray analysis. Practical Relevance. Experimental results obtained by comparison of different methods of secondary structure quantitative determination for proteins allow choosing the most accurate calculation method, which can provide information on the structural stability and dynamics of protein in various media and assess the content of protein secondary structures. Keywords

protein secondary structure, albumin, trypsin. IR spectroscopy, second derivative

Введение

Конечная цель структурных исследований белков заключается в том, чтобы получить представление о трехмерной структуре белка на уровне высокого разрешения. Это часто может быть достигнуто применением таких методов, как рентгеноструктурный анализ или многомерная спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Однако исследования белков с высоким разрешением не всегда возможны. Например, в кристаллографических исследованиях требуются высококачественные монокристаллы, которые для многих белков (например, подавляющее большинство мембранных белков) недоступны. ЯМР-спектроскопия предлагает большую гибкость в изучении структуры белка в «биологически релевантных» средах. Однако интерпретация ЯМР-спектров крупных белков очень сложна, и в настоящее время методика ограничена небольшими белками [1J.

Практические ограничения, возникающие при структурных исследованиях белков с высоким разрешением, стимулнруровали исследования в разработке и совершенствовании спектроскопических методов с низким разрешением (например, спектроскопия кругового дихроизма, различные виды колебательной спектроскопии), которые обеспечивают глобальное понимание общей вторичной структуры белков, не имея возможности установить точное трехмерное расположение отдельных структурных элементов. Одним из таких методов является инфракрасная спектроскопия (ИК) с преобразованием Фурье (ИК-Фурье спектроскопия).

Одним из особых преимуществ ИК-спектроскопии является его легкость и быстрота получения высококачественных спектров на основе анализа очень малых количеств белков (около 100 мкг). Кроме того, ИК-спектроскопия позволяет исследовать белки в различных средах, включая оптически мутные среды. Это делает метод подходящим для исследования структуры мембранных белков, а также белковых комплексов, т.е. систем, которые трудно изучать с помощью других спектроскопических методов.

Инфракрасные спектры белков и полипептидов демонстрируют ряд так называемых амидных полос, которые соответствуют различным колебаниям пептидного фрагмента. Из всех амидных мод пептидной группы наиболее широко используемым в исследованиях вторичной структуры белка является амид I, находящийся в диапазоне 1700-1580 ем-1. Он соответствует валентным колебаниям связи С=0 пептидной группы [2]. Основными факторами, ответственными за конформационную чувствительность амидных полое, являются водородная связь и связь между переходными диполями [3]. Переходная дипольная связь приводит к расщеплению колебания амида I. Величина этого расщепления зависит от ориентации и расстояния взаимодействующих диполей и, таким образом, обеспечивает информацию о геометрических расположениях пептидных групп в полипептидной цепи. Белки обычно складываются в сложные трехмерные структуры, которые состоят из множества доменов, содержащих полипептидные сегменты, сложенные в различные типы вторичной структуры. Так как в каждой из этих коиформаций связь С=0 имеет собственную частоту колебания, наблюдаемые контуры полосы амида 1 представляют собой полосы сложного состава: они состоят из множества перекрывающихся компонентов, которые представляют собой различные структурные элементы, такие как а-спирали, (i-лиеты, повороты и неупорядоченные или нерегулярные структуры. Основная трудность, возникающая при анализе составного контура полосы, возникает из-за того, что ширина полос составляющих компонентов больше, чем расстояние между максимумами соседних пиков. Как следствие, отдельные составляющие полосы не могут быть разделены и (или) идентифицированы в широких контурах экспериментально измеренных спектров, а извлечение структурной информации, закодированной в этих инфракрасных полосах, требует математической обработки экспериментальных данных. Методы, используемые в настоящее время для анализа инфракрасных спектров белков, можно разделить на две категории: те, которые основаны на сужении зон и разложении полосы амида I на его базовые компоненты (иногда называемые «основанными на частоте» подходах) [4, 5] и основанные на принципе «распознавания образов» [6].

Широко используемый подход для извлечения информации о вторичной структуре белка из ИК-спектров связан с вычислительной процедурой фурье-само-декоиволюции. Эта процедура, иногда называемая «усилением разрешения», уменьшает ширину инфракрасных полос, что позволяет увеличить разделение

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2019, том 19, №4 587

и, следовательно, лучше идентифицировать перекрывающиеся полосы компонентов, находящихся в составном контуре полосы [4, 7]. Увеличение разделения перекрывающихся полос также может быть достигнуто путем вычисления п-й производной спектра поглощения [5].

Для извлечения количественной информации о вторичной структуре белка в анализе, основанном на усилении разрешения, была предложена процедура [8], которая включает подгонку контура амид I в виде линейной комбинации отдельных полос компонентов путем итеративной регулировки высот, ширины и положения этих полос. Предполагалось, что данные отдельные полосы, соответствующие разным типам вторичной структуры (а-спирали, р-листы, повороты и нерегулярные структуры), представляют собой проценты этих структур в данном белке. Утверждается, что эта процедура обеспечивает высокоточные оценки вторичиой структуры белка и была принята с различными модификациями другими исследователями [9, 10]. В настоящее время наиболее распространенными методиками количественной оценки вторичной структуры являются деконволюция контура полосы поглощения амид I и деконволюция второй производной спектра в области частот амида I.

Однако противоречивые данные о вторичной структуре белка, получаемые методом ИК-спектро-скопии, вынуждают еще раз обратиться к теме сравнения результатов различных методик расчета вторичной структуры. Так, для хорошо изученного белка альбумина в литературе встречаются весьма разнящиеся данные о его вторичной структуре, полученные с помощью ИК-спектроскопии, в частности, количество а-спиралей в структуре альбумина по данным статей колеблется от 47 до 70 % [11-13]. Подобные разночтения касаются и других хорошо изученных белков [14].

В данной работе рассмотрены две методики расчета вторичной структуры белков: метод второй производной и метод деконволюции спектра. Целыо работы явилось сравнение двух исследуемых методик с результатами референсных методов расчета вторичной структуры белков.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования в данной работе выбраны человеческий сывороточный альбумин (ЧСА) (аптечная форма 20 % р-р) и трипсин свиной. Первый имеет преимущественно спиральную вторичную структуру, второй имеет в своем составе преимущественно Р-листы. С помощью ИК-спектроскопии исследовалась нативная структура белков в растворе. Было проведено по три независимых измерения для каждого белка. При проведении независимого измерения каждый раз отбиралось 5 мкл раствора и проводилась запись ИК-спектра.

Для регистрации спектров поглощения в среднем ИК-диапазоне использовали ИК-фурье спектрометр Tensor 37 фирмы Bruker с приставкой нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) (кристалл ZnSe с алмазным покрытием). Спектры каждого образца регистрировали с разрешением 2 см-1 и усредняли по 32 накоплениям. Из полученных спектров поглощения вычитали спектр физиологического раствора, подбирая коэффициент вычитания таким образом, чтобы добиться ровной базовой линии в области 2200-2000 см 1.

С помощью приставки НПВО регистрируют ИК-спектры нарушенного полного внутреннего отражения в относительных единицах НПВО, НПВО = АВ * Л71000, где X—длина волны, а АВ = log(77?), где А В — поглощение, TR — пропускание.

Деконволюция пика амид I и второй производной этого пика производилась в программе OriginPro 2015. Спектр вычитания обрабатывался с помощью процедуры фурье-сглаживания. Все вторые производные ИК-спсктров умножены на -1 для удобства разложения.

Методики деконволюции контура полосы поглощения амид I и деконволюции второй производной спектра в области частот амида I подробно описаны в работах [1, 8].

Качество процедуры деконволюции оценивалось с помощью средних значений, стандартных отклонений и коэффициента вариации, который оценивает отклонение членов выборки от среднего значения в процентах от величины среднего значения.

Результаты и обсуждение

Вторичная структура ЧСА и трипсина изучена методами кругового дихроизма и рентгеноструктурно-14) анализа [15, 16]. Данные о вторичной структуре исследуемых белков, полученные с помощью различных методов, представлены в табл. 1. Эти данные будут использоваться как референсные значения для оценки ИК-спектроскопических методик. Так как все эти методы сходятся в основном в значении спиральных структур, результаты спектроскопических методик будут сравниваться со значением спиральных структур в референсных методах.

На рис. 1 представлены ИК-спектр и вторая производная (рис. 1, а) человеческого сывороточного альбумина и приведены примеры процедуры деконволюции ИК-спектра (рис. 1, б) и второй производной (рис. 1, в) в диапазоне пика амид I для данного белка.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 588 2019, том 19, №4

При анализе второй производной коэффициент вариации (коэф. вар.) меньше, т. с. разброс выборки в случае второй производной меньше. Следовательно, вторая производная даст более однозначную картину содержания вторичных структур в альбумине (табл. 2).

Таблица 2. Деконволюция второй производной и спектра ЧСА в области амид I для трех независимых экспериментов

№ образца Межмолекулярные р-листы, % Р-повороты.% а-спирали, % Неориентированные структуры, % Р-листы,%

Деконволюция [порой производной

1 4,29 14,92 67,28 — 13,46

2 2,42 15,00 72,05 — 10,49

3 3,55 15,79 69,19 — 11,43

Ср. знач. 3,42 ± 1,40 15,23 ±0,71 69,50 ± 2,24 — 11,79±3,57

Станд. откл. 0,94 0,48 2,40 — 1,51

Коэф. вар., % 27,53 3,15 3,45 — 12,87

Деконволюция спекгра

1 9,81 14,89 50,40 — 24,87

2 7,59 14,02 52,59 — 26,46

3 9,43 12,32 57,74 — 20,48

Ср. знач. 8,94 ± 1,75 13,74 ± 1,93 53,57 ± 4,60 23,93 ± 5,60

Станд. откл. 1.18 1.30 3,76 — 3,09

Коэф. вар., % 13,27 9,51 7,03 12,93

При рассмотрении двух выборок данных анализа вторичной структуры по второй производной и данных вторичной структуры по ИК-спектру альбумина можно провести сравнение двух выборок между собой при помощи парного критерия Стыодента. Для уровня а = 0,01 и степеней свободы 4 получили статистически значимые различия в величине средних значений содержания а-спиралей, Р-листов во вторичной структуре альбумина при анализе ИК-спектральных данных и второй производной. Сравнивая полученные результаты с референсными данными (табл. 1), можно сделать вывод о том, что деконволюция второй производной приводит к более однозначным результатам оценки содержания компонентов вторичной структуры в альбумине.

Тот же самый эксперимент был проведен с трипсином, который представляет собой преимущественно Р-листовой белок (рис. 2).

1700 1680 1660 1640 1620 1600 1700 1680 1660 1640 1620

Волновое число, см 1 Волновое число, см-1

Рис. 2. Разложение инфракрасного спектра спектра в области амида I трипсина (а) и второй производной (б)

Сравнение результатов деконволюции спектра и второй производной в табл. 3 показывает, что метод разложения второй производной дает большую воспроизводимость по компонентам вторичной структуры при независимых экспериментах по сравнению с разложением спектра в диапазоне полосы поглощения амид 1 как для альбумина, так и для трипсина.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 590 2019, том 19, №4

Таблица 3. Деконволюции второй производной и спектра в области амида I трипсина для трех независимых экспериментов

№ образна Межмолекулярный Р-лист, % (1-повороты, % а-спирали, % Неориентированные структуры, % р-ЛИСТЫ, %

Деконволюция второй производной

I 8,20 25,42 16,39 12,64 37,32

2 7,34 26,38 12.33 14.00 39,92

3 11,08 29,16 11,51 9,49 38,74

Ср. знач. 8,88 ± 2,91 26,99 ± 2,89 13,41 ± 3,89 12,04 ±3,44 38,66 ± 1,93

Станд. откл. 1,95 1,94 2,61 2,31 1,29

Коэф. вар.. % 22,03 7,18 19,49 19,22 3,35

Деконволюция спек-гра

I 15,27 18,80 19,68 26,17 20,06

2 4,51 51,64 0,00 2,38 41,44

3 12,47 24,86 7,63 24,57 30.45

Ср. знач. 10,75 ±8,31 31,77 ±26,03 9,10 ± 14,78 17,71 ± 19,80 30,65 ± 15,92

Станд. откл. 5,58 17,47 9,92 13,29 10,69

Коэф. вар., % 51,91 55,01 108,97 75,06 34,88

При сравнении двух выборок данных анализа вторичной структуры по второй производной и данных вторичной структуры по ИК-спектру трипсина статистически значимых различий не обнаружено. Разброс значений содержания рассматриваемых белковых структур при анализе данных по ИК-спектру настолько значителен, что становится неприемлимым для последующей оценки, о чем говорит и коэффициент вариации (табл. 3). Рассчитанный доверительный интервал среднего значения компонентов вторичной структуры для деконволюции второй производной в несколько раз меньше, чем доверительный интервал для деконволюции ИК-спектра, что приводит к меньшему разбросу значений результатов.

Также была проведена деконволюция одного и того же ИК-спектра и его второй производной для трипсина при изменении положения максимума гауссовых кривых на 0,1 см 1. Были получены 6 вариантов деконволюции для самого ИК-спектра и 6 вариантов для второй производной (табл. 4, рис. 3).

Таблица 4. Деконволюция ИК-спектра второй производной 20 % по массе раствора нативного трипсина

в области амид I

Метод № варианта деконволюции а-спирали, % Р-ЛИСТЫ. % Неориентированные структуры, % Р-повороты, % Р-лист, %

Разложение спектра амид 1 1 7,63 30,45 24,57 24,86 12,47

2 0,13 8,02 67,32 14,40 10,10

3 7,48 32,26 23,52 25,13 11,58

4 0,16 9,85 59,92 17,94 12,11

5 11,52 35,50 14,18 26,44 12,33

6 11,10 50,27 6,00 24,79 7,82

Ср. знач. 6,34 27,73 32,58 22,26 11,07

Станд.откд. 5,08 16,15 25,08 4,88 1,81

Коэф. вар.. % 80,16 58,25 76,97 21,94 16,35

Разложение второй производной 1 11,51 38,74 9,49 29,16 11,08

2 11,50 38,51 9,47 29,45 11,04

3 11,51 38,71 9,50 29,11 11,15

4 11,52 38,57 9,50 29,38 11,00

5 11,53 38,65 9,48 29,49 10,82

6 11,51 38,79 9,51 28,98 11,19

Ср. знач. 11,51 38,66 9.49 29,26 11,05

Станд. откл. 0,01 0,10 0,01 0,20 0,12

Коэф. вар.. % 0,09 0,27 0.14 0,70 1,16

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2019, том 19, №4 591

partial least-squares methods // Biochemistry. 1990. V. 29. N 37. P. 8771-8779. doi: 10.1021bi00489a038

7. Сизиков B.C., Лавров А.В. Исследование погрешностей некоторых методов разделения перекрывающихся спектральных линий в условиях воздействия помех // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.

2017. Т. 17. №5. С. 879-889.

8. Byler М., Susi Н. Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra // Biopolymers. 1986. V. 25. N 3. P. 469-487. doi: 10.1002/bip.360250307

9. Surewicz W.K.. Mantsch H.H. New insight into protein secondary structure from rcsolution-cnhanccd infrared spcctra // Biochimica et Biophysica Acta. 1988. V. 952. P. 115-130. doi:

10. Goormaghtigh E., Cabiaux V., Ruysschacrt J.-M. Secondary structure and dosate of soluble and membrane proteins by attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectroscopy on hydrated films // European Journal of Biochemistry. 1990. V. 193. P. 409-420. doi: 10.111 l/j.l432-l033.1990.tbl9354.x

11. Gugliclmcllia A., Rizzutib В., Guzzi R. Stereoselective and domain-specific effects of ibuprofen on the thermal stability of human serum albumin // European Journal of Pharmaceutical Sciences.

2018. V. 112. P. 122-131. doi: I0.1016/j.ejps.2017.11.013

12. Ge Y.-S., Jin Ch., Song Z., Zhang J.-Q., Jiang F.-L., Liu Y. Multi-spectroscopic analysis and molecular modeling on the interaction of curcumin and its derivatives with human scrum albumin: A comparative study // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2014. V. 124. N 265. P. 265-276. doi: 10.1016/j .saa.2014.01.009

13. Ahmed M.H., Byrne J.A., McLaughlin J., Ahmed W. Study of human serum albumin adsorption and conformational change on DLC and silicon doped DLC using XPS and FTIR spectroscopy // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2013. V. 4. N 2. P. 194-203. doi: 10.4236(jbnb.2013.42024

14. Chanphai P.. Kreplak L„ Tajmir-Riahi H.A. Aggregation of trypsin and trypsin inhibitor by A1 cation // Journal of Photochemistry and Photobiology. B: Biology. 2017. V. 169. P. 7-12. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.02.018

15. Sugio S., Kashima A., Mochizuki S., Noda M., Kobayashi K. Crystal structure of human scrum albumin at 2.5 A resolution // Protein Engineering, Design and Selection. 1999. V. 12. N 6. P. 439-444. doi: 10.1093/protcin/12.6.439

16. Deepthi S., Johnson A., Pattabhi V. Structures of porcine bcta-trypsin-dctcrgent complexes: the stabilization of proteins through hydrophilic binding of polydocanol // Acta Crystallographica Scction D. 2000. V. 57. P. 1506-1512. doi: 10.1107/s0907444901011143

17. Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G„ Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The Protein data bank // Nucleic Acids Research. 2000. V. 28. P. 235-242. doi: 10.1093/nar/28. 1.235

18. Hcinig M., Frishman D. STRIDE: a web server for secondary structure assignment from known atomic coordinates of proteins // Nucleic Acids Research. 2004. V. 32. W500-W502. doi: 10,1093/nar/gkh429

Авторы

Усольцев Дмитрий Андреевич — студент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация. ORCID ID: 0000-0001 -8072-310Х, [e-mail] Сшникова Вера Евгеньевна — кандидат химических наук, тьютор. Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 55668895400, ORCID ID: 0000-0003-4753-976X, [e-mail] Носенко Татьяна Николаевна тьютор, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57190940294. ORCID ID: 0000-0003-4159-1ЗЗХ, [e-mail]

Олехнович Роман Олегович — кандидат технических наук, доцент, доцент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 56572767000, ORCID ID: 0000-0002-2717-7661, [e-mail] Успенская Майи Валерьевна — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, профессор. Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101. Российская Федерация, Scopus ID: 66021X9454, ORCID ID: 0000-0003-2510-2639, [e-mail]

partial least-squares methods. Biochemistry. 1990, vol. 29, no. 37, pp. 8771-8779. doi: 10.1021/bi00489a038

7. Sizikov V.S., Lavrov A.V. Study of errors of some methods for separating overlapped spectral lines under noise effect. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, vol. 17, no. 5, pp. 879-889 (in Russian), doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-879-889

8. Byler M.. Susi H. Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra. Biopolymers, 1986, vol. 25, no. 3, pp. 469-487. doi: 10.1002/bip.360250307

9. Surewicz W.K., Mantsch H.H. New insight into protein secondary structure from resolution-enhanced infrared spcctra. Biochimica el Biophysica Acta, 1988, vol. 952, pp. 115-130. doi:

10. Goormaghtigh E., Cabiaux V., Ruysschacrt J.-M. Secondary structure and dosate of soluble and membrane proteins by attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectroscopy on hydrated films. European Journal of Biochemistry, 1990, vol. 193, pp. 409-420. doi: 10.1111/j. 1432-1033.1990.tb 19354.x

11. Gugliclmcllia A., Rizzutib B., Guzzi R. Stereoselective and domain-specific effects of ibuprofen on the thermal stability of human serum albumin. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 2018, vol. 112, pp. 122-131. doi: 10.l016/j.ejps.2017.11.013

12. Ge Y.-S., Jin Ch., Song Z„ Zhang J.-Q., Jiang F.-L., Liu Y. Multi-spectroscopic analysis and molecular modeling on the interaction of curcumin and its derivatives with human scrum albumin: A comparative study. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014, vol. 124, no. 265, pp. 265-276. doi: 10.1016/j.saa.2014.0 i.009

13. Ahmed M.H., Byrne J.A., McLaughlin J., Ahmed W. Study of human serum albumin adsorption and conformational change on DLC and silicon doped DLC using XPS and FTIR spectroscopy. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2013, vol. 4, no. 2, pp. 194-203. doi: 10.4236/jbnb.2013.42024

14. Chanphai P.. Kreplak L., Tajmir-Riahi H.A. Aggregation of trypsin and trypsin inhibitor by A1 cation. Journal of Photochemistry and Photobiology. B. Biology, 2017. vol. 169, pp. 7-12. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.02.018

15. Sugio S., Kashima A., Mochizuki S., Noda M., Kobayashi K. Crystal structure of human scrum albumin at 2.5 A resolution. Pmtein Engineering, Design and Selection, 1999, vol. 12, no. 6, pp. 439-444. doi: 10.1093/protein/12.6.439

16. Deepthi S., Johnson A., Pattabhi V. Structures of porcine bcta-trypsin-dctcrgent complexes: the stabilization of proteins through hydrophilic binding of polydocanol. Acta Crystallographica Section D, 2000, vol. 57, pp. 1506-1512. doi: 10.1107/ s0907444901011143

17. Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G.. Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The Protein data bank. Nucleic Acids Research, 2000, vol. 28, pp. 235-242. doi: 10.1093/nar/28.1.235

18. Hcinig M., Frishman D. STRlDli: a web server for secondary structure assignment from known atomic coordinates of proteins. Nucleic Acids Research, 2004, vol. 32, W500-W502. doi: 10.1093/nar/gkh429

Authors

Dmitry A. Usoltsev — student, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0001 -8072-31 OX, [e-mail]

Vera E. Sitnikova — PhD, tutor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation. Scopus ID: 55668895400, ORCID ID: 0000-0003-4753-976X, [e-mail]

Tatiana N. Nosenko tutor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57190940294, ORCID ID: 0000-0003-4159-133X, [e-mail]

Roman O. Olekhnovich — PhD, Associate Professor, Associate Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 56572767000, ORCID ID: 0000-0002-2717-766, [e-mail] Mayya V. Uspenskaya — D.Sc., Full Professor, Head of Chair, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 6602189454. ORCID ID: 0000-0003-2510-2639, [e-mail]

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2019, том 19, №4

593

УДК 678.743.22

Kseniya V. Volkova1, Tatyana N. Nosenko2, Maya V. Uspenskaya3, Eugene V. Belukhichev4, Eugene V. Sivtsov8

STUDY OF THERMAL PROPERTIES OF POLYMER COMPOSITES ON THE BASE OF POLYVINYLCHLORIDE

ITMO University, Kronverksky Pr„ 49, St. Petersburg 197101, Russia

e-mail: [e-mail]

St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia

The results of thermomechanical studies of PVC-based composites filled with bentonite are presented. The influence of the filler on the deformability of the material in various physical states is considered. The effect of the mixing time of a polymer matrix with the filler on the thermal characteristics of the composites is shown. The change in the structure of the polymer composite under the influence of heat treatment was studied using IR spectroscopy. Primary tests of the composites on biodegradability were carried out.

Keyword: PVC, bentonite, thermomechanical analysis, biodegradation

K.B. Волкова1, Т.Н.Носенко2, M.B. Успенская3, E.B. Белухичев4, E.B. Сивцов5

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕРМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ

ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49, Санкт-Петербург 197101, Россия e-mail: [e-mail]

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия

Приведены результаты термомеханических исследований композитов на основе ПВХ, наполненных бентонитом. Рассмотрено влияние наполнителя на деформируемость материала в различных физических состояниях. Показано влияние на термические характеристики композитов времени смешения полимерной матрицы с наполнителем. Методом ИК спектроскопии изучено изменение структуры полимерного композита под действием термообработки. Проведены первичные испытания композитов на биодеградируемость.

Ключевые слова: ПВХ, бентонит, термомеханический анализ, биодеградация

DOI 10.15217/issn 1998984-9.2017.40.55

Введение

В современном мире использование полимеров воспринимается как само собой разумеющееся. Характеристики многих искусственно синтезированных пластиков близки или даже превышают показатели природных материалов [1]. В то же время немногие из нас задумываются о том, какое экологическое и климатическое состояние планеты останется после нас последующим поколениям. Евразийская экономическая комиссия в 2015 году проводила исследование, в котором оценивалось текущее состояние и развитие отрасли полимеров среди стран Евразийского экономического союза [2]. В результате было выяснено, что самыми популярными полимерами являются полипропилен, полиэтилен и поливинилхлорид (ПВХ). В основном они применяются в упаковке и строительстве [3].

Согласно данным источника [4] около 10 % твердых бытовых отходов составляют полимерные материалы. Причем до 40 % от общей массы используемых полимеров приходится на долю упаковочных пленок из полипропилена, ПВХ, полиэтилена низкой плотности, полиэтилентерефталата [5]. В современном мире материалы на основе ПВХ рассматриваются как

перспективные, уже зарекомендовавшие себя многообразием применения и дешевизной производства.

ПВХ - это прозрачный, термопластический полимер, наиболее широко применяемый во всем мире [6, 7] благодаря таким его физическим характеристикам, как химическая устойчивость, трудновоспламеняемость и относительная безвредность для человека по сравнению с другими материалами. На сегодняшний день ПВХ-мате-риалы прочно вошли в нашу жизнь и облегчили многие ее функции, однако трудность биологического разложения и необходимость специальной утилизации тормозят развитие данного полимера [8].

Можно выделить несколько способов утилизации твердых бытовых отходов (ТБО): сжигание, захоронение и переработка. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Сжигание отходов быстрый и нетрудоемкий процесс, однако главным его недостатком является трудность очистки выходящих в атмосферу газов от вредных примесей, особенно от диоксинов и оксидов азота [9]. Кроме того, в процессе сгорания ТБО, наряду с дымовыми газами образуются еще два вида отходов: шлак и зола. Поэтому еще одной проблемой при эксплуатации мусоросжигательных заводов является избавление от токсичных золы и шлака, масса которых составляет

1 Волкова Ксения Васильевна, ассисент каф. информационных технологий топливно-энергетического комплекса, аспирант, Университет ИТМО e-mail:

Volkova [e-mail]

Kseniya V. Volkova, assistant of the department of IT of the fuel and energy complex, a graduate student, ITMO university ? Носенко Татьяна Николаевна, Тьютор каф. информационных технологий топливно-энергетического комплекса „ аспирант, Университет ИТМО, e-mail: Tata-nostra@yandex ru

Tatyana N. Nosenko, tutor of the department of IT of the fuel and energy complex, a graduate student, ITMO university

3 Успенская Майя Валерьевна, д-р техн. наук, профессор, зав.кафедрой ИТТЭК, Университет ИТМО, e-mail: [e-mail] Maya V. Uspenskaya, Dr Sci, (Chem.), Professor, Head of the department of IT of the fuel and energy complex, ITMO university

4 Белухичев Евгений Валентинович, нач. исследовательского отд «Клёкнер Пентапласт Рус», e-mail: [e-mail]

Eugene V. Beluhichev, head of the research department of the company «Klockner Pentaplast Rus», e-mail: [e-mail]

,J Сивцов Евгений Викторович, д-р хим. наук, профессор каф. физической химии, СП6ГТИ(ТУ), e-mail: [e-mail]

EvgenyV.Sivtsov, Dr Sci. (Chem.), Professor, Department of Physical Chemistry, SPbSIT(TU), e-mail: [e-mail]

Дата поступления - 8 сентября 2017 года

до 30% сухой массы ТБО [10]. Вторичная переработка (или рециклинг) - основное направление, в котором сейчас происходит развитие утилизации полимерных отходов. Продукты из переработанного полимерного сырья часто не уступают по качеству своим аналогам. Однако у этого способа утилизации также имеются свои недостатки. Основная проблема вторичной переработки заключается в неразвитости рынка реализации изделий из отходов, а также в отсутствии в России налаженного селективного сбора отходов. Глобальное внедрение сортировки и переработки полимеров требует и социальной работы с населениями городов, с целью повышения их экологической грамотности [11]. Вообще вторичная переработка материалов наиболее выгодна с технической и экономической точки зрения, но она часто невозможна на практике, т.к. отходы пластмасс содержат примеси других полимеров, а пластмассы разных видов должны быть чистыми от посторонних включений [12]. На данный момент в России активно реализуется захоронение отходов. Основная масса ТБО вывозится на свалки и полигоны, которые занимают больше 40 тысяч га земли по всей стране. Еще около 50 тыс. га составляет площадь заполненных свалок и полигонов. Таким образом, большинство полигонов на данный момент представляет собой эпидемиологическую опасность, они нарушают природный ландшафт, загрязняют почву и воду, атмосферу [13]. А так как захоронение пока наиболее используемый способ утилизации полимерных отходов, то становится актуальным создание биоразлагаемых материалов.

Существует несколько факторов, влияющих на биоразложение: условия окружающей среды, строение полимера, наличие ферментов, которые могут участвовать в процессе биоразложения. Выяснено, что в основе данного процесса лежат два типа химических реакций: окисление и гидролиз. Причем эти стадии могут протекать как вместе, так и последовательно. Полимеры, полученные реакцией конденсации (полиамиды, полиэфиры и другие) разлагаются посредством гидролиза, в то время как полимеры, содержащие в главной цепи только атомы углерода, деградируют в результате окисления и последующего гидролиза продуктов окисления. Укорочение и разрушение полимерных цепочек служит стартом для дальнейшей полной деструкции полимера, потере его механических свойств. Последующее окончательное разрушение вещества осуществляется в природе с помощью биотических (микроорганизмы) и абиотических (свет, вода и тепло) факторов [12, 13].

Суммируя все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что разработка и исследование материалов на основе ПВХ с наполнителями, которые не ухудшают эксплуатационные свойства и одновременно способствуют разложению в почве, являются перспективным направлением в науке и технологии полимерных материалов. Бентонит может являться таким наполнителем. К сожалению, работ по исследованию бентонита в качестве наполнителя для ПВХ крайне мало [14, 15]. Введение наполнителей неизбежно сказывается на физико-механических характеристиках полимерных композитов и их термостабильности, что особенно важно в случае ПВХ, для которого характерна особая подверженность термоокислительной деградации. Поэтому целью настоящей работы явилось изучение термического поведения образцов ПВХ, наполненных бентонитом, и возможности их биодеградации. Для этого необходимо было выбрать способ и получить композиты, содержащие бентонит; выяснить влияние на свойства композита времени смешения полимерной матрицы с наполнителем; изучить особенности деформационного поведения композитов и его зависимости от степени наполнения; исследовать влияние на структуру полимера термообработки и провести первичные эксперименты по выяснению способности полученных композитов к биодеградации.

Экспериментальная часть

Объектами исследования в данной работе являются композиции на основе суспензионного ПВХ, наполненные минеральным наполнителем бентонитом производства Sigma-Aldrich в количестве 1, 5 и 10 мае. %. Кроме того, в полимерную матрицу входят добавочные компоненты для стабилизации и пластификации ПВХ (оловоорганический термостабилизатор и модификатор в соотношениях, характерных для коммерческих ПВХ композиций, используемых для производства пленок методом каландрования). Сухую смесь всех перечисленных компонентов перемешивали на механической лопастной мешалке при скорости вращения 6000 об/мин в течение 5 мин при температуре 40 °С. Полимерные пленки были получены путём вальцевания при температуре 165 °С при различном времени обработки на вальцах: 2, 5 и 10 мин. Толщина образцов варьируется, но в среднем составляет 350 микрон.

Термический анализ проводили на анализаторе ТМА 402 F1 Hyperion, фирмы NETZSCH, Германия в режиме растяжения. Размер образцов 2x2 мм. Условия анализа: скорость нагрева 1 °/мин, статическое усилие 0,5-1 Н. Обработка полученных экспериментальных данных велась с помощью программного обеспечения NETZSCH Proteus® Software для термического анализа.

Исследование химической структуры полимерных композитных пленок проводилось методом ИК-Фу-рье спектроскопии. ИК-спектры образцов полимерных композитов регистрировали на спектрометре Tensor 37, фирмы Bruker, Германия, с помощью приставки НПВО MIRacleTMPikeTechnologies, оснащенной кристаллом ZnSe с алмазным напылением. Измерения проводились со спектральным разрешением 2 см'1, с усреднением по 32 сканированиям. Для записи и обработки спектров использовалась программа OPUS, версия 7.02 (Bruker).

Для анализа изменения механических свойств образцов ПВХ, наполненных бентонитом, вследствие их взаимодействия с тестовыми микроорганизмами готовилось необходимое количество инкубационных пробирок, каждая из которых изначально содержала по 0.4 мл бактериальной закваски (в качестве которой использовалась молочная суспензия, содержащая не менее 107 КОЕ/мл Lactobacillus bulgaricus 298, что удостоверялось по стандарту мутности). Далее в пробирки добавлялось 2 мл стерильного молока, содержащего 1.8 % жира и 1.5 мл дистиллированной воды.

Затем в приготовленные пробирки опускались образцы, для которых предварительно с помощью теста на прокалывание на анализаторе текстур «TA.XTplus» определялись исходные прочностные характеристики.

Далее все пробирки ставились в жидкостной термостат «LOIP LT-117b» и в течение следующих 3-х суток инкубировались в нём при температуре 40±0,1°С. После чего образцы полимерных композитов доставались из инкубационных пробирок, очищались от остатков питательной среды и микроорганизмов и снова подвергались анализу прочностных характеристик с помощью текстуро-мера «TA.XTplus».

Результаты и их обсуждение

ТМА анализ полимеров и композитов на их основе дает ценную информацию об их термическом поведении, которое, в свою очередь, определяет режим переработки пластика в изделие и область рабочих температур, в которой функционирование изделия возможно и эффективно. Сама по себе величина деформации, определяемая в ТМА эксперименте хотя и показательна, но мало информативна из-за того, что представляет собой сложную суперпозицию различных явлений: деформируемости под действием внешней приложенной силы, деформируемости, вызванной конформационными перестройками, теплового расширения материала. Эти факторы, кроме того, зависят от физического состояния, в котором нахо-

дится полимер и, естественно, меняются при нагревании в ходе эксперимента. Это подтверждается видом ТМА кривых, приведенных на рисунках 1 и 2. «Классический» вид имеют только кривые, полученные на образцах ПВХ, содержащих 5 и 10 % бентонита и приготовленных смешением полимера с наполнителем в течение 10 мин. Для него характерны три типичные области скорости изменения деформации: медленный рост деформации в области ниже температуры стеклования (Тд), переходная зона и участок быстрого деформирования при температурах выше Т9. Во всех остальных случаях идентичным остается только первый участок ТМА кривых. При переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние наблюдаются скачки деформации, нарушается плавность хода кривых, а в ряде случаев меняется скорость изменения деформации в области высокоэластического состояния. Это все проявление описанных выше сложных процессов, происходящих в материале при нагревании.

Рисунок 1. Зависимость относительной деформации от температуры образцов, содержащих различное количество наполнителяи и приготовлнных смешением полимера и наполнителч в течение 10 минут

Температура. °С

Рисунок 2. Зависимость относительной деформации от температуры ПВХ без наполнителя и композитов на основе ПВХ, содержащих 5 % бентонита, полученных смешением компонентов на валках в течение 2, 5 и 10 мин

Различие в термическом поведении образцов, в разной степени наполненных бентонитом, исследовали по величине температуры начала размягченияТ,, которая фактически соответствует Т„. На рисунке 1 представлены ТМА кривые композиций, полученных смешением полимерной матрицы и наполнителя в течение 10 мин, содержащих от 0 до 15 % бентонита. Видно, что наполнитель оказывает заметное влияние на деформируемость образцов в области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние. На рисунке 3 представлена зависимость Т5 от степени наполнения, из которой видно, что увеличение содержания бентонита приводит к повышению Т5. По-видимому, бентонит, взаимодействуя с полимерной матрицей, приводит к понижению сегментальной подвижности, что приводит к сдвигу Т5 в область более высоких температур.

эс

. 86 I-

85 84

В случае полимерных композитов, особенно на основе ПВХ, на их свойства часто влияют способ и режим смешения компонентов. В данной работе было изучено влияние продолжительности смешения полимерной матрицы с наполнителем на термическое поведение образцов. На рисунке 2 приведены ТМА кривые образцов, содержащих 5 % бентонита, приготовленные смешением в течение 2, 5 и 10 мин. Интересно отметить, что по мере увеличения времени смешения вид кривых ТМА приближается к зависимости, характерной для ненаполненного ПВХ. При этом совершенно явно наблюдается сужение области температур, при которых полимер находится в высокоэластическом состоянии. Максимально осложненным является вид ТМА образца со временем смешения 2 мины. Это косвенно свидетельствует о неоднородности внутренней структуры такого композита и широком спектре взаимодействий полимерной матрицы с наполнителем. Например, адсорбция полимерных цепей на поверхности наполнителя приводит к их иммобилизации и уменьшению сегментальной подвижности, для реализации которой потребуется большее темпловой воздействие, чем для не адсорбированных молекул. Чем выше набор таких различающихся по энергии взаимодействий полимера с наполнителем, тем в большем диапазоне температур будет происходить расстекло-вывание полимера. По мере возрастания однородности композиции при увеличении времени перемешивания вид кривых ТМА становится менее осложненным дополнительными перегибами в области высокоэластического состояния или скачками при переходе из стеклообразного в высокоэластическое. На рисунке 4 представлена зависимость Т5 образцов, содержащих 5 % бентонита, от времени их приготовления. Необходимо отметить, что кроме образца с временем приготовления 2 мин, остальные характеризуются очень близкими значениями Т5. Это позволяет сделать вывод о том, что 2 мин недостаточно для получения однородной структуры композита, тогда как любое большее время смешения оказывается достаточным.

94

92

90

« 88 н-

86

84

2

Рисунок 4. Зависимость температуры начала размягчения композитов на основе ПВХ, содержащих 5% бентонита, от времени смешения компонентов.

Рисунок 3. Зависимость температуры начала размягчения от содержания бентонита в композите (время смешения компонентов 10 мин)

дится полимер и, естественно, меняются при нагревании в ходе эксперимента. Это подтверждается видом ТМА кривых, приведенных на рисунках 1 и 2. «Классический» вид имеют только кривые, полученные на образцах ПВХ, содержащих 5 и 10 % бентонита и приготовленных смешением полимера с наполнителем в течение 10 мин. Для него характерны три типичные области скорости изменения деформации: медленный рост деформации в области ниже температуры стеклования (Ту), переходная зона и участок быстрого деформирования при температурах выше Тд. Во всех остальных случаях идентичным остается только первый участок ТМА кривых. При переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние наблюдаются скачки деформации, нарушается плавность хода кривых, а в ряде случаев меняется скорость изменения деформации в области высокоэластического состояния. Это все проявление описанных выше сложных процессов, происходящих в материале при нагревании.

Температура. °С

Рисунок 1. Зависимость относительной деформации от температуры образцов, содержащих различное количество наполнителяи и приготовлнных смешением полимера и наполнителч в течение 10 минут

Рисунок 2. Зависимость относительной деформации от температуры ПВХ без наполнителя и композитов на основе ПВХ, содержащих 5 % бентонита, полученных смешением компонентов на валках в течение 2, 5 и 10 мин

Различие в термическом поведении образцов, в разной степени наполненных бентонитом, исследовали по величине температуры начала размягченияТ8, которая фактически соответствует Т0. На рисунке 1 представлены ТМА кривые композиций, полученных смешением полимерной матрицы и наполнителя в течение 10 мин, содержащих от 0 до 15 % бентонита. Видно, что наполнитель оказывает заметное влияние на деформируемость образцов в области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние. На рисунке 3 представлена зависимость Т5 от степени наполнения, из которой видно, что увеличение содержания бентонита приводит к повышению Тя. По-видимому, бентонит, взаимодействуя с полимерной матрицей, приводит к понижению сегментальной подвижности, что приводит к сдвигу Т5 в область более высоких температур.

В случае полимерных композитов, особенно на основе ПВХ, на их свойства часто влияют способ и режим смешения компонентов. В данной работе было изучено влияние продолжительности смешения полимерной матрицы с наполнителем на термическое поведение образцов. На рисунке 2 приведены ТМА кривые образцов, содержащих 5 % бентонита, приготовленные смешением в течение 2, 5 и 10 мин. Интересно отметить, что по мере увеличения времени смешения вид кривых ТМА приближается к зависимости, характерной для ненаполненного ПВХ. При этом совершенно явно наблюдается сужение области температур, при которых полимер находится в высокоэластическом состоянии. Максимально осложненным является вид ТМА образца со временем смешения 2 мины. Это косвенно свидетельствует о неоднородности внутренней структуры такого композита и широком спектре взаимодействий полимерной матрицы с наполнителем. Например, адсорбция полимерных цепей на поверхности наполнителя приводит к их иммобилизации и уменьшению сегментальной подвижности, для реализации которой потребуется большее темпловой воздействие, чем для не адсорбированных молекул. Чем выше набор таких различающихся по энергии взаимодействий полимера с наполнителем, тем в большем диапазоне температур будет происходить расстекло-вывание полимера. По мере возрастания однородности композиции при увеличении времени перемешивания вид кривых ТМА становится менее осложненным дополнительными перегибами в области высокоэластического состояния или скачками при переходе из стеклообразного в высокоэластическое. На рисунке 4 представлена зависимость Т5 образцов, содержащих 5 % бентонита, от времени их приготовления. Необходимо отметить, что кроме образца с временем приготовления 2 мин, остальные характеризуются очень близкими значениями Т5. Это позволяет сделать вывод о том, что 2 мин недостаточно для получения однородной структуры композита, тогда как любое большее время смешения оказывается достаточным.

94 92 90

«> 88 I-

86 84

Рисунок 4. Зависимость температуры начала размягчения композитов на основе ПВХ, содержащих 5% бентонита, от времени смешения компонентов.

82-1—,—.—,—■—,—.—,—.—,—■—,—■—г-

чистый 10 5 2

ПВХ

Время смешения. мин

ПВХ, как уже отмечалось, относится к материалам, сильно подверженным термической деструкции. С целью проверки стабильности ПВХ в составе композита, были изучены ИК спектры (представлены на рисунке 5) материала до и после термомеханических исследований. В ходе ТМА он испытывал термическую нагрузку, близкую к той, которой подвергается при переработке его в изделие, например, методом каландрования.

В результате оказанного температурного воздействия, произошло уменьшение содержания влаги в рассматриваемом образце, что привело к общему увеличению интенсивности спектра в низкочастотной области. Кроме того, изменилось соотношение пиков при 635 см"1 и 612 см1, отвечающих валентным колебаниям связи С-С1. Присутствие бентонита в составе образца выражается в наличии на спектре интенсивной полосы поглощения валентных колебаний 51-0 связи при 1043 см"1.

Рисунок 5. ИК спектры полимерных композитов на основе ПВХ, наполненных бентонитом (5 %), до и после термомеханических испытаний. Время смешения компонентов при приготовлении образца 10 мин.

Для последующей обработки ИК спектров была проведена коррекция базовой линии и нормирование относительно частот поглощения валентных колебаний групп С-Н (на рисунке 5 приведены уже обработанные спектры). ИК-спектры снимались с поверхности образца в одной и той же точке до и после приложения к нему механической и тепловой нагрузки. По спектрам видно, что произошло увеличение интенсивности поглощения в низкочастотной области спектра, что. возможно, вызвано перестройкой под действием нагрузки цепей полимеров, составляющих композит и выделением из микрополостей композита на его поверхность тех компонентов, которые имеют малую длину по сравнению с цепями полимеров.

Для подробного анализа наличия конформаци-онной перестройки было проведено разделение пиков в указанной области, ориентируясь на минимумы второй производной, как это показано на рисунке 6. Разделение пиков проводилось в программном обеспечении OPUS. На рисунке 7 можно видеть 6 выделенных компонентов сложного перекрывающегося сигнала в области 28003050 см'1.

Из данных таблицы , в которой приведены характеристики разделенных пиков, видно, что происходит изменение интегральной интенсивности и частот поглощения для колебаний С-Н в метильных и метиленовых группах. Это изменение вызвано возможными конфор-мационными перестройками цепей полимеров после воздействия механической и термической нагрузки, сказывающимися нв подвижности связей С-Н [16].

Рисунок 6. Участок ИК-спектров композита в области 2800-3050 см ' (снизу) и его вторая производная (сверху) до ТМА анализа (сплошные кривые) и после (пунктирные кривые)

Рисунок 7. Разделение пиков на участке ИК спектров 2800-3050 см1 до и после термомеханических испытаний.

Таблица. Характеристики пиков в ИК спектрах образца ПВХ, наполненного 5 % бентонита, до и после термомеханического анализа (использован метод разделения пиков GAUSS).

ПВХ-Б5 до TM A ПВХ-Б5 после ТМА

Колебания связи Частота Интенсивность Ширина Интеграл Частота Интенсивность Ширина Интеграл

2820 0,16 28,7 4,8 2818 0,19 24,2 4,9

С-СНг sim 2852 0,74 17,3 13,6 2851 0,78 19,3 16,0

C-CH3sim 2874 0,43 34,8 15,8 2871 0,36 23,7 9,2

C-CHjas 2906 1,01 24,0 25,7 2911 0,97 35,4 36,4

C-CH^as 2925 1,65 29,4 51,6 2926 1,23 45,6 59,6

C-CHjas 2962 0,84 44,2 39,4 2968 0,72 30,8 23,6

В ходе работы были также проведены исследования влияния бентонита на способность композитов к биодеградации в биологических средах по описанной выше методике. На рисунке 8 представлены их результаты. Параметром, позволяющим оценить меру воздействия микроорганизмов на композит, послужила прочность композитных пленок до и после влияния биологической среды.

■до » после

II II II

2 мин 5 мин 10 мин

Рисунок 8. Изменение прочности на прокол полимерных композитных пленок, содержащих 5 % бентонита, до и после инкубации с микроорганизмами, приведенное для образцов, полученных при

смешении компонентов в течении 2, 5 и 10 мин.

Как видно из рисунка 8, введение бентонита способствует уменьшению прочности полимерных композитов на основе ПВХ после воздействия микроорганизмов, что является подтверждением биодеградации материала. Это можно объяснить способностью бентонита впитывать и удерживать влагу, что благоприятно воздействует на жизнедеятельность бактерий. Кроме того обращает на себя внимание тот факт, что увеличение времени обработки полимерного композита на вальцах приводит к уменьшению способность к биодеградации: при смешении компонентов в течение 5 мин прочность на прокол после биотестирования уменьшается на 11 %, а при смешении в течение 10 мин - только на 4 %.

Заключение

Термомеханический анализ полимерных композитов на основе ПВХ, содержащих от 5 до 15 % бентонита, показал, что бентонит является не инертным, а активным наполнителем, взаимодействующим с полимерной матрицей, что приводит к уменьшению сегментальной подвижности полимера, повышению температуры начала размягчения (температуры стеклования) и изменению деформационного поведения материала в области высокоэластического состояния ПВХ.

Показано, что время смешения полимерной матрицы с наполнителем влияет на термическое поведение композита. Времени смешения 2 мин. недостаточно для получения однородной структуры. Начиная с 5 мин достигается однородность структуры, что проявляется в сужении области высокоэластического состояния и приближении вида ТМА кривых к характерному для ненапол-

ненного ПВХ. Образец, полученный смешением компонентов в течение 10 мин, имеет температуру размягчения и область высокоэластического состояния почти идентичные ненаполненному полимеру.

С помощью ИК спектроскопии установлено, что в ходе ТМА анализа происходит конформационная перестройка цепей ПВХ и затрагивается связь «углерод-хлор», что свидетельствует о происходящих с полимером как физических, так и химических превращений.

Литература

1 Ахмадеева O.A., Урусова A.C. Проблема обращения полимерных отходов в Российской Федерации // Молодой ученый. 2016. № 8. С. 486-488.

2. Информация о результатах анализа состояния и развития отрасли производства полимерной продукции государств-членов ЕАЭС Режим доступа: http://www. eurasiancommission.org/ru/act/prom_i_agroprom/dep_prom/ SiteAssets/Forms/DispForm.aspx?ID=139. Дата доступа 03.04.2017.

3. Об утилизации отходов в Российской Федерации Режим доступа: http://www.waste.ru/modules/section/ item.php?itemid=193. Дата доступа 03.04.2017.

4. Кравцова М.В., Васильев A.B., Волков Д.А., Башкиров Ю.Ю. Оценка экологических рисков в процессе утилизации твердых бытовых отходов // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. № 1-7 С. 18491857.

5. Акопова Г.С., Стрекалова Л.В., Малич Я.В., Самсонова В.В. Комплексный подход к решению проблемы снижения доли отходов, направляемых на захоронение, в дочерних обществах и организациях ОАО «Газпром» // Вести газовой науки. 2013. № 2 (13). С. 3742.

6. Клинков A.C., Беляев П.С., В.Г. Однолько, М.В. Соколов, П.В. Макеев, И.В. Шашков. Утилизация и переработка твёрдых бытовых отходов: учеб. пособие. Тамбов: ТГТУ, 2015. 4-5 е.; 101-102 с.

7. Пиролиз пластика и пластмассы Режим доступа: http://ztbo.ru/o-tbo/stati/piroliz/piroliz-plastika-i-plastmassi. Дата доступа 24.04.2017

8. Тасекеев М.С., Еремеева Л.М. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК: аналитический обзор. Алматы: НЦ НТИ, 2009. 200 с.

9. Федеральный закон об отходах производства и потребления Режим доступа: http://pravo.gov.ru/proxy/ips /?docbody=&nd=102365722&rdk=&backlink=l. Дата доступа 04.04.2017.

10. Асланбек Балов Мировой рынок биополимеров // The Chemical Journal, химический журнал. 2013. № 3. С. 48-54.

11. Карпунин И.И., Кузьмич В.В., Балабанова Т.Ф. Классификация биологически разлагаемых полимеров // Наука и техника. 2015. № 5 С. 53-59.

12. Керницкий В.И., Жир H.A. Биополимеры - дополнение, а не альтернатива // Полимерные материалы. 2015. №2. С. 28-34.

13. Вильданов Ф.Ш., Латыпова Ф.Н., Красуцкий П.А., Чанышев P.P. Биоразлагаемые полимеры современное состояние и перспективы использования // Башкирский. химический журн. 2012. № 1 С. 135-139.

14. Abdul Majeed В.А., Sabar D.A. Preparations of Organoclay Using Cationic Surfactant and Characterization of PVC/ (Bentonite and Organoclay) Composite Prepared via Melt Blending Method // Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering. 2017. V. 18. No. 1. P. 17-36.

15. Romero-Guzman M.E., Flores O., Flores A., Romo-Uribe A., Alvarado-Tenorio В., Campillo В. Cold-drawn induced microstructure in PVC-bentonite nanocomposites // Polym. Adv. Technol. 2011. V. 22. P. 836-846.

16. Degradation and Stabilization of PVC , / by E.D. Owen, Ed., Elsevier, London and New York, 1984. 320 p.

Reference

1. Akhmadeeva O.A., Urusova A.S. The Problem of the Treatment of Polymer Wastes in the Russian Federation II The Young Scientist. 2016. № 8. P. 486-488.

2. Information on the results of analysis of the state and development of the polymer products manufacturing industry of the EEA member states Access mode: http:// www.eurasiancommission.org/ru/act/prom_i_agroprom/dep_ prom/SiteAssets/Forms/DispForm.aspx?ID=139. Access date 03.04.2017.

3. On the utilization of waste in the Russian Federation Access mode: http://www.waste.ru/modules/ section/item.php?itemid=193. Access date 03.04.2017.

4. Kravtsova M.V., Vasil'ev A.V., Volkov D.A., Bashkirov Y.Y. Assessment of environmental risks in the process of solid domestic waste management // Izvestiya of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2014. № 1-7. P. 1849-1857.

5. Akopova G.S.. Strekalova L.V., Malich Y.V.. Samsonova V.V. An integrated approach to addressing the problem of reducing the share of waste sent to disposal in subsidiaries and organizations of OAO Gazprom // News of the gas science. 2013. № 2(13). P. 37-42.

6. KlinkovA.S., Belyaev P.S., Odnol ko V.G.. Sokolov M.V., Makeev P.V., Shashkov I.V. Utilizacija i pererabotka tvjordyh bytovyh othodov: ucheb. posobie Tambov: TGTU, 2015. 4-5 p.; 101-102 p.

7. Pyrolysis of plastic and plastic Access mode: http://ztbo.ru/o-tbo/stati/piroliz/piroliz-plastika-i-plastmassi. Access date 24.04.2017)

8. Tasekeev M.S., Eremeeva L.M. Production of biopolymers as one of the ways to solve the problems of ecology and agro-industrial complex: analytical review.-Almaty: SC STI, 2009. 200p.

9. Federal law on production and consumption wastes Access mode: http://pravo.gov.ru/proxy/ips/?docbody=&nd=l 02365722&rdk=&backlink=l. Access date 04.04.2017.

10. BalovA.. The world market of biopolymers // The Chemical Journal. 2013. №3. P. 48-54.

11. Karpunin 1.1., Kuz'mich V.V., Balabanova T.F. Classification of biodegradable polymers II Science and Technology. 2015. № 5 P. 53-59.

12. Kernizkiy V.I., Zhir N.A. Biopolymers - addition, not an alternative // Polymer Materials. - 2015. - №2. - P. 2834.

13. Wdanov F.C., Latipova F.N., Krasuzkiy P.A., Chanishev R.R. Biodegradable polymers current state and prospects of use // Bashkir Chemical Journal. 2012. № 1. P. 135-139.

14. Abdul Majeed B.A.. Sabar D.A.. Preparations of Organoclay Using Cationic Surfactant and Characterization of PVC/ (Bentonite and Organoclay) Composite Prepared via Melt Blending Method // Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering. - 2017. V. 18 No.l. - P. 17-36.

15. Romero-Guzman M.E., Flores O., Flores A., Romo-UribeA.. Alvarado-Tenorio B.. Campillo B. Cold-drawn induced microstructure in PVC-bentonite nanocomposites II Polym. Adv. Technol. 2011. V. 22. P. 836-846.

16. Degradation and Stabilization of PVC , / by E.D. Owen, Ed., Elsevier, London and New York. 1984. 320 p.