Изучение криоструктурирования полимерных систем. 65. Характер изменений физико-химических свойств криогелей поливинилового спирта, вызываемых действием водных растворов аминокислот общей формулы H2N–(CH2)n–COOH

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Криогенной обработкой (замораживание при –20°C в течение 12 ч и затем размораживание нагреванием со скоростью 0.03°C/мин) водных растворов поливинилового спирта (ПВС) с концентрацией полимера 100 г/л получены макропористые криогели и исследован характер изменения их физико-химических параметров после уравновешивания образцов с водными растворами аминокислот общей формулы H2N–(CH2)n–COOH (n = 1–5). Показано, что эти аминокислоты, в наибольшей степени глицин (n = 1), в наименьшей – ε-аминокапроновая кислота (n = 5), проявляют космотропное воздействие на свойства криогелей ПВС, вызывая уменьшение их объема, значительное возрастание компрессионного модуля упругости и повышение температуры плавления образцов. Тем не менее высвобождение H2N–(CH2)n–COOH аминокислот из насыщенных их растворами криогелей во внешнее водное окружение происходило без существенных диффузионных затруднений. После исчерпывающего отмывания чистой водой нагруженных аминокислотами криогелей их физико-химические показатели не возвращались полностью к значениям, характерным для образцов до их обработки растворами таких аминокислот вследствие промотируемого космотропными аминокислотами образования дополнительных Н-связанных узлов трехмерной сетки в объеме уже сформированного криогеля.

About the authors

О. Колосова

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 28

А. Рыжова

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 28

В. Чернышев

АО “Щелково Агрохим”

Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 141101, Московская обл., Щелково

В. Лозинский

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Author for correspondence.
Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 28

References

  1. Кухарчик М.М., Барамбойм Н.К. Изменения свойств водных растворов поливинилового спирта при криолитическом воздействии // Высокомолекул. соед. 1972. Т. 14. Сер. Б. С. 843–846.
  2. Peppas N.A. Turbidimetric studies of aqueous poly(vinyl alcohol) solutions // Makromol. Chem. Physics. 1975. V. 176. № 11. P. 3433–3440. https://doi.org/10.1002/macp.1975.021761125
  3. Watase M., Nishinari K., Nambu M. Rheological properties of an anomalous poly(vinyl alcohol) gel // Polym. Comm. 1983. V. 24. P. 52–54.
  4. Рогожин С.В., Лозинский В.И., Вайнерман Е.С., Домотенко Л.В., Мамцис А.М., Иванова С.А., Штильман М.И., Коршак В.В. Нековалентное криоструктурирование в полимерных системах // Докл. АН СССР. 1984. Т. 278. № 1. С. 129–133.
  5. Nambu M. Rubber-like poly(vinyl alcohol) gel // Kobunshi Ronbunshu 1990. V. 47. № 9. P. 695–703. https://doi.org/10.1295/koron.47.695
  6. Lozinsky V.I., Vainerman E.S., Domotenko L.V., Mamtsis A.M., Titova E.F., Belavtseva E.M., Rogozhin S.V. Study of cryostructurization of polymer systems. VII. Structure formation under freezing of poly(vinyl alcohol) aqueous solutions // Coll. Polym. Sci. 1986. V. 264. P. 19–24. https://doi.org/10.1007/BF01410304
  7. Peppas N.A., Stauffer S.R. Reinforced uncrosslinked poly(vinyl alcohol) gels produced by cyclic freezing-thawing processes: A short review // J. Control. Release. 1991. V. 16. № 3. P. 305–310. https://doi.org/10.1016/0168-3659(91)90007-Z
  8. Mori Y., Tokura H., Yoshikawa M. Properties of hydrogels synthesized by freezing and thawing aqueous poly(vinyl alcohol) solutions and their applications // J. Mater. Sci. 1997. V. 32. P. 491–496. https://doi.org/10.1023/A:1018586307534
  9. Лозинский В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. 1998. Т. 67. № 7. С. 641–655. https://doi.org/10.1070/RC1998V067N07ABEH000399
  10. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and applications of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods // Adv. Polym. Sci. 2000. V. 153. P. 37–65. https://doi.org/10.1007/3-540-46414-X_2
  11. Лозинский В.И. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения // Успехи химии 2002. Т. 71. № 6. С. 559–585. https://doi.org/10.1070/RC2002V071N06ABEH000720
  12. Лозинский В.И., Дамшкалн Л.Г., Шаскольский Б.Л., Бабушкина Т.А., Курочкин И.Н., Курочкин И.И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 27. Физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта и особенности их макропористой морфологии // Коллоидн. журн. 2007. Т. 69. № 6. С. 798–816. https://doi.org/10.1134/S1061933X07060117
  13. Лозинский В.И., Дамшкалн Л.Г., Курочкин И.Н., Курочкин И.И. Изучение крио-структурирования полимерных систем. 28. Физико-химические свойства и морфология криогелей поливинилового спирта, сформированных многократным замораживанием-оттаиванием // Коллоидн. журн. 2008. Т. 70. № 2. С. 212–222. https://doi.org/10.1134/S1061933X08020117
  14. Gutiérrez M.C., Ferrer M.L., del Monte F. Ice-templated materials: Sophisticated structures exhibiting enhanced functionalities obtained after unidirectional freezing and ice-segregation-induced self-assembly // Chem. Mater. 2008. V. 20. № 3. P. 634–648. https://doi.org/10.1021/cm702028z
  15. Gun’ko V.M., Savina I.N., Mikhalovsky S.V. Cryogels: Morphological, structural and adsorption characterization // Adv. Coll. Interface Sci. 2013. V. 187–188. P. 1–46. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.11.001
  16. Zhang H., Zhang F., Wu J. Physically crosslinked hydrogels from polysaccharides prepared by freeze–thaw technique // React. Func. Polym. 2013. V. 73. № 7. P. 923–928. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2012.12.014
  17. Lozinsky V.I., Okay O. Basic principles of cryotropic gelation // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 49–101. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_2
  18. Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 55. Retrospective view on the more than 40-years studies performed in the A.N.Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds with respect of the cryostructuring processes in polymeric systems // Gels. 2020. V. 6. № 3. P. 29. https://doi.org/10.3390/gels6030029
  19. Adelnia H., Ensandoost R., Moonshi S.S., Gavgani J.N., Vasafi E.I., Ta H.T. Freeze/thawed polyvinyl alcohol hydrogels: Present, past and future // Eur. Polym. J. 2022. V. 164. P. 110974. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110974
  20. Manzhai V.N., Fufaeva M.S., Kashlach E.S. Relaxation of mechanical stress in poly(vinyl alcohol) cryogels of different compositions // Chinese Journal of Polymer Science. 2023. T. 41. № 3. C. 442–447. https://doi.org/10.1007/s10118-022-2889-8
  21. Lazzeri L. Progress in bioartificial polymeric materials // Trends Polym. Sci. 1996. V. 4. № 8. P. 249–252.
  22. Chu K.C., Rutt B.K. Poly(vinyl alcohol) cryogel: An ideal phantom material for MR studies of arterial flow and elasticity // Magn. Reson. Med. 1997. V. 37. № 2. P. 314–319. https://doi.org/10.1002/mrm.1910370230
  23. Hoskins P.R. Simulation and validation of arterial ultrasound imagining and blood flow // Ultrasound Med. Biol. 2008. V. 34. № 5. P. 693–717. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2007.10.017
  24. Ghanbari H., Viatage H., Kidane A.G., Burriesci G., Tavakoli M., Seifalian A.M. Polymeric heart valves: New materials, emerging hopes // Trends Biotechnol. 2009. V. 27. № 6. P. 359–367. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2009.03.002
  25. Alves M.H., Jensen B.E.B., Smith A.A.A., Zelikin A.N. Poly(vinyl alcohol) physical hydrogels: New vista on a long serving biomaterial // Macromol. Biosci. 2011. V. 11. № 10. P. 1293–1313. https://doi.org/10.1002/mabi.201100145
  26. Baker M.I., Walsh S.P., Schwatz Z., Boyan B.D. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications // J. Biomed. Mater. Res. B. 2012. V. 100. № 5. P. 1451–1457. https://doi.org/10.1002/jmb.b32694
  27. Gajra B., Pandya S.S., Vidyasagar G., Rabari H., Dedania R.R., Rao S. Poly(vinyl alcohol) hydrogel and its pharmaceutical and biomedical applications: A review // Int. J. Pharm. Res. 2012. V. 4. № 2. P. 20–26.
  28. Maiolo A.S., Amado M.N., Gonzalez J.S., Alvarez V.A. Development and characterization of poly (vinyl alcohol) based hydrogels for potential use as an articular cartilage replacement // Mater. Sci. Eng. C. 2012. V. 32. № 6. P. 1490–1495. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.04.030
  29. Iatridis J.C., Nicoll S.B., Michalek A.J., Walter B.A., Gupta M.S. Role of biomechanics in intervertebral disc degeneration and regenerative therapies: What needs repairing in the disc and what are promising biomaterials for its repair? // Spine J. 2013. V. 13. № 3. P. 243–262. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2012.12.002
  30. Wan W., Bannerman A.D., Yang L., Mak H. Poly(vinyl alcohol) cryogels for biomedical applications // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 283–321. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_8
  31. Teixeira L.S.M., Patterson J., Luyten F.P. Skeletal tissue regeneration: Where can hydrogels play a role? // Int. Orthopaedics. 2014. V. 38. P. 1861–1876. https://doi.org/10.1007/s00264-014-2402-2
  32. Beddoes C.M., Whitehouse M.R., Briscoe W.H., Su B. Hydrogels as a replacement material for damaged articular hyaline cartilage // Materials. 2016. V. 9. № 6. P. 443. https://doi.org/10.3390/ma9060443
  33. Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review // Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2017. V. 66. № 4. P. 159–182. https://doi.org/10.1080/00914037.2016.1190930
  34. Timofejeva A., D’Este M., Loca D. Calcium phosphate/polyvinyl alcohol composite hydrogels: A review on the freeze-thaw synthesis approach and applications in regenerative medicine // Eur. Polym. J. 2017. V. 95. P. 547–565. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.08.048
  35. Teodorescu M., Bercea M., Morariu S. Biomaterials of poly(vinyl alcohol) and natural polymers // Polym. Revs. 2018. V. 58. № 2. P. 247–287. https://doi.org/10.1080/15583724.2017.1403928
  36. Memic A., Colombani T., Eggermont L.J., Rezaeeyazdi M., Steingold J., Rogers Z.J., Navare K.J., Mohammed H.S., Bencherif S.A. Latest advances in cryogel technology for biomedical applications // Adv. Therapeutics. 2019. V. 2. № 4. P. 1800114. https://doi.org/10.1002/adtp.201800114
  37. Xiang J., Shen L., Hong Y. Status and future scope of hydrogels in wound healing: Synthesis, materials and evaluation // Eur. Polym. J. 2020. V. 130. P. 109609. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109609
  38. Rivera-Hernández G., Antunes-Ricardo M., Martínez-Morales P., Sánchez L. Polyvinyl alcohol based-drug delivery systems for cancer treatment // Internat. J. Pharmaceutics. 2021. V. 600. P. 120478. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.120478
  39. Aderibigbe B.A. Hybrid-based wound dressings: Combination of synthetic and biopolymers // Polymers. 2022. V. 14. № 18. P. 3806. https://doi.org/10.3390/polym14183806
  40. Akin A., Ozmen M.M. Antimicrobial cryogel dressings towards effective wound healing // Progress in Biomaterials. 2022. V. 11. P. 331–346. https://doi.org/10.1007/s40204-022-00202-w
  41. Kolosova O.Yu., Shaikhaliev A.I., Krasnov M.S., Bondar I.M., Sidorskii E.V., Sorokina E.V., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 64. Preparation and properties of poly(vinyl alcohol)-based cryogels loaded with antimicrobial drugs and assessment of the potential of such gel materials to perform as the gel implants for treatment of infected wounds // Gels. 2023. V. 9. № 2. P. 113. https://doi.org/10.3390/gels9020113
  42. Лозинский В.И., Вакула А.С., Зубов А.Л. Применение криогелей поливинилового спирта в биотехнологии. IV. Обзор литературных данных // Биотехнология. 1992. № 4. С. 5–14.
  43. Varfolomeev S.D., Rainina E.I., Lozinsky V.I. Cryoimmobilized enzymes and cells in organic synthesis // Pure Appl. Chem. 1992. V. 64. № 8. P. 1193–1196. https://doi.org/10.1351/pac199264081193
  44. Lozinsky V.I., Plieva F.M. Poly(vinyl alcohol) cryogels employed as matrices for cell immobilization. 3. Overview of recent research and developments // Enzyme Microb. Technol. 1998. V. 23. № 3–4. P. 227–242. https://doi.org/10.1016/S0141-0229(98)00036-2
  45. Lozinsky V.I., Plieva F.M., Galaev I.Y., Mattiasson B. The potential of polymeric cryogels in bioseparation // Bioseparation. 2001. V. 10. P. 163–188. https://doi.org/10.1023/A:1016386902611
  46. Lozinsky V.I., Galaev I.Y., Plieva F.M., Savina I.N., Jungvid H., Mattiasson B. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest // Trends Biotechnol. 2003. V. 21. № 10. P. 445–451. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2003.08.002
  47. Plieva F.M., Galaev I.Y., Noppe W., Mattiasson B. Cryogel applications in microbiology // Trends Microbiol. 2008. V. 16. № 11. P. 543–551. https://doi.org/10.1016/j.tim.2008.08.005
  48. Mattiasson B. Cryogels for biotechnological applications // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 245–281. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_7
  49. Berillo D., Al-Jwaid A., Caplin J. Polymeric materials used for immobilisation of bacteria for the bioremediation of contaminants in water // Polymers. 2021. V. 13. № 7. P. 1073. https://doi.org/10.3390/polym13071073
  50. Алтунина Л.К., Фуфаева М.С., Филатов Д.А., Сваровская Л.И., Рождественский Е.А., Ган-Эрдене T. Влияние криогеля на свойства почвы // Почвоведение. 2014. № 5. С. 563–570. https://doi.org/10.1134/S1064229314010025
  51. Vasiliev N.K., Pronk A.D.C., Shatalina I.N., Janssen F.H.M.E., Houben R.W.G. A review on the development of reinforced ice for use as a building material in cold regions // Cold Reg. Sci. Technol. 2015. V. 115. P. 56–63. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.03.006
  52. Xie J., Yan M.-L., Yan J.-B. Experimental study on PVA reinforced salt-water ice under uniaxial compression at arctic low temperatures // Cold Reg. Sci. Technol. 2023. V. 206. P. 103751. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103751
  53. Шайхалиев А.И., Коршаков Е.В., Колосова О.Ю., Краснов М.С., Лозинский В.И. Временный имплантат для пациентов с инфицированными дефектами в челюстно-лицевой области и способ их лечения с использованием такого имплантата // Пат. РФ № 2729929;
  54. Vidovic S., Stojkovska J., Stevanovic M., Balanc B., Vukasinovic-Sekulic M., Marinkovic A., Obradovic B. Effects of poly(vinyl alcohol) blending with Ag/alginate solutions to form nanocomposite fibres for potential use as antibacterial wound dressings // Royal Soc. Open Sci. 2021. V. 9. № 3. P. 211517. https://doi.org/10.1098/rsos.211517
  55. Xiong S., Li R., Ye S., Ni P., Shan J., Yuan T., Liang J., Fan Y., Zhang X. Vanillin enhances the antibacterial and antioxidant properties of polyvinyl alcohol-chitosan hydrogel dressings // Intern. J. Biol. Macromol. 2022. V. 220. P. 109–116. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.08.052
  56. Ningrum D.R., Halif W., Mardhian D.F., Asri L.A.T.W. In vitro biocompatibility of hydrogel polyvinyl alcohol/Moringa oleifera leaf extract/graphene oxide for wound dressing // Polymers. 2023. V. 15. № 2. P. 468. https://doi.org/10.3390/polym15020468
  57. Lozinsky V.I., Zubov A.L., Titova E.F. Swelling behavior of poly(vinyl alcohol) cryogels employed as matrices for cell immobilization // Enzyme Microb. Technol. 1996. V. 18. № 8. P. 561–569. https://doi.org/10.1016/0141-0229(95)00148-4
  58. Kolosova O.Yu., Karelina P.A., Vasil’ev V.G., Grinberg V.Ya., Kurochkin I.I., Kurochkin I.N., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 58. Influence of the H2N–(CH2)n–COOH-type amino acid additives on formation, properties, microstructure and drug release behavior of poly(vinyl alcohol) cryogels // React. Funct. Polym. 2021. V. 167. P. 105010. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2021.105010
  59. Patachia S., Valente A.J.M., Baciu C. Effect of non-associated electrolyte solutions on the behaviour of poly(vinyl alcohol)-based hydrogels // Eur. Polym. J. 2007. V. 43. № 2. P. 460–467. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.11.009
  60. Patachia S., Friedrich C., Florea C., Croitoru C. Study of the PVA hydrogel behaviour in 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ionic liquid // Express Polym. Lett. 2011. V. 5. № 2. P. 197–207. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2011.18
  61. Kolosova O.Yu., Kurochkin I.N., Kurochkin I.I., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 48. Influence of organic non-ionic and ionic chaotropes or kosmotropes on the cryotropic gel-formation of aqueous poly(vinyl alcohol) solutions, as well as on the properties and microstructure of the resultant cryogels // Eur. Polym. J. 2018. V. 102. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.03.010
  62. Лозинский В.И., Сахно Н.Г., Дамшкалн Л.Г., Бакеева И.В., Зубов В.П., Курочкин И.Н., Курочкин И.И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 31. Влияние добавок хлоридов щелочных металлов на физико-химические свойства и морфологию криогелей поливинилового спирта // Коллоидн. журн. 2011. Т. 73. № 2. С. 225–234. https://doi.org/10.1134/S1061933X11020086
  63. Eldridge J.E., Ferry J.D. Studies of the cross-linking process in gelatin gels. III. Dependence of melting point on concentration and molecular weight // J. Phys. Chem. 1954. V. 58. № 11. P. 992–995. https://doi.org/10.1021/j150521a013
  64. Nishinari K., Watase M., Tanaka F. Structure of junction zones in poly (vinyl alcohol) gels by rheological and thermal studies // J. Chim. Phys. 1996. V. 93. P. 880–886. https://doi.org/10.1051/jcp/1996930880
  65. Якубке Х.-Д., Ешкайт X. Аминокислоты, пептиды, белки. Пер. с нем. М.: Мир, 1985. 456 с.
  66. Стручкова И.В., Брилкина А.А. Аминокислоты. Нижний Новгород: Изд. НГУ, 2016. 32 с.
  67. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability // J. Appl. Mechanics. 1951. V. 18. P. 293–297.
  68. Papadopoulou V., Kosmidis K., Vlachou M., Macheras P. On the use of the Weibull function for the discernment of drug release mechanisms // Int. J. Pharm. 2006. V. 309. № 1–2. P. 44–50. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2005.10.044
  69. Сергеев Г.Б., Батюк В.А. Реакции в замороженных многокомпонентных системах // Успехи химии. 1976. Т. 45. № 5. С. 793–826.
  70. Kobayashi M., Ando I., Ishii T., Amiya S. Structural and dynamical studies of poly(vinyl alcohol) gels by high-resolution solid-state 13C NMR spectroscopy // J. Mol. Struct. 1998. V. 440. № 1–3. P. 155–164. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(97)00238-X
  71. De Rosa C., Auriemma F., Di Girolamo R. Kinetic analysis of cryotropic gelation of poly(vinyl alcohol)/water solutions by small-angle neutron scattering // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 159–197. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_4

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (192KB)
Indexing metadata
3.

Download (433KB)
Indexing metadata
4.

Download (260KB)
Indexing metadata
5.

Download (656KB)
Indexing metadata
6.

Download (174KB)
Indexing metadata
7.

Download (87KB)
Indexing metadata
8.

Download (77KB)
Indexing metadata
9.

Download (161KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 О.Ю. Колосова, А.С. Рыжова, В.П. Чернышев, В.И. Лозинский