Материал: Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

Рис. 3.9. Отраженная оптическая микрофотография ПОБ.

а – большие сферолиты, растущие изотермально при 120 С; б – малые сферолиты в охлажденном матриксе

(Shahin and Olley, 2002).

Рис. 3.10. Диаграмма структуры спиральных сферолитов (из рис. 3.9). а – большие сферолиты, образованные при 120 С; б – малые сферолиты, растущие при комнатной температуре.

3.1.4. Молекулярная динамика полимерных макроцепей

Первое обстоятельство, которое следует учитывать при микроскопическом анализе полимеров, состоит в том, что макромолекулы, состоящие из связанных между собой мономерных звеньев, представляют из себя цепочечные структуры, обладающие конечной гибкостью. Основными гидродинамическими характеристиками полимерных макромолекул являются их поступательные, вращательные и более сложные конформационные движения, экспериментально исследуемые методами диффузии, седиментации, рассеяния света, осмометрии и вискозиметрии. В растворах в равновесном состоянии макромолекулы полимерных материалов могут образовывать различные конформационные структуры, зависящие от типа растворителя, длины и жесткости молекулярных цепей, химической структуры

115

мономолекулярных секторов. В области больших молекулярных масс для анализа внутримолекулярного состояния часто используются представления о конформациях в виде запутанных «клубков», при этом цепи повышенной жесткости образуют более рыхлую упаковку по сравнению с гибкоцепными полимерами. Как следствие этого, в жесткоцепных молекулах практически отсутствуют эффекты “исключенного» объема, поэтому их свойства очень мало будут зависеть от качества растворителя. В гибкоцепных молекулах растворитель, наоборот, оказывает определяющее влияние на гидродинамические и вязкоупругие характеристики.

Растворяется полимер в хлороформе, трихлорэтилене, дихлорацетате, трифлюроацетате, диметилформамиде, этил ацетацетате, камфаре, ледяной уксусной кислоте, 0.5 М феноле и М растворе едкого натра.

Поведение молекул ПОБ в растворах

Фундаментальный вопрос о молекулярной структуре разбавленных растворов полиоксибутирата в хлороформе, трифлуороэтаноле, этилендихлориде в бинарной смеси дихлоруксусной кислоты наиболее подробно исследовался в работе (Akita et al., 1976). На основании многочисленных экспериментов впервые был получен ответ на вопрос, в каком конформационном состоянии могут находиться молекулы ПОБ?. Ранее считалось, что макромолекулы в растворах принимают спиральную конфигурацию, похожую на конформацию твердотельного состояния, однако, более детальный анализ показал, что система биополимер – растворитель может более адекватно интерпретироваться в рамках представления о конформационных беспорядочных «клубках» с исключением объема растворителя (Holmes, 1985), т. е. для типичных технологических режимов синтеза полимера ПОБ фактически реализуется гибкоцепная структура. Это подтверждается и тем, что экспериментально определенные характеристические вязкости растворов подчиняются универсальным степенным формулам Марка–Куна для вычисления среднего молекулярного веса Мв:

[ ] = k Mв .

Коэффициент = 0.74 хорошо соответствует модели «клубков», k – численный множитель. Модель полимерного «клубка», как деформируемой среды, является весьма перспективной для интерпретации и понимания поведения молекул полимера в самых разнообразных условиях.

Знание особенностей структурной организации макромолекул в растворах имеет важное значение для развития основ направленного биосинтеза полиоксибутирата и других ПОА. Дело в том, что в

116

процессе синтеза полимер уже на этапе зарождения находится в специфическом клубкообразном состоянии в цитоплазме клетки, и только в ходе экстракции полимера из биомассы клеток с использованием различных растворителей происходит формирование окончательной полукристаллической структуры полимера с конкретными значениями таких показателей, как характеристическая вязкость и молекулярный вес. Однако исследования влияния различных растворителей на молекулярную структуру ПОБ в зависимости от концентрации, способов растворения, температуры и других внешних условий крайне недостаточны.

Поведение макромолекул ПОБ в твердой фазе

В твердых конденсированных фазах природа полимерного мезоморфизма заложена в значительной степени уже на молекулярном уровне мономерного звена и определяется химической структурой звена, молекулярной массой, характером внутримолекулярной конформационной подвижности структурных групп, типом фазового состояния полимера (кристаллическое, стеклообразное или аморфное), длиной цепи, температурой. В гетерополимерах важной характеристикой, определяющей их макроскопические физико-механичес- кие свойства, является композиционное распределение по длине цепи мономолекулярных единиц, входящих в состав сополимера (сополимеризация). Для полиокосиалканоатов многие из этих вопросов находятся только еще в начальной стадии изучения.

Хорошо известно, что динамическое поведение внутримолекулярных конформеров связано с процессами преодоления барьеров для внутреннего вращения молекулярных фрагментов. Эти барьеры определяются обычно кинетическими и спектроскопическими методами. Для биополимеров наибольшее развитие получили кинетические методы, к которым относятся методы ЯМР, ЭПР, диэлектрической или акустической релаксации. В экспериментах измеряются скорости перехода молекулы из одной равновесной конформации в другую. Если барьеры высоки, то вместо вращательных конформационных переходов проявляются конформационные гармонические колебания тех или иных фрагментов.

Для мономолекулярного звена молекулы ПОБ (рис. 3.11) три возможные изомерные конформации были выявлены методом ЯМР при измерении протонного спектра 1Н (500 МГц) в дейтерохлороформе при комнатной температуре (Doi et al., 1989; Yoshie et al., 1992; Nakamura et al., 1992). Полученные спектры ЯМР показывают, что данный полимер ПОБ представляет собой изотактический полиэфир с регулярными, одинаково ориентированными последовательными единицами D-(-)-3-оксимасляной кислоты.

117

(Ueda et al., 1996). При исследовании зависимости данного параметра от условий культивирования ПОБ-синтезирующих микроорганизмов на примере R. eutropha установлено, что степень полимеризуемости ПОБ главным образом зависит от концентрации источника уг-

лерода (Anderson et al. 1992; Taidi et al., 1994). Показано, что при росте данного организма на смесях фруктозы и пентановой кислоты в хемостате с увеличением скорости протока молекулярная масса синтезируемого сополимера 3-ПОБ-со-3-ПОВ возрастает (Koyama, Doi, 1995). В других работах зарегистрировано, что степень полимеризуемости ПОБ, синтезируемого R. eutropha зависит от концентрации биогенных элементов (азота, магния, фосфора), а также возраста культуры (Kawagushi et al., 1992). Авторы отмечают необходимость оперативного слежения за этим параметром, особенно в конце ферментационного цикла, на стационарной фазе, когда активизируются эндогенные деполимеразы.

Образцы полиоксибутирата, синтезированные трансгенными организмами, могут иметь различные значения молекулярного веса в зависимости от типа продуцента и условий культивирования. Например, E.coli, трансформированная генами системы синтеза ПОА из Ralstonia, в зависимости от фазы ассимиляции полимера и рН среды синтезирует ПОБ с молекулярным весом от 0.5 до 20 000 Da (Kusaka et al., 1997), а трансгенные высшие растения, например, Arabidopsis thaliana и Brassica napus, способны синтезировать полиоксибутират с молекулярным весом до 1 000 000 Da и выше (Poirier, 1999).

3.1.6. Температурные свойства ПОБ

У полиоксибутирата, аналогично многим полимерным материалам, температура, при которой происходит их деформация, несколько ниже температуры кипения (температурной деградации), поэтому газовое состояние в полимерах не реализуется и основным видом фазового равновесия в них является конденсированное состояние – кристаллическое, стеклообразное, вязко-текучее и жидкое. Способность ПОБ кристаллизоваться определяется внутренними свойствами его цепей и характеризуется температурой кристаллизации Тc. Во многих полимерах, как известно, кристаллизация обычно осуществляется, но из-за ряда причин она зачастую захватывает не весь объем материала. Поэтому в большинстве случаев полимеры представляют из себя полукристаллические объекты. Именно к таким полукристаллическим материалам относится и полиоксибутират.

Температурные характеристики ПОБ и способность кристаллизоваться в нативном состоянии являются наиболее значимыми параметрами, так как определяют термомеханические свойства и, следовательно, возможности переработки полимера в специальную продукцию и изделия. Макроскопические свойства полимерных материа-

119