Файл: 5 Радиационноиндуцированный трансплантат.doc

5.1 Введение..................................................................................................................... 124

5.2 Классификация радиационно-привитых сополимеров.......................................... 126

5.3 Классификация методов радиационно-индуцированной пластики .................. .. 127

5.3.1 Метод взаимного или одновременного облучения .......................................... 128

5.3.2 Метод предварительного облучения..................... ............................................. 128

5.4 RAFT-опосредованная трансплантация ................................................................... 129

5.5 Факторы, контролирующие радиационно-индуцированную пластику ................ 130

5.5.1 Природа мономера ........................... ................................................................... 130

5.5.1.1 Мономеры для радиационно-привитой мембраны...................................... 131

5.5.2 Природа полимеров.............................................................................................. 131

5.5.3 Природа растворителя ......................................................................................... 132

5.5.4 Природа излучения .............................................................................................. 132

5.5.5 Температура ..................................................................................... .................... 132

5.5.6 Температура облучения........................................................................................ 132

5.5.7 Температура прививки ......................................................................................... 133

5.6 Сопротивление образованию гомополимеров................................. ........................ 133

5.7 Роль добавок ..................................................................................................................133

5.8 Характеристика привитых сополимеров ................................................................. 134

5.9 Классификация радиационно-индуцированных привитых сополимеров ............ 134

5.9.1 Привитые синтетические адсорбенты ........................... .................................... 134

5.9.2 Привитые биоадсорбенты.................................... ................................................ 135

5.9.3 Гидрогели................................................ .............................................................. 135

5.10 Системы разделения ................................... ............................................................. 136

5.11 Применение радиационно-индуцированных привитых сополимеров…………...136

5.12 Очистка сточных вод флокулянтом на биологической основе ...............................137

5.1 ВВЕДЕНИЕ

Наиболее подходящим способом получения функционализированного полимерного материала является привитая сополимеризация, которая на протяжении многих лет пользуется популярностью среди исследователей. Именно в результате этой реакции боковые цепи мономеров сплетаются с полимерной основой, придавая им следующие интересные свойства (D. Kumar, Pandey, Raj, & Kumar, 2017) (рис. 5.1):

Рисунок 5.1

Р – полисахаридный остов, М – мономер.

Выход прививки или степень прививки определяют как увеличение массы боковой цепи привитого полимера, рассчитанной в процентах (%). Существует несколько методов, доступных для процесса сополимеризации, перечислены ниже:

1. Плазменная привитая сополимеризация.

2. Индуцированная УФ-светом фотоинициирующая привитая сополимеризация.

3. Привитая сополимеризация, с использованием микроволн.

4. С помощью химической инициация .

5. Термомеханическое инициирование (прививка расплава).

6. Радиационно-индуцированная привитая сополимеризация (RIGC) с ионизирующим излучением.

Есть два разных пути достижения структуры привитых сополимеров А_ни B_м, представленное следующим образом (рис. 5.2 и 5.3):

а. Путем сшивания двух разнородных полимеров А_ни B_м

б. Путем инициирования радикалов на поверхности полимера А_ни прививка через мономер B_м

Рисунок 5.2 - Сшивка двух разнородных полимеров.

Рисунок 5.3 - Радикальное инициирование на поверхности полимера.

Оба маршрута имеют одну общую черту; дело в том, что оба пути реакции требуют активации молекул полимера. Это может быть достигнуто с помощью различных физических и химических процессов, но для этой цели особенно подходит высокоэнергетическое излучение.

Поверхности полисахарида можно модифицировать обычным методом прививки, но он имеет ряд существенных недостатков. Молекулярная масса и полидисперсность привитой цепи не могут контролироваться традиционным методом прививки. Именно по этой причине поверхность покрыта привитыми цепями разной длины (Manaila & Craciun, 2019).

В целом, радиационно-индуцированная привитая сополимеризация имеет большие преимущества, в том числе модификацию поверхности вплоть до объема основных полимеров, что невозможно в случае фото- или плазменно-инициируемой сополимеризации, при которой модификация происходит только на поверхности полимера. Кроме того, простота и гибкость инициирования реакции с коммерчески доступными источниками ионизирующего излучения делают RGIC более выгодным для подготовки и модификации полимерных поверхностей. Могут использоваться коммерческие источники излучения, например, на основе γ- излучения Co-60 или электронный пучок (EB) (Barsbay & Güven, 2019; Ma, Peng, & Zhai, 2018; Sun & Chmielewski, 2017) .

RIGC протекает по пути механизма со свободными радикалами. Когда высокоэнергетическое излучение падает на поверхность исходного полимера, на его поверхности образуются центры со свободными радикалами. Эти свободные радикалы запускают процесс полимеризации виниловых мономеров, что приводит к образованию привитых сополимеров (Ishihara, Asai, & Saito, 2020) (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 - Привитая сополимеризация с использованием высокоэнергетического излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с полимерной основой образуются равномерно распределенные углерод-центрированные радикалы, которые инициируют процесс привитой сополимеризации на толщине до нескольких мм (Salamun et al., 2016). Для облучения полимера можно использовать пучки ионов высокой энергии и малым радиусом торможения, но если излучение имеет пространственные вариации порядка нанометров, оно проявляется в виде пятна и четко отделяется от необлучаемой области. Эти пятна могут быть дополнительно привиты путем полимеризации напрямую или после химического травления (Zubair, Nasef, Ting, Abdullah, & Ahmad, 2020). Однако, если количество ионов недостаточно для получения желаемого результата прививки, полимерную основу снова облучают высокоэнергетическим излучением для образования большего количества радикалов.

Степень прививки также можно контролировать или, точнее, регулировать, подбирая облучение и параметры реакции для получения необходимых сополимеров для конкретной цели. Радиационноиндуцированную привитую сополимеризацию можно проводить в широком диапазоне температур, включая температуры мономеров в массе, растворе или эмульсии (Ke, Drache, Gohs, Kunz, & Beuermann, 2018).

Модификация поверхностей исходного полимера путем прививки с использованием этого процесса имеет некоторые преимущества, перечисленные ниже:

Процесс относительно прост, чист и воспроизводим.
Полимеры, которые могут быть в форме пленки, волокна, мембраны, ткани или порошка, могут иметь модифицированную поверхность, а мономеры, которые могут полимеризоваться под действием свободных радикалов, такие как стирол, виниламид, винилхлорид, винилацетаты, метакрилаты и т. д. можно легко привить этим процессом.
Полученный привитой сополимер относительно не содержит примесей.
Регулировку степени прививки можно осуществлять, контролируя условия реакции, такие как концентрация мономера, температура реакции, атмосфера, в которой проводится реакция, тип используемого растворителя, добавление подавителя гомополимеризации, добавление кислоты, а также параметры радиационного воздействия, такие как тип излучения, мощность дозы излучения, время облучения и доза.
Радиационно-индуцированная прививка не требует инициирования путем нагревания, в отличие от химических методов, и, следовательно, структура полимерной подложки не искажается, и, следовательно, можно безопасно прививать мономеры, чувствительные к температуре.
Может достигаться узкое молекулярно-массовое распределение за счет контроля молекулярного веса привитых цепей (висячих групп).
Для прививки можно использовать широкий спектр функциональных мономеров, например, метакрилаты, акрилаты, акриламиды, стирол, диены, акрилонитрилы и виниловые мономеры.
Могут быть получены полимеры с четко определенной топологией и архитектурой, например, градиентные, блочные, звездообразные, гребенчатые или гиперразветвленные сополимеры.
Образование блок-сополимеров также возможно за счет удлинения цепи макромолекул путем добавления других мономеров (Benoit, Hawker, Huang, Lin, & Russell, 2000; Chapiro, 1977; N. Kakati, Assanvo, & Kalita, 2019).

С точки зрения применения привитые сополимеры, полученные радиационно-индуцированной прививкой, имеют множество применений, таких как:

Гидрофильные и/или гидрофобные характеристики полимера можно настроить (улучшить или уменьшить) (Cheon & Jeun, 2019).
Можно изменить совместимость медицинских устройств с кровью (B. Singh & Singh, 2019).
В тканевой инженерии на адгезию и рост клеток на каркасах можно влиять с помощью трансплантации (B. Singh & Kumar, 2018).
Можно улучшить смазывающую способность имплантатов (Pino-Ramos, Flores-Rojas, AlvarezLorenzo, Concheiro & Bucio, 2018).
Мембраны, которые используются в батареях, топливных элементах, хроматографии, могут быть разработаны с помощью этого метода (Pathania, Sharma, & Sethi, 2017).
Также можно приготовить адсорбенты ионов металлов (Saleh, Ibrahim, Elsharma, Metwally, & Siyam, 2018).
Привитые сополимеры также можно использовать в качестве эффективных флокулянтов для очистки сточных вод (Mittal, Ray, & Okamoto, 2016).

5.2 КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИАЦИОННО- ПРИВЯЗАННЫХ СОПОЛИМЕРОВ

Необходимо определить различные физические формы (морфологии) этих материалов наряду с их функциональностью, чтобы лучше понять роль радиационно-индуцированных привитых сополимеров в области разделения и очистки (Barsbay & Güven, 2019) ( Рисунок 5.5).

Классификацию привитых сополимеров можно провести по различным категориям, а именно:

1. Происхождение материала

2. Химическая природа привитых сополимеров.

3. Механизм разделения

4. Функции

Рисунок 5.5 - Классификация радиационно-привитых сополимеров.

С морфологической точки зрения привитые сополимеры могут быть представлены в виде гранул, геля, волокон, тканей и мембран, а также иметь различные физико-химические характеристики.

С химической точки зрения, радиационно-привитые сополимеры могут быть доступны в ионной форме (катионная, анионная или биполярная) и нейтральной в зависимости от типа мономеров, используемых для прививки, или реакции, проведенной для придания ионных свойств (Le Moigne, Sonnier, El Hage, & Rouif, 2017).

Исходя из происхождения материала, большинство радиационно-привитых сополимеров являются синтетическими, например, полимеры с модифицированной основной цепью, такие как PE (полиэтилен), PP (полипропилен), PVDF (поливинилиденфторид), PTFE (поли(тетрафторэтилен)), и PETFE (поли(этиленкотетрафторэтилен)). Более того, модифицируя основу природных полимеров (полисахаридов), таких как целлюлоза, альгинат, гуаровая камедь, ксантановая камедь, крахмал, агар-агар, хитозан и т. д., можно получить привитые сополимеры (Madrid, Cabalar, & Abad, 2018). ).

В зависимости от функции или механизма разделения радиационно-индуцированные привитые сополимеры можно разделить на несколько типов, таких как ионообменники, обменники полимер-лиганд, хелатирующие сополимеры, гидрогели, аффинно-привитые сополимеры и полимерные электролиты (Nasef & Güven, 2012).