Гидрофильная термопереключаемая чувствительная к давлению адгезионная композиция - RU2627896C2
Код документа: RU2627896C2
Чертежи
Описание
Область техники
Изобретение в целом относится к «разумным» адгезионным композициям, и, в частности, к водоабсорбирующим адгезионным композициям, состоящим из смеси полимеров, из которых, по крайней мере, один компонент обладает нижней критической температурой смешения (НКТС) с водой. В зависимости от полярности субстрата, такие композиции способны обратимо отлипать или прилипать при изменении температуры выше НКТС (или точки помутнения). Дополнительно, изобретение относится к методам разработки таких композиций, в частности, к методам их получения и настройки адгезии посредством изменения температуры, количества поглощенной влаги и полярности субстрата, а также к методам использования композиций, и к продуктам, производимым на основе таких композиций. Изобретение может быть полезно в любой области, требующей адгезионные композиции, избирательно прилипающие к поверхности гидрофильного или гидрофобного субстрата при изменении температуры и влажности окружающей среды, в том числе в жидкой воде, и обратимо меняющие липкость при изменении температуры относительно точки помутнения.
Уровень техники
Имеется обширная литература о свойствах полимеров, обладающих нижней критической температурой смешения (НКТС) с водой [I. Dimitrov, В. Trzebicka, А.Т.Е.
Недавний прогресс в области создания чувствительных к давлению адгезивов (ЧДА) на основе полимер-олигомерных и интерполимерных комплексов, сформированных водородными и ионными связями между функциональными группами макромолекул [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153], сделал возможным получение ЧДА на основе полимеров, обладающих НКТС [патентная заявка РФ 2013154323, 9.12.2013, 67 стр.; РСТ Application RU 2013/001107, 11.12.2013, 63 pp.]. Первый пример такого ЧДА был получен смешением поли(N-винилкапролактама) (ПВКЛ) с олигомерным полиэтиленгликолем (ПЭГ) молекулярной массы 400 г/моль. Показано, что смешение ПВКЛ с ПЭГ приводит к образованию стехиометрических нековалентно связанных комплексов, в которых около 60 мол % звеньев ПВКЛ сшиты водородными связями с короткими цепями ПЭГ по обеим концевым ОН-группам [М.М. Feldstein, K.А. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47(16), 2014, 5759-5767]. В водных средах смеси ПВКЛ - ПЭГ абсорбируют большое количество воды. Гидрогели на основе комплексов ПВКЛ - ПЭГ обладают липкостью к гидрофильным субстратам (стекло, сталь, полимерные пленки) при комнатной температуре, но обратимо отлипают от них при температурах выше НКТС ПВКЛ (37°С). Таким образом, стехиометрические комплексы ПВКЛ -ПЭГ демонстрируют термопереключаемую адгезию при НКТС исходного полимера. Примеры переключаемой адгезии гидрогелей некоторых полимеров в зависимости от состояния их функциональных групп отмечались ранее [М. Kamperman, A. Synytska, Switchable adhesion by chemical functionality and topography, J. Mater. Chem. 2012, 22. 19390-19400], хотя термопереключаемые ЧДА на основе полимеров с НКТС до этого не были описаны.
Среди работ, посвященных исследованию свойств полимеров с НКТС, наибольшее внимание уделено полимерам N-замещенного акриламида, в частности N-изопропилакриламида (N-ИПАМ) [С.Boutris, E.G. Chatzi, K. Kiparissides, Characterization of the LCST behavior of aqueous poly(N-isopropylacrylamide) solutions by thermal and cloud point techniques, Polymer 1997, 38 (10), 2567-2570; D.E. Lessard, M. Ousalem, X.X. Zhu, Effect of the molecular weight on the Lower Critical Solution Temperature of poly(N,N-diethylacrylamide) in aqueous solutions, Can. J. Chem. 2001, 79(12), 1870-1874; C. Wu, X. Wang, Globule-to-Coil Transition of a Single Homopolymer Chain in Solution, Phys. Rev. Let. 1998,80,4092-4094; F. Afroze, E. Nies, H. Berghmans, Phase transitions in the system poly(N-isopropylacrylamide)/water and swelling behaviour of the corresponding networks, J. Mol. Str. 554 (2000) 55-68; R. Moerkerke, R Koningsveld, H. Bergbans, K. Dusek, K. Sole, Phase Transitions in Swollen Networks, Macromolecules 1996, 28, 1103-1107; M. Heskins, J.E. Guillet, Solution Properties of Poly (N-isopropylacrylamide), J. Macromol. Sci. Part A - Chem., 1968, 2:8, 1441-1455; T. Okano, Y.H. Bae, H. Jacobs, S.W. Kim, Thermally on-off switching polymers for drug permeation and release, J. Control. Release, 11 (1990) 255-265]. При повышении температуры выше 31°С (НКТС) поли(N-ИПАМ) показывает резкий переход от гидрофильного, водорастворимого полимера с гауссовой конформацией цепей, к нерастворимому полимеру с глобулярной конформацией макромолекул [С. Boutris, E.G. Chatzi, K. Kiparissides, Characterization of the LCST behavior of aqueous poly(N-isopropylacrylamide) solutions by thermal and cloud point techniques, Polymer 1997, 38(10), 2567-2570; D.E. Lessard, M. Ousalem, X.X. Zhu, Effect of the molecular weight on the Lower Critical Solution Temperature of poly(N,N-diethylacrylamide) in aqueous solutions, Can. J. Chem. 2001, 79 (12), 1870-1874; C. Wu, X. Wang, Globule-to-Coil Transition of a Single Homopolymer Chain in Solution, Phys. Rev. Let. 1998, 80, 4092-4094].
Слабо сшитые гидрогели на основе N-ИПАМ и его сополимеров активно изучались в связи с потенциальными применениями, такими как самоочищающиеся контактные линзы, сельскохозяйственные материалы для контролируемого высвобождения воды, модификаторы реологических свойств, искусственные мышцы и мембраны для контролируемой подачи лекарств. Значительная работа выполнена по изучению свойств термочувствительных гелей для потенциального использования в качестве систем доставки лекарств. Вызывает интерес ответ этих гелей на небольшие изменения температуры или рН, в результате чего водные растворы, содержащие активный агент, выталкиваются, действуя, таким образом, как "разумный резервуар." Такие гидрогелевые материалы имеют огромный потенциал в качестве уникальных систем для введения лекарств [Т. Okano, Y.H. Bae, Н. Jacobs, S.W. Kim, Thermally on-off switching polymers for drug permeation and release, J. Control. Release, 11 (1990) 255-265].
Обширные исследования показали, что на основе поли(N-ИПАМ) возможно получение ЧДА, которые могут набухать или сжиматься в ответ на внешние стимулы, такие как небольшие температурные изменения или сдвиг рН [J. O'Mahony, K. McCarthy, Е. Monaghan, A novel way to reversibly detackify PSA compositions using thermoresponsive polymers, PSTC (Pressure - Sensitive Tape Council), Advanced Polymer Design for Adhesives, 2007, http://www.pstc.org/files/public/OMahony.pdf: L. Chen, M. Lin, L. Lin, T. Zhang, J. Ma, Y. Song, L. Zhang, Thermal-responsive hydrogel surface: tunable wettability and adhesion to oil at the water/solid interface, Soft Mater. 2010, 6, 2708-2712; S.Y. Lin, K.S. Chen, R.C. Lian, Design and evaluation of drug-loaded wound dressing having thermoresponsive, adhesive, absorptive and easy peeling properties, Biomaterials 2001, 22, 2999-3004; A. Synytska, E. Svetushkina, N. Puretskiy, G. Stoychev, S. Berger, L. Ionov, C. Bellmann, K-J. Eichhorn, M. Stamm, Biocompatible polymeric materials with switchable adhesion properties, Soft Matter, 2010, 6, 5907-5914; G. Sudre, D. Hourdet, F. Cousin, C. Cretan, Y. Tran, Structure of Surfaces and Interfaces of Poly(N,N-dimethylacrylamide) Hydrogels, Langmuir 2012, 28, 12282-12287; M. Humayun, B.R. Ratner, J. Weiland, M. Tunc, X. Cheng, Reversible thermoresponsive adhesives for implants, US Patent 8,080,593 (B2), Dec. 20, 2011]. Целью этих исследований было установить, возможно ли получить ЧДА, обладающие НКТС, и, следовательно, способные превращаться в набухшие гели ниже критической температуры смешения. Получены ЧДА, способные отлипать в процессе набухания в воде, но только при контакте с водой ниже некоторой температуры, давая, таким образом, "умные" переключаемые ЧДА. Показано, что эффект переключения полностью обратим. При нагревании выше критической температуры, композиции высвобождают абсорбированную воду и вновь обретают чувствительную к давлению адгезию. В результате, получены ЧДА, показывающие различные уровни влагопоглощения, задаваемые в соответствии с чувствительностью к температуре. Подобные материалы находят применение в качестве разумных систем доставки лекарств, и которые потенциально могут быть использованы в форме липких лент.
Строго говоря, термопереключаемые полимеры являются частью более обширного класса термоотвечающих полимеров. Отличительной особенностью термопереключаемых ЧДА является обратимость перехода из липкого в нелипкое состояние.
Для термопереключаемых адгезионных продуктов, безболезненно удаляемых с поверхности кожи, весьма желательно иметь гидрофильный термопереключаемый адгезионный материал, использующий полимер с НКТС, и обеспечивающий самопроизвольное отлипание адгезионного продукта от кожи при слегка повышенной температуре в водном окружении, например в ванне или под душем. Неограничивающими примерами таких термопереключаемых ЧДА продуктов могут быть трансдермальные патчи, липкие пластыри, покрытия на раны, или хирургические пленки для закрытия операционного поля. Недостатком термочувствительного ЧДА на основе стехиометрических комплексов ПВКЛ - ПЭГ, описанных в [Патентная заявка РФ 2013154323, 9.12.2013, 67 стр.; РСТ Application RU 2013/001107, 11.12.2013, 63 рр; М.М. Feldstein, K.А. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47(16), 2014, 5759-5767], является то обстоятельство, что их отлипание от кожи при слегка повышенной температуре (около 40°С) требует наличия в гидрогеле 80-90% абсорбированной воды. В этой связи существует необходимость термопереключаемого адгезива, отлипающего при более низких концентрациях поглощенной воды и при температурах ниже 40°С.
Известно, что фазовое поведение полимеров с НКТС можно разделить на три основных типа [F. Meeussen, Е. Nies, H. Berghams, S. Verbrugghe, E. Goethals, F.D. Prez, Phase behavior of Poly(N-vinyl caprolactam) in water, Polymer 2000, 41, 8597-8602]. Поливинилкапролактаму присущ Тип I НКТС, при котором точка НКТС сдвинута в сторону разбавленных растворов полимера. Поли(N-изопропил акриламид) (ПN-ИПАМ) характеризуется НКТС типа II, при котором точка НКТС находится в средней области шкалы содержания абсорбированной воды. В этой связи можно ожидать, что отлипание ЧДА на основе комплексов ПN-ИПАМ - ПЭГ от кожи будет наступать при значительно меньших содержаниях ПЭГ. Тем не менее, это предположение должно быть экспериментально проверено, т.к. комплексообразование ПN-ИПАМ с ПЭГом может существенно изменить положение НКТС на оси содержания поглощенной воды.
Термопереключаемые ЧДА могут быть также востребованы в промышленности, например, при разработке рациональной технологии отмывки стеклянной или пластиковой тары от липких этикеток.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на удовлетворение вышеуказанной потребности в данной области.
Задачей изобретения является создание гидрофильных термопереключаемых адгезионных продуктов - композиции и аппликационного материала, использующих полимер с НКТС, обеспечивающих избирательную адгезию к субстратам различной полярности. В частности, такие адгезивы при комнатной температуре должны обладать адгезией к полярным субстратам, смачиваемым водой, и обратимо отлипать от них при повышении температуры выше НКТС. В то же время, такие ЧДА должны обратимо прилипать к нидрофобным поверхностям при температурах выше НКТС, и отлипать от них при температуре, близкой к комнатной.
Главный аспект изобретения относится к гидрофильной термопереключаемой, чувствительной к давлению адгезионной композиции целенаправленно меняющей адгезию в водных средах в зависимости от температуры, на основе стехиометрического водородно-связанного комплекса гидрофильного пленкообразующего полимера, выбранного из полимеров, обладающих нижней критической температурой смешения (НКТС) в воде, с олигомерным нековалентным сшивателем пленкообразующего полимера, содержащим комплементарные реакционно-способные функциональные группы на обоих концах его коротких цепей; в которой содержание пленкообразующего НКТС-полимера и олигомерного нековалентного сшивателя лежит в соотношении от 0,5 до 1. Композиция прилипает в водной среде к гидрофильным субстратам при температурах ниже НКТС и обратимо отлипает от них при температурах выше НКТС, а также прилипает в водной среде к гидрофобным субстратам при температурах выше НКТС и не обладает к ним адгезией при температурах ниже НКТС.
В одном из воплощений настоящего изобретения олигомерный нековалентный сшиватель выбран из короткоцепных полимеров, способных сшивать гидрофильный пленкообразующий НКТС-полимер водородными связями между обеими концевыми комплементарными функциональными группами олигомерной цепи и повторяющимися функциональными группами основной цепи пленкообразующего НКТС-полимера. Гидрофильный пленкообразующий НКТС-полимер и олигомерный нековалентный сшиватель выбраны из полимеров, способных образовывать стехиометрический сетчатый комплекс.
В частном варианте реализации гидрофильный пленкообразующий НКТС-полимер представляет собой поли(N-винил лактам) или поли(N-изопропил акриламид) (ПН-ИПАМ)или их сополимеры. При этом олигомерный нековалентный сшиватель выбран из группы, состоящей из полиспиртов, мономерных или олигомерных алкиленгликолей, полиалкиленгликолей, полиалкиленгликолей с карбоксильными концевыми группами, полиалкиленгликолей с концевыми аминогруппами, простоэфирных спиртов, алкандиолов, гидрохинона, дифенила, бисфенола А, и карбоновых дикислот, а также из группы, состоящей из полиэтиленгликоля и/или полиэтиленгликоля с карбоксильными концевыми группами. В качестве полиспиртов используют глицерин, сорбитол, ксилитол и им подобные полиспирты. Предпочтительно использовать в качестве олигомерного нековалентного сшивателя полиэтиленгликоль с молекулярной массой от 200 до 600 г/моль.
В другом варианте выполнения изобретения композиция может содержать дополнительный пленкообразующий полимер с повторяющимися функциональными группами, способными образовывать водородные связи с комплементарными функциональными группами в повторяющихся звеньях пленкообразующего НКТС-полимера. Дополнительный пленкообразующий полимер может быть выбран из группы, состоящей из полиакриловой кислоты, полиметакриловой кислоты, полималеиновой кислоты, полисульфоновой кислоты, полиалкиленгликолей, поливиниловых спиртов, поливинилфенолов, поли(гидроксиалкил акрилатов), поли(гидроксиалкил метакрилатов), поли(N-винил акриламидов), поли(N-алкилакриламидов), полярных производных целлюлозы, содержащих гидроксильные и карбоксильные группы, альгиновой кислоты, их комбинаций и сополимеров. Производные целлюлозы представляют собой сложные эфиры целлюлозы, содержащие неэтерифицированные целлюлозные мономерные звенья, мономерные звенья ацетата целлюлозы, а также либо мономерные звенья бутирата целлюлозы, либо мономерные звенья пропионата целлюлозы. Производное целлюлозы представляет собой полимер, содержащий мономерные звенья гидроксиал кил целлюлозы, или карбоксиалкил целлюлозы. Акрилатный полимер или сополимер выбран из полимеров и сополимеров акриловой кислоты, метакриловой кислоты, метилакрилата, этилакрилата, метилметакрилата и этилметакрилата. Дополнительный пленкообразующий полимер может быть выбран из водорастворимых производных целлюлозы, гомополимера и сополимеров виниловых спиртов, гомополимера и сополимеров виниловых фенолов, гомополимера и сополимеров алкиленоксидов, гомополимера и сополимеров малеиновой кислоты, альгинатов, крахмалов, природных полисахаридов, и их комбинаций. Молекулярная масса дополнительного пленкообразующего полимера может быть меньше, чем молекулярная масса пленкообразующего НКТС-полимера.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения композиция может содержать, по крайней мере, одну добавку, выбранную из группы, состоящей из абсорбирующих наполнителей, консервантов, регуляторов рН, пластификаторов, мягчителей, загустителей, антиоксидантов, пигментов, красителей, проводящих веществ, преломляющих частиц, стабилизаторов, связующих агентов, клеящих и адгезионных агентов, ингибиторов липкости, ароматизаторов и подсластителей, терапевтических агентов и усилителей проницаемости кожи.
Другой аспект изобретения относится к термопереключаемому чувствительному к давлению аппликационному материалу, обратимо отлипающему в водных средах при повышении температуры, включающему пленку-подложку с нанесенным на ее поверхность слоем представленной выше адгезионной композиции. Аппликационный материал может быть представлен в виде пластыря, этикетки или липкой ленты. Пленка-подложка представляет собой мембрану из полимерного материала с заданным значением параметра водопроницаемости.
Третий аспект изобретения представляет собой способ получения термопереключаемого чувствительного к давлению аппликационного материала с заданной температурой отлипания аппликационного материала от субстрата (контактной поверхности) в водной среде, включающий:
(a) получение адгезионной композиции смешением пленкообразующего НКТС-полимера и олигомерного нековалентного сшивателя и формирование композиции экструзией в расплаве либо поливом из раствора;
(b) построение диаграммы температуры фазового разделения в смеси полученной адгезионной композиции с водой, с последующим определением количества (доли) абсорбированной воды, требующегося для разделения фаз при необходимой температуре,
(c) выбор пленки-подложки с необходимыми параметрами скорости проницаемости воды, подбор количества адгезионной композиции, необходимой для нанесения на пленку-подложку, размеров пленки-подложки, времени, необходимого для отлипания аппликационного материала от субстрата (контактной поверхности) для заданной температуры исходя из соотношения:
где m - масса адгезионной композиции (г), S - площадь поверхности липкого аппликационного материала, покрытой водопроницаемой пленкой - подложкой (см2), VH2O - скорость проникновения жидкой воды через пленку - подложку (мг/см2 мин), wH2O и wpol - весовые доли абсорбированной воды и адгезионной композиции, относящиеся к критической температуре смешения (CST) на диаграмме температуры фазового разделения в смеси адгезионной композиции системы адгезионная композиция - вода.
(d) получение аппликационного материала с заданной температурой отлипания от субстрата (контактной поверхности) в водной среде посредством нанесения на выбранную пленку-подложку подобранного количества адгезионной композиции. При этом количество абсорбированной воды, требующейся для разделения фаз полученной адгезионной композиции при необходимой температуре, определяют из диаграммы температуры фазового разделения в смеси полученной адгезионной композиции с водой.
Метод отбора полимерных компонентов для использования в термопереключаемой, чувствительной к давлению адгезионной композиции, и способных служить в качестве компонентов стехиометрического полимер - олигомерного комплекса, включающего в себя: (а) выбор пленкообразующего полимера, обладающего подходящей НКТС; и (b) отбор олигомерного нековалентного сшивателя пленкообразующего полимера, содержащего комплементарные реакционно-способные функциональные группы на обоих концах своих коротких цепей, и способного образовывать стехиометрический водородно-связанный комплекс с по крайней мере одним избранным пленкообразующим полимером; и в которой количество пленкообразующего полимера превышает количество олигомерного нековалентного сшивателя.
Метод настройки температуры переключения, обеспечивающей резкий переход из липкого в нелипкое состояние термопереключаемой чувствительной к давлению адгезионной композиции на основе стехиометрического водородно-связанного комплекса гидрофильного пленкообразующего полимера с олигомерным нековалентным сшивателем.
Метод производства термопереключаемой чувствительной к давлению адгезионной композиции, включающий: (a) (i) отбор пленкообразующего полимера, обладающего необходимой величиной НКТС; (ii) выбор олигомерного нековалентного сшивателя, содержащего комплементарные реакционно-способные группы на обоих концах его коротких цепей, и способного образовывать стехиометрический водородно-связанный комплекс с по крайней мере одним из избранных пленкообразующих полимеров; и в которой содержание пленкообразующего полимера выше количества олигомерного нековалентного сшивателя; и (с) получение адгезионной композиции посредством смешения компонентов комплекса в растворе или в расплаве с последующей сушкой поливочного раствора или экструзией расплава,
Адгезионные композиции, получаемые способами по изобретению, обеспечивают ряд значительных преимуществ по сравнению с прототипом. В частности, эти композиции обеспечивают одно или более из следующих преимуществ: в сравнении с известными техническими решениями, они обладают необычайно сильной адгезией, удобны в обращении; их легко модифицировать в процессе получения, в силу чего такие свойства, как адгезия, температура переключения, когезионная прочность, абсорбция воды, прозрачность, и набухание можно регулировать и оптимизировать; их можно составлять так, что липкость будет увеличиваться или уменьшаться в присутствии влаги, в результате чего композиции, которые будут сначала не липкими до их увлажнения, и липкими в гидратированном состоянии ниже температуры переключения, снова станут нелипкими выше НКТС; они будут легко удаляться с поверхности кожи без боли и травмирования кожи, и не оставлять следов; выдерживать продолжительный период ношения или действия; и смогут обеспечивать устойчивое и контролируемое выделение различных активных веществ.
Композиция характеризуется тем, что адгезия возникает в результате образования стехиометрического комплекса между пленкообразующим НКТС-полимером и олигомерным нековалентным сшивателем. При этом наилучшая адгезия возникает в смесях пленкообразующего НКТС-полимера и олигомерного нековалентного сшивателя, в которых стехиометрический комплекс полностью сформирован.
Определения и терминология
Следует понимать, что, если не указано обратное, это изобретение не ограничивается конкретными полимерами, олигомерами, сшивающими агентами, добавками, процессами получения, или адгезионными продуктами. Должно быть также понятно, что используемая здесь терминология служит лишь для описания конкретных вариантов осуществления изобретения, и не ограничивается ими.
В описании и формуле настоящего изобретения используется следующая терминология, в соответствии с приведенными ниже определениями.
Формы единственного числа включают в себя и формы множественного числа за исключением тех случаев, когда из контекста совершенно очевидно следует обратное. Так, например, термин "гидрофильный полимер" означает не только единственный гидрофильный полимер, но также два или более гидрофильных полимера, которые могут быть, а могут и не быть смешаны в единую композицию. Термин "пластификатор" означает не только единственный пластификатор, но также два или более пластификатора, которые могут быть, а могут и не быть смешаны в единую композицию, и так далее.
"Гидрофобный" полимер абсорбирует только до 1 мас. % воды при 100% относительной влажности, тогда как "гидрофильные" полимеры поглощают по меньшей мере 1 мас. % воды при 100% относительной влажности.
"Водонабухающий" полимер способен абсорбировать воду в количестве, составляющем по крайней мере 50% от его собственной массы. Таким образом, водонабухающий полимер, весящий х грамм может абсорбировать по крайней мере 0.5х грамм воды, давая гидратированный полимер, весящий по крайней мере 1.5х грамм при весовом соотношении полимера к воде по крайней мере 3:1.
Термин "сшитый" здесь означает полимерную композицию, содержащую внутримолекулярные и/или межмолекулярные нековалентные связи. Нековалентное связывание включает водородное связывание, электростатическое связывание, и ионное связывание.
Термин "полимер", как он здесь используется, включает как линейный, так и разветвленный полимеры и гомополимеры, также как и сополимеры. Последние включают все типы сополимерных структур (например, блоксополимеры, чередующиеся сополимеры, статистические сополимеры, и т.д.), также как сополимеры "высшего порядка" (например, терполимеры). Соединения, упоминаемые здесь как "олигомеры", представляют собой полимеры, имеющие молекулярную массу ниже примерно 1000 г/моль, предпочтительно ниже примерно 800 г/моль.
Используемый термин "водонерастворимый" относится к полимеру, соединению или композиции, чья растворимость в воде, измеренная при 20°С меньше чем 5 мас. %, предпочтительно менее, чем 3 мас. %, и еще более предпочтительно менее чем 1 мас. %. Используемый термин "нерастворимый" относится к полимеру, соединению или композиции, чья растворимость в воде, полярных органических растворителях, и, возможно, неполярных органических растворителях, измеренная при 20°С, составляет менее чем 5 мас. %, предпочтительно менее чем 3 мас. %, и еще более предпочтительно менее чем 1 мас. %.
Используемый термин "гидрогель" в обычном смысле означает водонабухаемые полимерные матрицы, которые могут абсорбировать существенное количество воды с образованием упругих гелей, где "матрицы" представляют собой трехмерные сетки макромолекул, удерживаемых вместе ковалентными или нековалентными сшивками. После помещения в водное окружение, сухие гидрогели набухают до степени, позволяемой степенью сшивки.
Термин "гидрогелевая композиция" относится к композиции, содержащей гидрогель, или целиком состоящей из гидрогеля. В этом качестве, "гидрогелевые композиции" охватывают не только гидрогели сами по себе, но также композиции, содержащие гидрогель и один или более негидрогелевых компонентов, или композиций.
Термины "липкий" и "липкость" являются качественными. Однако, термины "по существу нелипкий", "слегка липкий", и "липкий", как они здесь используются, могут быть количественно охарактеризованы, используя величины, полученные с помощью методов определения липкости PKI, определения липкости TRBT, или определения липкости ЧДА /Polyken Probe (Solutia, Inc.). Используемый термин "по существу нелипкий" относится к композиции, имеющей величину липкости менее чем около 25 г-см/с, термин "слегка липкий" относится к композиции, имеющей величину липкости в диапазоне от около 25 г-см/с до около 100 г-см/с, и термин "липкий" относится к композиции, имеющей величину липкости по крайней мере 100 г-см/с.
Термин "пластификатор" используется в обычном смысле слова и обозначает соединение относительно малой молекулярной массы, которое смешивается с полимером или полимерной смесью и понижает их температуру стеклования и модуль упругости.
Термин "чувствительный к давлению адгезив" (ЧДА) относится к полимерным материалам, образующим прочную адгезионную связь с любой поверхностью при приложении очень небольшого внешнего давления (1-10 Па) в течение краткого периода времени (1-5 секунд).
Термин "биоадгезив" означает гидрогель, проявляющий чувствительную к давлению адгезию к чрезвычайно гидратированным биологическим тканям, таким как мукозальная биологическая ткань.
Термин «гидрофильный» и «гидрофобный» характеризует полярность химического вещества и его способность взаимодействовать с молекулами воды и растворяться в воде. Гидрофильные (от греч. "филео" - любить, имеющие положительное сродство к воде) вещества имеют полярную молекулу, включающую электроотрицательные атомы (кислород, азот, фосфор и др.). В результате отдельные атомы таких молекул также обретают частичные заряды и образуют водородные связи с молекулами воды. Примеры: сахара, аминокислоты, органические кислоты. Гидрофобные (от греч. "фобос" - страх, имеющие отрицательное сродство к воде) вещества неполярны и не смешиваются с полярным растворителем, каковым является вода, но хорошо растворимы в органических растворителях, например, в эфире. Примером могут служить углеводороды (бензин, керосин, парафин), животный жир, растительное масло.
Некоторые полимеры, несущие притягивающиеся группы, называются "умными", "разумными" или "чувствительными к стимулам", поскольку они демонстрируют критические явления, такие как, например, фазовые переходы, которые могут быть вызваны внешними стимулами: изменениями температуры, рН, сменой растворителя, ионным составом, электрическим и магнитным полями, светом и т.д.
Термин "термоотвечающий адгезив" дает определение адгезионным композициям, изменяющим прочность их адгезионной связи с изменением температуры.
Термин "термопереключаемый адгезив" обозначает термоотвечающий адгезив, обратимо изменяющий его адгезионную прочность.
Большинство синтетических макромолекул легче растворяются при нагревании, но некоторые водорастворимые полимеры осаждаются из раствора при нагревании. Это необычное свойство, называемое обратной температурно-зависимой растворимостью, характерно для полимеров, которые растворяются при охлаждении, и показывают фазовое разделение при нагревании выше температуры фазового перехода, известной как "нижняя критическая температура смешения (НКТС)".
Термин "нижняя критическая температура смешения (НКТС)" означает минимальную критическую температуру, ниже которой компоненты смеси совместимы, а выше которой они не смешиваются. Величина НКТС зависит лишь от структуры и молекулярной массы полимера. В противоположность этому, «критическая температура смешения (КТС)» является также функцией состава композиции полимер - растворитель. В зависимости от состава смеси, ниже КТС полимер растворим в растворителе, тогда как выше КТС полимер и растворитель не совместимы и образуют двухфазную смесь.
"Точка помутнения" раствора полимера, обладающего НКТС, представляет собой температуру, при которой начинается фазовый распад смеси и появляются две фазы, приводя к помутнению. Такое поведение типично для неионогенных поверхностно-активных веществ и полимеров, содержащих поли(алкил амидные) или полиоксиэтиленовые цепи, чье температурное поведение показывает обратимую растворимость в воде и, поэтому "затуманивание" в некоторой точке при подъеме температуры. Ниже НКТС испытуемый раствор должен быть прозрачным в слое толщиной 40 мм. Гель-фаза сначала обычно образуется с появлением белесого или молочного тумана (облака). Точкой помутнения является температура, при которой эта фаза начинает возникать.
Термин "комплекс" или "интерполимерный комплекс" относится к ассоциатам макромолекул двух или более комплементарных полимеров, которые образуются в результате притягательных взаимодействий между их функциональными группами.
Термин "стехиометрия" относится к пропорциям, в которых химические вещества вступают в химические реакции, или нековалентно связываются друг с другом. В этом смысле, "стехиометрический комплекс" означает комплекс определенного химического состава, в котором все компоненты комплекса соединены в строго определенной пропорции.
Стехиометрические полимер - олигомерные водородно-связанные комплексы образуются посредством механизма самосборки полимерных и олигомерных цепей в трехмерные сетчатые супрамолекулярные структуры. По существу, стехиометрический интерполимерный комплекс ведет себя как новое химическое вещество и проявляет свойства, нетипичные для исходных компонентов. Показано, что стехиометрический состав полимер - олигомерного комплекса задается длиной олигомерных цепей [A. Patel, D. Schlueter, М. Karakelle, Switchable tackiness coating compositions for ophthalmic implants, Patent Application WO 2002/019992; D. Ma, H. Chen, D. Shi, Z. Li, J. Wang, Preparation and characterization of thermo-responsive PGMS surfaces grafted with poly(N-isopropylacrylamide) by bemzophenone-initiated photopolymerization, J. Colloid Interface Sci. 2009, 332, 85-90]. Относительно длинноцепочечные олигомеры образуют существенно более редкие Н-связанные сетки, чем их короткоцепные аналоги.
Термин "когезия" относится к межмолекулярному взаимодействию между подобными или комплементарными, взаимодействующими макромолекулами. Движущая сила межмолекулярной когезии - водородное, электростатическое и/или ионное связывание между комплементарными макромолекулами. В полимерных композиционных материалах топологические зацепления длинных цепей служат дополнительным фактором, способствующим высокой силе когезии.
В интерполимерных комплексах высокая энергия когезии возникает благодаря формированию ионных, электростатических или водородных связей, сшивающих цепи полимера в трехмерную сетку. Водородное связывание существенно слабее, чем электростатическое или ионное связывание, тогда как ионные связи намного более слабы, чем ковалентные связи. Однако сравнительно слабые межмолекулярные связи имеют преимущество перед сильными ковалентными связями в отношении механической прочности и адгезии полимерных смесей. Будучи однажды разорванной, ковалентная связь неспособна к повторному восстановлению. Напротив, ионные, электростатические и водородные связи имеют временный характер и демонстрируют способность разрыва и воссоздания на новом месте под прилагаемым механическим напряжением или напряжением разрыва. В результате, вязкоупругая деформация и разрушение сеток ЧДА, вовлекающих ионное, электростатическое и водородное связывание, могут требовать затраты намного большей механической энергии, чем в ковалентно сшитых адгезионных композициях. Таким образом, непостоянный характер сравнительно более слабого межмолекулярного взаимодействия значительно способствует прочности адгезионных связей.
Интерполимерные комплексы - это нековалентно сшитые трехмерные сетки полимера (гели), получающиеся в результате ионного, электростатического или водородного связывания между комплементарными функциональными группами в их макромолекулах. Если оба комплементарных полимера содержат ионогенные функциональные группы, то их совместный продукт называют полиэлектролитным комплексом. Отличительная особенность "водородной связи" между протон-донорной и протон-акцепторной комплементарными группами заключается в том, что обе реакционно-способные группы и продукт их взаимодействия не несут электрического заряда. "Электростатическая связь" является взаимодействием протон-донорной и протон-акцепторной групп, которые первоначально не заряжены, но их взаимодействие сопровождается переносом протона и возникновением заряда. И, наконец, "ионная связь" является взаимодействием противоположно заряженных (катионной и анионной) групп с формированием ионной (солевой) связи.
Термин "свободный объем" полимера используется для определения незанятого или вакантного пространства, доступного для сегментального движения макромолекул. Свободный объем материала - разница между общим объемом и объемом, занимаемым ядром и вибрационными составляющими строительных блоков (атомов). В полимерной физике понятие свободного объема издавна используется для интерпретации и объяснения молекулярной подвижности макромолекул наряду с такими фундаментальными свойствами и величинами, как переход из высокоэластического состояния в стеклообразное, температура перехода стеклования, вязкоупругое поведение, адгезия и релаксация, диффузия, и другие транспортные свойства полимерных систем. Наряду с энергией межмолекулярной когезии, свободный объем - фактор, определяющий значения плотности энергии когезии (параметра растворимости) и параметра взаимодействия Флори-Хаггинса.
Желательно получить водонабухаемые, термопереключаемые, чувствительные к давлению адгезионные полимерные композиции (адгезионные гидрогели), которые способны формировать гомогенные пленки либо после полива раствора на защитный слой с последующей сушкой, или под внешним давлением, например, путем экструзии. Пленкообразующая способность требует, чтобы полимерная смесь была свободна от ковалентных сшивающих связей. Смешивание полимеров представляет удобный способ получения композиционных материалов с заранее заданными свойствами, так как свойства смеси обычно являются промежуточными между свойствами несмешанных компонентов, в случае несмешивающихся или частично смешивающихся компонентов. Для получения нерастворимого в воде композита, водонерастворимые материалы обычно смешиваются с растворимыми в воде материалами. Однако это часто приводит к разделению фаз, которое не способствует адгезии. Кроме того, нерастворимость компонентов смеси может осложнять процедуру смешения, которая часто представляет собой растворение всех компонентов в общем растворителе с последующим поливом и сушкой раствора.
Получение композиционных полимерных материалов, свойства которых новы и нетипичны для исходных компонентов, требует высокого умения и профессионализма исследователя. Эта проблема может быть решена в случае, если компоненты смеси способны к сильному притягательному взаимодействию друг с другом. Чаще всего, такое взаимодействие -это водородное, электростатическое или ионное связывание. В этом случае смешение двух или больше растворимых пленкообразующих полимеров с олигомером, имеющим функциональные реакционно-способные группы на обоих концах его коротких цепей, может привести к образованию их трехмерного сетчатого комплекса, схематично показанного на РИС. 1.
Для решения указанных выше проблем, данное изобретение направлено на разработку метода получения водонабухающих, термопереключаемых, чувствительных к давлению адгезионных, пленкообразующих композиций путем смешивания растворимых полимеров, обладающих подходящими величинами НКТС, в частности смещением гидрофильных полимеров с комплементарными макромолекулами, которые способны к образованию водородных, электростатических или ионных связей.
В целом изобретение заключается в том, что термопереключаемые адгезионные композиции содержат по крайней мере один пленкообразующий гидрофильный полимер, имеющий по крайней мере один линейный сегмент с множеством повторяющихся полярных групп, и по крайней мере один олигомерный нековалентный сшиватель/пластификатор, совместимый (то есть, смешивающийся) или по крайней мере частично совместимый с пленкообразующим полимером. Пленкообразующий полимер присутствует в более высокой концентрации, чем его комплементарный многофункциональный олигомерный нековалентнй сшиватель, и именно эта более высокая концентрация определяет пленкообразующие характеристики композиции. Поэтому, хотя существует много материалов, подходящих для использования либо в качестве пленкообразующего полимера, или в качестве комплементарного многофункционального олигомерного сшивателя, их функция определена количеством компонента в композиции. Если повторяющиеся полярные группы или повторяющиеся функциональные группы принадлежат к классу ионогенных, другим фактором, управляющим созданием композиционного материала, является степень ионизации или рН смеси.
Например, поликислоты, такие как акриловые полимеры, несущие протон-донорные функциональные карбоксильные группы, или полиспирты, несущие гидроксильные протон-донорные функциональные группы, а также протон-акцепторные полимеры, такие как поли(N-винил лактамы), полиамиды или полиамины, одинаково подходят для использования, как в качестве пленкообразующего полимера, так и в качестве комплементарного многофункционального полимерного нековалентного сшивателя. В композиции, имеющей большее содержание поли(N-винил лактама), полиамида или другого протон-акцепторного НКТС полимера по отношению к количеству акрилатного олигомера или полиспирта, поли(N-винил лактам) или полиамид, либо иной протон-акцепторный полимер служат в качестве пленкообразующего полимера, а акрилатный олигомер или полиспирт выполняет функции комплементарного мультифункционального нековалентного сшивателя.
Поддержание указанного значения рН в смеси или в добавке, используемой при получении композиции, является дополнительным фактором, управляющим процессом получения композиции в случае, когда присутствуют один или более ионогенных полимеров. Ионизированные группы способны только к ионному связыванию, но не к электростатическому или водородному. Полностью или частично ионизированные полимеры всегда растворимы в воде, тогда как неионизированные полимеры как правило, являются нерастворимыми или плохо растворимыми в воде. Следовательно, степень ионизации заметно влияет на растворимость и набухание интерполимерных комплексов, основанных на ионогенных полимерах. Кроме того, изменяя значение рН и степень ионизации, можно управлять адгезионными свойствами композиционных материалов. Действительно, адгезия - результат определенного баланса между энергией когезионного взаимодействия и свободным объемом. Поскольку полимерные компоненты несут противоположные заряды, то когезия усиливается. При смешении одноименно положительно или отрицательно заряженных полимеров, когезия немедленно подавляется, и свободный объем увеличивается. Кроме того, из-за электростатического отталкивания между функциональными группами идентичного заряда, жесткость цепи и свободный объем обычно увеличиваются. Все эти факторы сильно влияют на адгезионные свойства.
Профиль адгезии водонабухаемых, термопереключающихся, чувствительных к давлению адгезионных пленкообразующих композиций изобретения может быть задан посредством выбора исходных материалов, отношения их концентраций, значений НКТС, степени ионизации и количества воды в смеси. Олигомерный нековалентный сшиватель, отношение его содержания к количеству пленкообразующего полимера, концентрация дополнительного пластификатора и степень ионизации должны быть подобраны так, чтобы обеспечить желаемый профиль адгезии при увлажнении. Обычно, относительно слабо «сшитые» композиции через сравнительно свободные водородные связи, и обладающие достаточно большим свободным объемом, обеспечивают начальное адгезию в сухом состоянии. Когда степень «сшивания» и когезионная прочность сетки в интерполимерном комплексе становится выше некоторого критического значения, энергия когезии доминирует над свободным объемом, и такие составы являются обычно нелипкими в сухом состоянии. Однако если свободный объем в этой смеси повысить (например, добавляя подходящий пластификатор), то адгезия немедленно возрастает. Поскольку вода - хороший пластификатор для гидрофильных полимеров, поглощение воды до определенной степени приводит к усилению адгезии. Электростатические связи заметно более прочны, чем водородные связи, поэтому когезия в смесях полимеров, имеющих карбоксильные группы, обычно выше, чем в материалах, основанных на полимерах, имеющих гидроксильные группы. Адгезия в таких смесях обычно появляется с повышением концентрации абсорбированной воды. Гибкие полимеры обеспечивают более высокую адгезию, чем полимеры с жесткими цепями. Например, для смесей поливинилпирролидона (ПВП) в качестве пленкообразующего полимера, когда нековалентный сшиватель полимера является жесткоцепным эфиром целлюлозы, несущей ОН группы, композиция обычно обладает липкостью еще до контакта с водой (например, со смоченной поверхностью), но постепенно теряет адгезию, по мере того, как композиция впитывает влагу. Когда нековалентный полимерный сшиватель является карбоксил-содержащим акриловым полимером или сополимером, композиция может быть вообще в сущности нелипкой до контакта с водой, но затем становится липкой после контакта с влажной поверхностью.
Целью нашей работы является получение и исследование свойств новых ЛИПКИХ влагопоглощающих термопереключаемых адгезивов. Липкие полимеры могут быть получены различными методами, на разных основах, в том числе на основе гелей, в частности на основе гелей, содержащих воду (гидрогелей).
Гели - это сшитые полимерные системы. Сшивка может осуществляться за счет нековалентных взаимодействий, например - образования водородных или ионных связей, а также за счет создания ковалентных сшивок. В первом случае, чтобы получить гель, достаточно смешать исходные полимеры в определенном отношении. Во втором случае гель получают методами органической химии. Исходные компоненты связывают друг с другом с помощью, специальных молекул, создающих мостики между функциональными группами исходных полимеров, или методами поликонденсации, когда функциональные группы полимерных компонентов связываются напрямую, выделяя, например, воду.
Нековалентный характер межполимерных сшивок важен для липкости и адгезии. Липкость - способность образовывать адгезионные соединения, т.е. скреплять склеиваемые поверхности (не намертво, а так, чтобы при желании их можно было бы разделить и создать вновь). Адгезия - это количество механической энергии, затраченной на разрушение адгезионных связей. Липкость адгезивов необходимое, но не достаточное условие адгезии.
Полимерные компоненты
В первом варианте изобретение предлагает метод получения гидрофильных ЧДА посредством смешения определенного количества отобранного пленкообразующего полимера с определенным количеством выбранного пластификатора, такого как комплементарные короткоцепные пластификаторы.
Термопереключаемая чувствительная к давлению адгезионная композиция по настоящему изобретению, как правило, содержит один или несколько пленкообразующих гидрофильных полимеров, и следовательно, их комплементарный олигомерный нековалентный сшиватель. В целях этого изобретения, по крайней мере, один из вышеупомянутых пленкообразующих полимеров выбран из группы гидрофильных полимеров, содержащих функциональные реакционно-способные группы в повторяющихся звеньях их основной цепи, которые принадлежат группе полимеров, обладающих нижней критической температурой смешения (НКТС). Это обязательный и главный полимерный компонент термопереключаемой, чувствительной к давлению адгезионной композиции, который здесь называется «Пленкообразующий НКТС - полимер» (Film-Forming LCTS-Polymer).
В то время как, по крайней мере, один из пленкообразующих полимеров всегда обладает НКТС и ответственен за переключение адгезии с изменением температуры, другие пленкообразующие полимеры являются необязательными и предназначенными для того, чтобы выполнить вспомогательные функции в смеси, такие как формирование ответных реакций нарН среды или улучшение реологических свойств. Такие пленкообразующие полимеры называются здесь "Дополнительный Пленкообразующий Полимер".
Другим обязательным компонентом термопереключаемой чувствительной к давлению адгезионной композиции является комплементарный нековалентный сшиватель пленкообразующих полимеров. Это олигомер, имеющий реакционно-способные функциональные группы на обоих концах его короткой цепи и способный формировать стехиометрический Н-связанный сетчатый комплекс с Пленкообразующим НКТС-Полимером. Этот обязательный компонент термопереключаемой ЧДА композиции называется здесь "Нековалентным Олигомерным Сшивателем".
Надмолекулярная структура такого сетчатого комплекса схематично показана на Рис. 1. Стехиометрия полимер - олигомерного сетчатого комплекса является неэквимолярной, принимая во внимание, что не все реакционно-способные функциональные группы Пленкообразующего НКТС Полимера вовлечены в водородное связывание с комплементарной концевой группой короткоцепного Нековалентного Олигомерного Сшивателя. Характерной особенностью полимер - олигомерного комплекса является то, что межмолекулярная когезия (результат интерполимерного водородного связывания) уравновешена большим свободным объемом, создаваемым длиной и гибкостью цепей Нековалентного Олигомерного Сшивателя. Вообще говоря, высокая когезия и большой свободный объем - это взаимно исключающие друг друга свойства, которые трудно совместить в одном материале. Надлежащее сочетание этих противоречащих друг другу факторов является необходимым условием чувствительной к давлению адгезии.
В то время как Нековалентный Олигомерный Сшиватель формирует с Пленкообразуюшим НКТС-полимером комплекс неэквимолярной стехиометрии (Рис. 1), Дополнительный Пленкообразующий Полимер и Пленкообразующий НКТС-полимер, несущие реакционно-способные функциональные группы в повторяющихся звеньях их основных цепей, имеют тенденцию образовывать комплекс эквимолярной стехиометрии. Характерной особенностью такого интерполимерного комплекса является доминирование межмолекулярной когезии над свободным объемом, что является неблагоприятным фактором для высокой адгезии.
Пленкообразующий НКТС-полимер и Комплементарный Нековалентный Олигомерный Сшиватель, как правило, отбираются из тех же самых классов гидрофильных полимеров и сополимеров. По определению, Пленкообразующий НКТС-полимер имеет наибольшую массовую долю в смесевых композициях изобретения. Как правило, Пленкообразующий НКТС -полимер составляет от приблизительно 20 масс. % до приблизительно 95 мас. % смесевых композиций изобретения, в то время как Комплементарный Нековалентный Олигомерный Сшиватель составляет приблизительно от 0.5 мас. % до приблизительно 50 мас. % в смесях и композициях изобретения.
Кроме Пленкообразующего НКТС - Полимера и Нековалентного Олигомерного Сшивателя, терморегулируемая ЧДА композиция данного изобретения также может содержать Дополнительный Пленкообразующий Полимер. Желательно, хотя и необязательно, чтобы оба пленкообразующих полимера имели комплементарные функциональные группы в своих повторяющихся звеньях. Так или иначе, они должны быть совместимы друг с другом, так как часто разделение фаз ухудшает чувствительную к давлению адгезию.
Чаще всего, (хотя и не всегда обязательно), Пленкообразующий НКТС - полимер также должен иметь более высокую молекулярную массу, чем ММ добавок многофункционального Дополнительного Пленкообразующего Полимера. Молекулярная масса Пленкообразующего НКТС - полимера обычно должна лежать в диапазоне приблизительно от 20000 до 3000000 г/моль, предпочтительно в диапазоне приблизительно 100000-2000000, и наиболее предпочтительно в диапазоне приблизительно 100000-1500000 г/моль.
Повторяющиеся полярные группы Пленкообразующего НКТС - полимера и повторяющиеся функциональные группы Дополнительного Пленкообразующего Полимера могут содержать гетероатомы основной цепи, например, кислородный атом простого эфира (-О-) или сложноэфирную (-(СО)-О-) группировку, атом азота амино (-NH-), имино (-N=), или амидных (-NH(СО)-) групп, атом серы в тиоэфирном (-S-) соединении, и т.п. Повторяющиеся полярные группы и повторяющиеся функциональные группы могут также включать боковые группы, например:
гидроксильные;
сульфгидрильные;
C1-C18 гидрокарбилокси, предпочтительно C1-C8 алкокси;
С2-С18 ацильные, предпочтительно С2-С8 ацильные (например С2-С8 алкикарбонильные);
С2-С18 ацилокси, предпочтительно С2-С8 ацилокси (e.g., С2-С8 алкилкарбонилокси);
С2-С18 гидрокарбилоксикарбонильные (-(СО)-О-алкильные), предпочтительно С2-С8 алкоксикарбонильные (-(СО)-О-алкильные));
карбоксильные (-СООН);
карбоксилатные (-СОО-);
карбамоил (-(CO)-NR2 где R это Н или C1-С18 углеводородная группа, предпочтительно Н или C1-С8 алкил);
циано(-С≡N);
изоцианатные (-N+≡CT);
цианатные (-O-C≡N);
изоцианатные (-O-N+≡C-);
формильные (-(СО)-Н);
амино, то есть -NR1R2, где R1 и R2 независимо выбраны из Н и C1-C18 углеводородных групп, предпочтительно отобраны из Н, C1-C8 алкила, и С5-С12 арила, или связаны для формирования произвольно заменяемого пяти- или шестичленного кольца, таким образом включая моно-(С1-С8алкил)-замещенный амино, ди-(С1-С8алкил)-замещенный амино, моно-(C5-С12 арил)- замещенный амино, и ди-(С5-С12 арил)-замещенный амино), пиперидинильные, пирролидинильные, и пирролидонильные;
четвертичный аммоний, то есть, -[NR3R4R5]+Q- где R3, R4, and R5 это C1-C18 углеводород, предпочтительно C1-C8 алкил, и наиболее предпочтительно С1-С4 алкил, и Q-отрицательно заряженный противоион, например, анион галогена;
С2-С18 алкиламидо, предпочтительно С2-С8 алкиламидо (-NH-(СО)-алкил);
С6-С18 ариламидо, предпочтительно С6-С12 алкиламидо (-NH-(CO)-aryl);
нитро (-NO2);
сульфо (-SO2-OH);
сульфонатные (-SO2-O-);
C1-C18 гидрокарбилсульфанильные, предпочтительно C1-C8 алкилсульфанильные (-S-углеводород и -S-алкил, соответственно, также называемые "гидрокарбилтио" и "алкилтио";
фосфоно (-P(O)(ОН)2);
фосфонатные (-P(O)(O-)2);
фосфинатные (-P(O)(O-)); и
фосфо (-PO2),
Любое вещество можно заменить, (если это позволительно), например, углеводородными группами и/или комплементарными функциональными группами. Боковые группы могут также быть непосредственно связаны с атомом основной цепи полимера, или они могут быть косвенно связаны через связывающуюся группу (например, C1-C18 углеводородный линкер, такой как С2-С18 алкиленовый мостик). Дополнительно могут быть два или больше типа полярных групп Пленкообразующего НКТС - полимера (который может включать гетероатомы основной цепи, так же как и подвешенные полярные группы) и два или больше типа функциональных групп Дополнительного Пленкообразующего Полимера (опять таки, который может включать гетероатомы основной цепи, так же как боковые полярные группы).
Предпочтительные боковые группы полимеров представляют те, которые легко синтезируются или коммерчески доступны. Они обычно включают гидрокси, С1-С8 алкокси, карбоксил, карбоксиилато, сульфо-, сультфонато, амино-, ди-(С1-С8 алкил)-замещенные амино группы, четвертичный аммоний, пиперидинил, пирролидинил, пирролидиниловые и фосфоновые группы.
Данное изобретение не ставит своей целью того, чтобы Дополнительный Пленкообразующий Полимер обязательно обладал НКТС.
В то время как Пленкообразующий НКТС-Полимер является основным компонентом термопереключаемой адгезивной смеси, Дополнительный Пленкообразующий Полимер всегда является второстепенным компонентом. Как правило, содержание Дополнительного Пленкообразующего Полимера должно быть меньше содержания Нековалентного Олигомерного Сшивателя.
Гидрофильный пленкообразующий НКТС-полимер
Специалистам в указанной области весьма важно знать, что фактически здесь могут быть использованы любые полимеры, соответствующие вышеупомянутым критериям. Подходящие НКТС-полимеры включают, но не ограничиваются следующими примерами:
Полимеры, имеющие амидные группы, которые формируют самую многочисленную группу термочувствительных полимеров, обладающих НКТС. Такие полимеры включают: поли(N-алкил акриламиды, например ПN-ИПАМ, поли(N-изопропилакриламид); ПДЭААМ, Поли(N,N-диэтилакриламид).
Поли(N-виниловые амиды, например, ПВАА, поли(N-винил ацетамид).
Поли(N-винил лактамы, например ПВВЛ - поли(винил-2-валеролактам), и ПВКЛ - поли(N-винилкапролактам);
Поли(2-алкил-2-оксазолины), например, ПИПО3-поли(2-изопропил-оксазолин).
Поли(виниловые эфиры), например ПВМЭ - поли(винил метиловый эфир), ПВЭЭ - поли(винил этиловый эфир), ПВПЭ - поли(винил пропиловый эфир), ПВИПЭ - поли(винил изопропиловый эфир), ПВБЭ - поли(винил бутиловый эфир), ПВИБЭ - поли(винил изобутиловый эфир).
Поли(алкилен оксиды), такие как полипропилен оксид (ППО), блоксополимеры (то есть блоксополимеры этилен оксида и пропилен оксида), и полоксамеры (то есть сополимеры этилен оксида и пропилен оксида);
Полилактид и поли(лактид-ко-гликолид);
Эфиры целлюлозы и другие производные целлюлозы, включая ацетат целлюлозы, ацетат бутират целлюлозы, ацетат пропионат целлюлозы, бутират целлюлозы, диацетат целлюлозы, фталат целлюлозы, пропионат целлюлозы, бутират пропионат целлюлозы, триацетат целлюлозы, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропицеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза фталат, метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, и натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы;
Блоксополимеры с блоками, проявляющиеми различные НКТС.
Статистические сополимеры вышеупомянутых мономеров с регулируемой термочувствительностью.
НКТС сополимеры, обеспечивающие комбинацию термочувствительных и цвиттер-ионных свойств: блоксополимеры с блоками, показывающими НКТС и верхнюю критическую температуру смешения (ВКТС).
Термообратимые Гидрогели, основанные на ПНИПАМ и цвиттер-ионном сомономере. НКТС Полимеры и композиции, обеспечивающие комбинацию термо- и рН - чувствительных свойств, в том числе статистические сополимеры и гидрогели, комплексы блок- и привитых сополимеров, интерполимерные комплексы.
Молекулярная масса гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера не имеет решающего значения; однако, средняя молекулярная масса гидрофильного полимера находится обычно в диапазоне приблизительно от 100000 до 2000000 г/моль, в большей мере в диапазоне приблизительно от 500000 до 1500000 г/моль. Гидрофильный Пленкообразующий НКТС -полимер может быть или может не быть липким по своей природе, поскольку нелипкий гидрофильный полимер станет адгезионным при смешении с определенным количеством Нековалентного Олигомерного Сшивателя, также выполняющего функции пластификатора.
Нековалентный олигомерный сшиватель
Если у Нековалентного Олигомерного Сшивателя достаточно низкое значение температуры стеклования (ниже -30°С, измеренное ДСК), то он также обладает свойствами пластификатора. В этом случае термопереключаемые адгезионные смеси не требуют добавления специального пластифицирующего агента. В зависимости от температуры стеклования Пленкообразующего НКТС-полимера, оптимальное значение Тс Нековалентного Олигомерного Сшивателя находится между - 50 и - 100°С, предпочтительно между - 65 и - 80°С.
Дополнительный Нековалентный Олигомерный Сшиватель Пленкообразующего НКТС-полимера, выполняющий также функции пластификатора, является гидрофильным полимером, содержащим концевые гидроксильные группы, аминогруппы или карбоксильные группы, и, как правило, является мономерным или олигомерным материалом, у которого температура стеклования Тс находится в диапазоне приблизительно от -100°С до приблизительно -30°С, а температура плавления Тп ниже приблизительно 20°С. Нековалентный Олигомерный Сшиватель, действующий как пластификатор, также может быть аморфным. Обычно у Нековалентных Олигомерных Сшивателей / пластификаторов молекулярная масса находится в диапазоне от приблизительно 45 до приблизительно до 800 г/моль, предпочтительно в диапазоне приблизительно от 45 до приблизительно 600 г/моль.
Гидрофильный Пленкообразующий НКТС-Полимер и Нековалентный Олигомерный Сшиватель должны смешиваться друг с другом, то есть они должны быть способными формировать гомогенную смесь, обладающую единственной Тс, промежуточной между Тс несмешанных компонентов.
У Пленкообразующего НКТС Полимера и его Нековалентного Олигомерного Сшивателя должны быть разные длины цепи (как уже понятно из вышесказанного). Соотношение молекулярных масс гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера к молекулярной массе Нековалентного Олигомернго Сшивателя / короткоцепного пластификатора должно быть в пределах приблизительно от 200 до 200000, предпочтительно в пределах приблизительно 1250 и 20000. Кроме того, Пленкообразующий НКТС-полимер и Нековалентный Олигомерный Сшиватель / пластификатор должны содержать комплементарные функциональные группы, способные к водородному или электростатическому связыванию друг с другом. В идеале, комплементарные функциональные группы Пленкообразующего НКТС-полимера должны быть расположены в основных цепях полимера, в то время как функциональные группы Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора предпочтительно должны быть расположены на противоположных концах линейной молекулы, и не входить в состав основной цепи в случае, если Нековалентный Олигомерный Сшиватель / пластификатор является короткоцепным полимером или низкомолекулярным соединением. Формирование водородных или ионных связей между двумя концевыми функциональными группами Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора и соответствующими функциональными группами в основной цепи гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера приводит к стехиометрической нековалентно связанной надмолекулярной сетчатой структуре, проиллюстрированной в общих чертах в упрощенном виде на рисунке 1. Сильное взаимодействие между комплементарными группами Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора и гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера придает сетке когезионную прочность. В то же самое время, из-за длины и гибкости молекул Нековалентного Олигомернго Сшивателя / пластификатора, они ведут себя как спейсеры, создавая свободный объем между когезионно взаимодействующими макромолекулами гидрофильного полимера.
Таким образом, достигаются обе очевидно противоречащие друг другу эксплуатационные характеристики чувствительных к давлению адгезивов: характерная для жидкостей текучесть, необходимая для образования адгезионной связи, и высокоэластическое сопротивление сдвигу, необходимое для затраты большой механической энергии при разрушении адгезионного соединения.
Различие между значениями Тс Пленкообразующего НКТС-полимера и Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора имеет решающее значение для адгезионных характеристик смеси пластификатора и полимера. Желательно Тс компонентов должны различаться больше чем на 50°С, предпочтительно больше чем на 100°С, и наиболее предпочтительно в диапазоне приблизительно от 150°С до приблизительно 300°С.
Кроме того, пригодный Нековалентный Олигомерный Сшиватель должен уменьшать температуру стеклования смеси гидрофильного Пленкообразующего НКТС - Полимера/пластификатора в большей степени, чем предсказано уравнением Фокса, которое записывается в форме (1)
где Тс - температура стеклования смеси гидрофильного полимера и пластификатора, wпол - массовая доля гидрофильного Пленкообразующего НКТС - полимера в смеси, wнкс - массовая доля Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора в смеси, Тс пол - температура стеклования гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера, и Тс нкс - температура стеклования Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора. Вообще говоря, отклонение от предсказанного значения Тс достигает максимальной отрицательной величины в точке, где адгезионная прочность является максимальной.
Таким образом, массовое соотношение содержания гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера к Нековалентному Сшивателю/ пластификатору должно иметь определенное значение для достижения адгезии в смеси нелипкого гидрофильного Пленкообразующего НКТС - полимера и комплементарного короткоцепного Нековалентного Сшивателя / пластификатора. Как было указано ранее, для смесей ПВП с ПЭГ400 [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015,42, 79-153; M.M. Feldstein, N.A.
Как показано в [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, G.A. Shandryuk, N.A.
где S - мольный процент сшитых звеньев полимера, wпол, и MWпол - массовая доля полимера и молекулярная масса повторяющихся звеньев полимера, MWнкс - молекулярная масса макромолекулы нековалентного олигомерного сшивателя, и w*нкс - отрицательное отклонение Тс смеси от значения, предсказанного по уравнению Фокса.
Изобретатели данного материала обнаружили, что адгезионная смесь, имеющая оптимизированную (например, самую большую), степень адгезии может быть получена из гидрофильного полимера и комплементарного Нековалентного Олигомерного Сшивателя / пластификатора, с помощью выбора компонентов и их относительных содержаний для создания стехиометрического комплекса Пленкообразующего НКТС - полимера с Нековалентным Олигомерным Сшивателем / пластификатором. Действительно, как показали наши недавние неопубликованные данные, только те смеси Пленкообразующих Полимеров (как термочувствительные, так и нет) с комплементарным Нековалентным Сшивателем / пластификатором являются липкими, чей комплекс особой неэквимолярной стехиометрии полностью сформирован, даже если каждый исходный компонент комплекса в несмешанном состоянии является нелипким.
Стехиометрией полимер - олигомерного комплекса управляет длина коротких цепей Нековалентного Олигомерного Сшивателя [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, S.A. Kuptsov, G.A. Shandryuk, N.A.
Как было установлено впервые в данном изобретении, в то время как в смесях ПВП с ПЭГ400 приблизительно 20% звеньев ПВП связаны водородной связью с концевыми гидроксильным группам ПЭГ, образуя стехиометрический сетчатый комплекс, в смесях ПВКЛ с тем же самым олигомером приблизительно 60% повторяющихся звеньев являются сшитыми через цепи ПЭГ400.
Стехиометрический состав полимер - олигомерного комплекса очень хорошо коррелирует с адгезионными свойствами. В то время как в смесях ПВП с ПЭГ400 лучшая адгезия достигается при 36 масс. % ПЭГ 400, для смесей ПВКЛ - ПЭГ 400 лучшая адгезия наступает при 60 масс. % ПЭГ 400.
Примеры подходящих Нековалентных Олигомерных Сшивателей / пластификаторов включают, но не ограничиваются следующим списком:
Низкомолекулярные полиспирты (например, глицерин),
Мономерные или олигоалкиленовые гликоли, такие как этиленгликоль и пропиленгликоль,
Простые эфиры спиртов (например, эфиры гликоля), гидрохинон,
Олигомеры содержащие фенольные группы, например дифенил, бисфенол А,
Алкановые диолы: от бутан диолов до октан диолов включительно,
Производные полиалкиленгликолей с концевой карбоксильной группой и с концевой амино группой, такие как полиэтиленгликоль, и карбоновые дикислоты.
Наиболее предпочтительны полиалкиленгликоли с нужной концевой карбоксильной группой, а полиэтиленгликоль, имеющий молекулярную массу в диапазоне от приблизительно 300 до 600 г/моль является оптимальным Нековалентным Сшивателем /пластификатором.
Дополнительный пленкообразующий полимер
Подходящие гидрофильные Дополнительные Пленкообразующие Полимеры включают повторяющиеся звенья, выбранные из мономеров N-винил лактама, карбоксивинилового мономера, мономера винилового эфира, мономера карбоксивинилового эфира, мономера виниламида, и/или мономера гидроксивинила. Такие полимеры включают, например:
поли(N-винил лактамы),
поли(N-винил акриламиды),
поли(N-алкил акриламиды),
замещенные и незамещенные полимеры акриловой и метакриловой кислоты,
поливиниловый спирт (ПВС),
поливиниламины, их сополимеры и сополимеры с другими типами гидрофильных мономеров например, с винилацетатом).
Используемые здесь поли(N-винил лактамы) предпочтительно являются несшитыми гомополимерами или сополимерами мономерных звеньев N-винил лактама с мономерами N-винил лактама, составляющими большинство из всех мономерных звеньев сополимеров поли(N-винил лактамов). Предпочитаемые поли(N-винил лактамы), используемые в этом изобретении, получены полимеризацией одного или более следующих мономеров N-винил лактама: N-винил-2-пирролидон; и N-винил-2-валеролактам.
Многочисленные примеры не-N-винил лактамовых сомономеров, используемых с мономерными звеньями N-винил лактамов, включают N,N-диметилакриламид, акриловую кислоту, метакриловую кислоту, гидроксиэтилметакрилат, акриламид, 2-акриламидо-2-метил-1-пропан сульфоновую кислоту или ее соль, а также винилацетат.
Поливиниловые спирты, включая сам поливиниловый спирт и поливинилфенол;
Поли(оксиэтилированные) спирты такие как поли(оксиэтилированный) глицерин, поли(оксиэтилированный) сорбитол, и поли(оксиэтилированная) глюкоза;
Полиакриламиды, такие как поли(N-метакриламид), поли(N,N-диметилакриламид, поли(N-винил акриламид), и другие поли(N-алкил акриламид и N-алкенил акриламиды);
Полимеры карбоксивиниловых мономеров, как правило, формируются из акриловой кислоты, метакриловой кислоты, кротоновой кислоты, изокротоновой кислоты, итаконовой кислоты и ангидрида,
Акрилатные и метакрилатные полимеры и сополимеры, включая поли(диалкил аминоалкил акрилаты), поли(диалкил аминоалкил метакрилаты), поли(гидроксиалкил акрилаты), такие как поли(гидроксиэтил акрилат), и поли(гидроксиалкил метакрилаты), такие как поли(гидроксиэтил метакрилат) (ПолиГЕМА). Предпочтительные акрилатные полимеры представляют собой сополимеры, имеющие товарный знак "Eudragit" ("Юдражит") фирмы Rohm Pharma (Германия). Серия Eudragit Е, L, S, RL, РТС, и NE сополимеры доступны как в растворенном виде (в органическом растворителе), в водной дисперсии, так и в форме сухого порошка. Предпочтительные акриловые полимеры - сополимеры метакриловой кислоты и метил метакрилата, такие как полимеры серии Юдражит L и Юдражит S. Особенно предпочитаемы такие сополимеры как Юдражит L-30D-55, и Юдражит L-100-55 (последний сополимер -высушенная при распылении форма Юдражит L-30D-55, который может быть восстановлен при помощи воды). Молекулярная масса Юдражит L-30D-55 и Юдражит L-100-55 сополимера составляет приблизительно 135000 г/моль с соотношением свободных карбоксильных групп к эфирным группам приблизительно 1:1. Сополимер вообще нерастворим в водных средах при рН ниже 5.5. Другой особенно подходящий сополимер метилметакрилата и метакриловой кислоты - Юдражит S-100, который отличается от Юдражит L-30D-55 тем, что отношение свободных карбоксильных групп к эфирным группам составляет приблизительно 1:2. Юдражит S-100 нерастворим при рН ниже 5.5, но в отличие от Юдражит L-30D-55 плохо растворяется в водных средах, имеющих рН в диапазоне от 5.5 до 7.0. Этот сополимер растворим при рН 7.0 и выше. Также может быть использован Юдражит L-100, который имеет рН-зависимый профиль растворимости между растворимостями Юдражит L-30D-55 и Юдражит S-100, поскольку он не растворим при рН ниже 6.0. Специалистам в данной области поймут, что Юдражит L-30D-55, L-100-55, L-100, и S-100 могут быть заменены другими приемлемыми полимерами, имеющими схожие рН-зависимые характеристики растворимости. Другие предпочтительные Юдражит полимеры являются катионными, такими как полимеры серий Юдражит Е, RS, и RL. Юдражит Е100 и Е РО представляют собой сополимеры диметиламиноэтил метакрилата с нейтральными метакрилатами (например, с метилметакрилатом), тогда как Юдражит RS и Юдражит RL представляют собой аналогичные сополимеры, состоящие из нейтральных эфиров метакриловой кислоты и небольшой доли триметиламмонийэтил метакрилата.
Альгиновая кислота и поли(сульфоновая кислоты);
1,2-дикарбоновые кислоты, такие как малеиновая кислота или фумаровая кислота, малеиновый ангидрид, или их смеси с предпочитаемыми гидрофильными полимерами в пределах этого класса, включая полиакриловую кислоту и полиметакриловую кислоту, в то время как полиакриловая кислота наиболее предпочтительна.
Предпочтительными гидрофильными полимерами здесь являются: поли(N-винил ацетамиды), особенно полиацетамиды сами по себе; полимеры карбоксивиниловых мономеров, особенно полиакриловой кислоты и полиметакриловой кислоты; а также сополимеры и их смеси. Особенно предпочтительны ПВП и сополимеры акриловой кислоты, метакриловой и малеиновой.
Поли(виниламины);
Поли(алкиленимины);
Можно использовать любые из перечисленных сополимеров так, как это решат специалисты в данной области.
Пластификаторы
Подходящие необязательные пластификаторы и смягчители, которые могут быть здесь использованы (эти примеры не ограничивают другие возможности), включают в себя: алкилированные и арилзамещенные фосфаты, такие как трибутил фосфат, триоктил фосфат, трикрезил фосфат, и трифенил фосфат; алкил цитраты и эфиры лимонной кислоты, такие как триметил цитрат, триэтил цитрат и ацетил триэтил цитрат, трибутил цитрат и ацетил трибутил цитрат, ацетил триэтил цитрат, и тригексил цитрат; алкилированные глицеринаты; алкилированные гликолаты; диалкил адипат (ДОА; также называемый бис(2-этилэксил) адипат), диэтил адипат, ди(2-метилэтил) адипат, и дигексил адипат; диалкил фталаты, дициклоалкил фталат, диарил фталат и смешанные алкилированные арил-замещенные фталаты, включая эфиры фталиевой кислоты, например этилфталат, диэтилфталат, дипропилфталат, дибутилфталат, ди(2-этилгексил) фталат, ди-изопропилфталат, диамилфталат и дикаприлфталат; диалкил себацинаты, такие как диэтилсебацинат, дипропилсебацинат, дибутилсебацинат и динонилсебацинат; диалкилсукцинаты, такие как диэтилсукцинат и дибутилсукцинат; диалкилтартраты, такие как диэтилтартрат и дибутилтартрат; эфиры гликолей и глицерина, такие как диацетат глицерина, триацетат глицерина (триацетин), диацетат монолактата глицерина, метил фталил этил гликолат, бутил фталил бутил гликолат, диацетат этиленгликоля, дибутират этиленгликоля, триэтиленгликоль диацетат, триэтиленгликоль дибитурат и триэтиленгликоль дипропионат; гидрофильные поверхностно-активные вещества (ПАВ), предпочтительно гидрофильные неионогенные ПАВ такие как, например, частично-замещенные эфиры жирных кислот и Сахаров, эфиры полиэтиленгликоля и жирных кислот, эфиры полиэтиленгликоля и жирных спиртов, и эфиры полиэтиленгликоль сорбитана с жирными кислотами, а также неионогенные ПАВ, такие как этилцеллозольв; смеси низших спиртов (октил, сорбитол); эфиры винной кислоты, такие как дибутилфталат тартрат и их смеси.
Предпочтительным пластификатором, пригодным для использования в соответствии с данным изобретением, является бифункциональный олигомер, который "комплементарен" к Пленкообразующему НКТС - Полимеру и Необязательному Пленкообразующему Полимеру, как описано в Патенте США №6,576,712 Фельдштейна и др., упомянутом ранее [М.М. Feldstein, N.A.
Композиции настоящего изобретения могут также включать комбинации двух или более пластификаторов, например, триэтиловый эфир лимонной кислоты и трибутиловый эфир лимонной кислоты, триэтиловый эфир лимонной кислоты и полиэтиленгликоль-400, полиэтиленгликоль-400 и диоктилфталат и т.д.
Другие добавки
В данные термопереключаемые адгезионные композиции также могут включаться другие добавки в той мере, пока они не будут ухудшать их функциональные свойства. Например, в адгезионных композициях часто присутствуют следующие дополнительные компоненты; они даны здесь только для примера и в любом случае не ограничивают разнообразие других адгезионных композиций. Эти добавки, и их количество отобраны таким способом, что они незначительно влияли на нековалентную сшивку или предполагаемые химические и физические свойства конечного адгезива.
Адгезионные композиции изобретения могут также включать одну или более обычных добавок, которые могут быть смешаны с полимерами и пластификатором во время получения адгезива или включены в него после этого. Дополнительные добавки включают (этот список не ограничивает полный перечень) следующие вещества: наполнители, рН регулирующие агенты, ионизаторы, клеящие агенты, агенты, уменьшающие липкость, электролиты, антибактериальные вещества, антиокислители, консерванты, красители, ароматизаторы и комбинации этих веществ. В определенных вариантах композиции изобретения могут также включать фармакологически активные вещества или косметически активные вещества. Например, трансдермальные, трансмукозальные, и местные системы доставки лекарств, в которых адгезионная композиция изобретения служит резервуаром действующего начала, и/или контактирующие с кожей пластыри для доставки определенного фармакологически активного компонента на поверхность кожи. Может быть составлена рецептура по созданию косметических продуктов, таких как гелей и пленок-стрипов для отбеливания зубов, которые будут подавать на зубы один или более отбеливающих агентов.
Влагопоглощающие наполнители могут быть также с пользой включены для того, чтобы управлять степенью гидратации в то время, когда пластырь находится на коже или на другой поверхности тела. Такие наполнители могут включать микрокристаллическую целлюлозу, тальк, лактозу, каолин, маннит, коллоидный кварц, глинозем, цинковую окись, окись титана, силикат магния, силикат алюминия и магния, гидрофобный крахмал, сульфат кальция, стеарат кальция, фосфат кальция, дигидрат фосфата кальция, тканые и нетканые бумажные и хлопковые материалы. Другие подходящие наполнители могут быть инертными, то есть в основном не абсорбентами влаги, и включать, например, полиэтилен, полипропилен, полиуретан и полиэфир, амидные сополимеры, полиэфиры и сополимеры полиэфира, нейлон и искусственный шелк. Предпочтительный наполнитель - коллоидный кварц, например, известный под маркой Cab-O-Sil® (Cabot Corporation, Boston MA), Бостон, США.
Соединения, известные как рН регуляторы, включают, но не ограничиваются, буферными растворами глицерина, цитратными буферами, боратными буферами, фосфатными буферами, и буферами фосфата лимонной кислоты. Буферные системы служат для гарантии того, чтобы, например, рН композиции изобретения были совместимы с поверхностью тела человека.
Чтобы придать желаемую степень ионизации, к комплексу сополимера в адгезионных композициях изобретения также добавляются ионизирующие агенты. Подходящие ионизаторы - кислоты и основания, в зависимости от группы, которую нужно ионизировать. Кислоты и основания могут быть как неорганическими (соляная кислота, гидробромноватая кислота, гидроокись натрия, гидроокись калия, карбонат натрия, карбонат аммония, и т.д.), так и органическими (уксусная кислота, малеиновая кислота, триэтиламин, этаноламин, и т.д.).
Предпочтительными загустители для этого изобретения являются природные вещества или их производные. Они, например, могут включать: коллаген; галактоманнан; крахмалы; производные крахмала и гидролизаты; производные целлюлозы, такие как метилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, и гидроксипропил метилцеллюлоза; коллоидные кремневые кислоты; и сахара, такие как лактоза, сахароза, фруктоза и глюкоза. Могут также использоваться синтетические загустители, такие как поливиниловый спирт, сополимеры винилпирролидона с винилацетатом, полиэтиленгликоли, и полипропиленгликоли.
Композициям изобретения можно придавать свойства электрической проводимости для использования в биомедицинских электродах и других средствах электротерапии, то есть, когда электрод или другой электрический прибор прикладывается к поверхности тела. Например, композиция может использоваться для наложения электрода стимуляции нервных клеток через кожу, электрохирургического электрода, или электрода ЭКГ к коже пациента или ткани слизистой оболочки. Эти аппликации требуют модификации состава для того, чтобы в нем появилась электрическая проводимость. Подходящими примерами таких электропроводящих материалов могут служить ионные проводящие электролиты, особенно те, которые обычно используются при изготовлении электропроводящих пластырей, применяемых для аппликации на кожу или иную поверхности тела, и включают ионизированные неорганические соли, органические соединения, или их комбинации. Примеры ион-проводящих электролитов включают (но не ограничиваются следующим списком): сульфат аммония, ацетат аммония, ацетат моноэтаноламина, ацетат диэтаноламина, лактат натрия, натриевую соль лимонной кислоты, ацетат магния, сульфат магния, ацетат натрия, хлорид кальция, хлорид магния, сульфат кальция, хлорид лития, перхлорат лития, натриевую соль лимонной кислоты и хлорид калия, и окислительно-восстановительные пары, такие как смесь окисей железа и железистых солей, такие как сульфаты и глюконаты. Предпочитаемые соли - хлорид калия, поваренная соль, сульфат магния, ацетат магния, и хлорид калия; они больше всего предпочтительны для электродов ЭКГ. Хотя фактически любое количество электролита может содержаться в адгезионных композициях изобретения, предпочтительно, чтобы электролит имел концентрацию в диапазоне приблизительно от приблизительно 0.1 до 15% от массы гидрогелевой композиции. Процедура, описанная в Патенте США №5846558 Нильсона и других для изготовления биомедицинских электродов, может быть приспособлена для использования в композициях гидрогеля изобретения; содержание этого патента отражено ссылкой, касающейся производственных деталей. Если специалисты в данной области сочтут нужным, то будут использоваться и другие подходящие технологические процессы.
Антибактериальные вещества могут также быть введены в композицию изобретения. Антибактериальные вещества функционируют, уничтожая микробы, предотвращая их патогенное действие, и/или тормозя их рост. Желательные свойства антибактериальных веществ включают в себя, но не ограничиваются следующим списком: (1) способность инактивировать бактерии, вирусы и грибки, (2) способность быть эффективными в течение некоторого времени во время аппликации и после аппликации, (3) стоимость, (4) совместимость с другими компонентами состава, (5) стабильность работы при температуре окружающей среды, и (6) невысокая токсичность.
Антиоксиданты также могут быть включены в композиции изобретения вместо или в дополнение к антибактериальным веществам. Антиокислители - вещества, которые подавляют окисление и таким образом предотвращают порчу препаратов. Подходящие антиокислители включают, например, следующие (но на этом их список не ограничивается): аскорбиновая кислота, аскорбилпапальмитат, бутилированный оксианизол, гипофосфорная кислота, монотиоглицерин, аскорбат натрия, формальдегид и сульфоксилат натрия, метабисульфит натрия и другие, известные специалистам в данной области. Другие подходящие антиокислители включают, например, витамин С, бутилированный гидрокситолуол, бутилированный гидроксианизол (БГА), бисульфит натрия, витамин Е и его производные, пропилгаллат, сульфитные производные, и другие вещества, известные специалистам в данной области.
Другие консерванты, которые могут быть добавлены в соответствующие композиции, включают следующее: п-хлор-м-крезол, фенилэтиловый спирт, феноксиэтиловый спирт, хлорбутанол, метиловый эфир 4-гидроксибензойной кислоты, пропиловый эфир 4-оксибензойной кислоты, хлорид бензалкония, хлорид цетилперединиума, диацетат или глюконат хлорогексидина, этанол и пропиленгликоль.
Необходимо учесть, что, поскольку адгезионные композиции изобретения будут использоваться в различных целях, то желательность или потребность в определенных добавках может отличаться в зависимости от области намеченного использования. Области применения, в которых адгезионные композиции изобретения могут быть полезны, включают, например: липкие этикетки, легко снимаемые адгезионные листы с рекламой для аппликации на корпуса морских и речных судов, вагоны поездов и автомобили, стерильные хирургические пленки для защиты операционного поля, системы доставки лекарственных средств; лекарственные пластыри местной терапии, раневые повязки; проводящие гидрогели; липкие амортизаторы давления для контакта с кожей стоп, включая супинаторы на пятки, налокотники, наколенники, прокладки на голени, прокладки на предплечье, прокладки на запястье, прокладки на пальцы, прокладки на мозоли, прокладки на костные мозоли, пластыри на волдыри, подушки для лечения бурсита большого пальца стопы, и прокладки на пальцы ноги, - все они могут включать активные компоненты; средства ухода за полостью рта - пленки для отбеливания зубов и освежения дыхания, и продукты орального применения для лечения ангины, ран во рту, гингивита, периодонтальных и оральных инфекций, периодонтальных повреждений, кариеса или гниения зубов; пластыри для крепления медицинские устройств, диагностические системы и другие устройства, апплицируемые на поверхность тела; уплотнители для хирургических устройств, протезов и масок, материал, изолирующий от звука, вибрации и ударов; носители в косметических и фармацевтических гелевых продуктах; и многое другое для использования из уже известного ассортимента или разрабатываемого специалистами в данной области.
Методология изготовления
Свойства композиций изобретения можно довольно легко контролировать, регулируя один или более параметров во время изготовления. Например, адгезионная прочность композиций может быть увеличена, уменьшена, или устранена во время изготовления, изменяя тип и/или количество различных компонентов, или изменяя способ изготовления. Нужно также отметить, что композиции, полученные из расплава полимеров, иногда, но не всегда, проявляют свойства, отличные от тех, которые были получены методом полива пленок из раствора; например, экструзия из расплава более употребительна для подготовки адгезионных смесей, имеющих меньшую липкость, чем соответствующие адгезионные композиции, изготовленные методом полива.
Описываемые здесь композиции могут быть изготовлены путем экструзии из расплава полимеров, и таким образом могут быть получены с помощью простого процесса смешения и экструзии. Компоненты состава взвешиваются и затем перемешиваются с помощью смесителя (например, используя смесители Brabender или Baker Perkins Blender), в основном при повышенной температуре, например, приблизительно от 90 до 170°С, как правило, от 100 до 140°С. При желании могут быть добавлены растворители или вода. Полученная композиция может быть экструдирована с использованием одношнекового или двушнекового экструдеров, или гранулирована. Альтернативно, отдельные компоненты могут быть расплавлены по отдельности, и затем смешаны до экструзии. Композиция может быть экструдирована в виде пленки желаемой толщины непосредственно на подходящий субстрат или пленку-подложку. Композиция может также быть сначала экструдирована, и затем спрессована к поверхности подложки, или ламинирована к поверхности. Также может быть использовано удаляемое антиадгезионное покрытие. Толщина получающейся пленки, для большинства целей, должна быть в диапазоне приблизительно от 0.020 до 0.80 мм, чаще всего в диапазоне приблизительно от 0.37 до 0.47 мм.
В качестве варианта, композиции могут быть получены поливом пленок из раствора, смешивая компоненты в подходящем растворителе, например, в летучем растворителе, таком как этилацетат, или в низших алканолах (например, этанол, изопропиловый спирт и т.д.); они особенно предпочтительны при концентрациях, как правило, в диапазоне приблизительно 35-60 мас./об.%. Раствор наносят на субстрат, подложку или антиадгезионное покрытие, как было описано выше. Предпочтительно, чтобы и смешение, и полив выполнялись при температуре окружающей среды. Материал, покрытый пленкой, потом прогревают при температуре в диапазоне приблизительно от 80 до 100°С, оптимально при 90°С, в течение приблизительно от одного до четырех часов, оптимально примерно в течение двух часов.
В процессе отбора компонентов для изготовления адгезионной смеси изобретения, сначала отбирается гидрофильный Пленкообразующий НКТС-полимер. Затем отбирается комплементарный Нековалентный Олигомерный Сшиватель с концевыми функциональными группами, способными к нековалентному связыванию с повторяющимися полярными группами в по крайней мере одном линейном сегменте гидрофильного Пленкообразующего НКТС-полимера, который, как здесь отмечено, является бифункциональным линейным олигомером, способным к формированию моста между полярной группой на одной цепи пленкообразующего полимера и полярной группой на второй цепи пленкообразующего полимера, таким образом образуя «сшитый» сетчатый комплекс. В случае необходимости выбирается Необязательный (Дополнительный) Пленкообразующий Полимер. И, наконец, отбирается дополнительный пластификатор в случае, если температура стеклования смеси слишком высока, чтобы обеспечить высокую адгезию и требуемые механические свойства. Содержание Пленкообразующего НКТС-полимера должно быть больше, чем содержание Нековалентного Олигомерного Сшивателя и количество Дополнительного Пленкообразующего Полимера.
Дополнительные добавки, включая фармакологически активные компоненты и косметические вещества, могут быть смешаны с полимерами и олигомером во время получения адгезива. Альтернативно, добавка может быть введена после того, как смешаны компоненты, и получена композиция. Один метод загрузки активного компонента в композицию, например, включает нанесение адгезионного слоя на субстрат, покрытие нанесенного слоя раствором активного агента, нанесение антиадгезионного покрытия поверх слоя, содержащего активный агент, и выдержку для пропитки композиции активным агентом.
Типичные композиции
Цель этого изобретения - получение гидрофильной термопереключаемой ЧДА композиции на основе пленкообразующего полимера, обладающего соответствующим НКТС, который прочно прилипает к ряду как сухих, так и увлажненных гидрофильных субстратов при низкой и комнатной температуре, но самопроизвольно и обратимо отлипает при повышении температуры.
Как было показано в [J. O'Mahony, К. McCarthy, Е. Monaghan, A novel way to reversibly detackify PSA compositions using thermoresponsive polymers, PSTC (Pressure - Sensitive Tape Council), Advanced Polymer Design for Adhesives, 2007, http://www.pstc.org/files/public/OMahony.pdf; L. Chen, M. Lin, L. Lin, T. Zhang, J. Ma, Y. Song, L. Zhang, Thermal-responsive hydrogel surface: tunable wettability and adhesion to oil at the water/solid interface, Soft Mater. 2010, 6, 2708-2712; A. Synytska, E. Svetushkina, N. Puretskiy, G. Stoychev, S. Berger, L. Ionov, C. Bellmann, K-J. Eichhorn, M. Stamm, Biocompatible polymeric materials with switchable adhesion properties, Soft Matter, 2010, 6, 5907-5914; M.M. Feldstein, E.V. Bermesheva, Y.C. Jean, G.P. Misra, R.A. Siegel, Free volume, adhesion and viscoelastic properties of model nanostructured pressure-sensitive adhesive based on stoichiometric complex of poly(N-vinyl pyrrolidone) and poly(ethylene glycol) of disparate chain lengths, J. Appl. Polym. Sci., 2011, vol. 119 No. 4, pp. 2408-2421; Patent Application WO 2002/019992; D. Ma, H. Chen, D. Shi, Z. Li, J. Wang, Preparation and characterization of thermo-responsive PGMS surfaces grafted with poly(N-isopropylacrylamide) by bemzophenone-initiated photopolymerization, J. Colloid Interface Sci. 2009, 332, 85-90; E. Svetushkina, F. JSkel, C. Bellmann, - J. Eichhorn, S. Berger, M. Stamm, A. Synytska., Nanostructured surfaces with switchable / adaptable adhesion response based on biocompatible thermoresponsive brushes, Abstract booklet of 4th World Congress on Adhesion and Related Phenomena WCARP - IV, September 26-30 Arcachon, France, SfV-Sta, 169; K. Maingam, C. Prahsarn, N. Sectapan, P. Chumningan, Thermo-responsive chitosan-polyN-isopropylacrylamide for tissue adhesives, Proceed. 8th Int. Symp. Polymers for Advanced Technol. Budapest 13-16 September 2004; R.M.P. da Silva, J.F. Mano, R.L. Reis, Smart thermoresponsive coatings and surfaces for tissue engineering: switching cell-material boundaries, Trends Biotechnol. 2001, 25(12), 577-583; G. Bonacucina, G. Ponchel, C. Ringard, G.F. Palmieri, G-L. Grossiord, Rheological and adhesive properties of new-thermoresponsive hyperbranched poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide), J. Drug Delivery Sci. Technol. 2006,16(1), 59-64; K.K. Jayaraj, E. Jayachandran, G.M. Srinivas, N. Rahul, M. Jayachandran, Formulation of thermoresponsive and buccal adhesive in situ gel for treatment of oral thrush containing itraconazole, J. Pharm. Sci. Reserch 2010, 2(2), 116-122], термопереключаемые ЧДА композиции могут быть получены только на основе полимеров, обладающих НКТС. Однако во всех этих случаях, композиции не обладают липкостью в набухшем состоянии к гидрофильным субстратам при температуре ниже НКТС, и адгезия всегда возникает, когда температура повышается выше НКТС, и композиция десорбирует воду. Тем временем, настоящее изобретение нацелено на создание гидрофильных термопереключаемых ЧДА, которые должны быть адгезионными ниже определенной критической температуры в набухшем состоянии, и становятся нелипкими выше такой температуры, когда гелевая фаза высвобождает поглощенную влагу. Насколько мы знаем, такие термопереключаемые ЧДА композиции, теряющие липкость при повышении температуры выше НКТС, не описаны в литературе.
Гидрофильные ЧДА на основе полимер-олигомерных комплексов стеклообразного поли(N-винил пирролидона), ПВП, с короткоцепным, жидким полиэтиленгликолем, ПЭГ, хорошо охарактеризованы и описаны в публикациях нашей группы [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, N.A.
Смеси ПВП - ПЭГ не показывают термопереключаемого адгезионного поведения вероятно потому, что расчетное значение НКТС для ПВП слишком высоко (~ 175°С) [Yu. E. Kirsh, Water soluble poly-N-vinylamides. Synthesis andphysicochemicalproperties, Wiley, Chichester, 1998; Ю.Э. Кирш, Поли-М-винилпирролидон и другие поли-Ы-виниламиды: Синтез и физико-химические свойства, М.: Наука, 1998. - 252 с]. Поли(N-винил капролактам), ПВКЛ, является гомологом ПВП, который содержит две дополнительных метиленовых группы в кольце боковой цепи, и демонстрирует НКТС в диапазоне между 31 и 37°С в зависимости молекулярного веса [Yu. E. Kirsh, Water soluble poly-N-vinylamides. Synthesis and physicochemical properties, Wiley, Chichester, 1998; Ю.Э. Кирш, Поли-М-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды: Синтез и физико-химические свойства, М.: Наука, 1998. - 252 с; A, Laukkanen L, Valtola, FM, Winnik, H. Tenhu, Formation of colloidally stable phase separated poly(N-vinylcaprolactam) in water: a study by dynamic light scattering, microcalorimetry, and pressure perturbation calorimetry. Macromolecules 2004; 37:2268-2674]. Как очевидно из сравнения изотерм абсорбции паров воды на ПВП и ПВКЛ, ПВКЛ, будучи гидрофильным полимером, поглощает намного меньше воды, чем его гигроскопический гомолог, ПВП [Патентная заявка РФ 2013154323, 9.12.2013, 67 стр.; РСТ Application RU 2013/001107, 11.12.2013, 63 pp.]. Как было ранее отмечено в [М.М. Feldstein, K.А. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, А.Р. Moscalets, Е.Е. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Polyethylene glycol), Macromolecules 47 (16), 2014, 5759-5767; M.M. Feldstein, N.A.
Авторы данного изобретения ныне обнаружили, что гидрогели, основанные на смеси ПN-ИПАМ - ПЭГ, также демонстрируют термопереключаемую чувствительную к давлению адгезию. Они имеют высокую адгезию при температуре ниже фазового перехода (точки помутнения), но самопроизвольно и обратимо отлипают от гидрофильных субстратов при повышении температуры выше этого критического значения, когда гидрогель десорбирует воду.
По отношению к гидрофобным субстратам, не исследованным нами ранее, смеси ПN-ИПАМ - ПЭГ, также как и ПВКЛ - ПЭГ, ведут себя образом, противоположным их поведению к гидрофильным субстратам. Они не проявляют липкости к гидрофобным субстратам в области температур ниже НКТС и прилипают к ним выше НКТС композиций ПN-ИПАМ - ПЭГ и ПВКЛ - ПЭГ. Таким образом, обнаруженный эффект позволяет характеризовать водородно-связанные стехиометрические комплексы полимеров, обладающих НКТС, с олигомерным ПЭГ, как новый класс ЧДА с самонастраивающейся, избирательной липкостью к субстратам близкой полярности. Интересной особенностью ЧДА на основе стехиометрических комплексов ПN-ИПАМ - ПЭГ является необычайно сильная адгезия термопереключаемой адгезионной композиции к гидрофильным субстратам. Обнаруженные и охарактеризованные ниже свойства термопереключаемых адгезивов ПN-ИПАМ - ПЭГ и ПВКЛ - ПЭГ объясняются изменением их структуры при переходе через кривую фазового распада золь - гель и стехиометрическим составом комплексов.
Иллюстративный пример композиции включает поли(N-изопропил акриламид) (ПN-ИПАМ) в качестве Пленкообразующего НКТС-полимера, и полиэтиленгликоль (ПЭГ) в качестве Нековалентного Олигомерного Сшивателя. Композиции ПВКЛ - ПЭГ и ПN-ИПАМ - ПЭГ здесь рассматриваются как модельные системы, но нужно понимать, что изобретение не ограничивается только ими, и ряд других гидрофильных НКТС-полимеров и Нековалентных Олигомерных Сшивателей могут быть успешно использованы вместо ПВКЛ, ПN-ИПАМ и ПЭГ. Смешение адгезионных композиций ПВКЛ - ПЭГ и ГПЧ-ИПАМ - ПЭГ, которые являются умеренно гидрофильными или водонерастворимыми полимерами (при температурах выше НКТС) с Дополнительным Пленкообразующим Полимером, приводит к уменьшению гидрофильности и скорости растворения смеси. Чтобы уменьшить скорость растворения далее или получить нерастворимые смеси, смесь ПВКЛ - ПЭГ или ПN-ИПАМ - ПЭГ могут быть смешаны с полимерами, которые имеют комплементарные (по отношению к ПВКЛ и ПN-ИПАМ) реакционно-способные функциональные группы в их повторяющихся звеньях (Дополнительные Пленкообразующие Полимеры). Так как ПВКЛ и ПN-ИПАМ содержат протон-акцепторные карбонильные группы в своих повторяющихся звеньях, то комплементарные функциональные группы Дополнительного Пленкооразующего Полимера предпочтительно являются протон-донорными гидроксильными, фенольными или карбоксильными группами. Таким образом, для использования в композициях с ПВКЛ, ГПЧ-ИПАМ и ПЭГ, подходящие нековалентные полимерные сшиватели являются длинноцепными полимерами, такими как поливиниловый спирт, полиакриловая кислота, полиметакриловая кислота, полималеиновая кислота, поли(винил фенол), их гомо- и сополимеры, а также полисульфоновая кислота и альгиновая кислота.
Другая иллюстративная композиция использует также наряду с вышеупомянутыми термопереключаемыми адгезионными гидрогелями ПВКЛ - ПЭГ или ПN-ИПАМ - ПЭГ сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата в качестве Дополнительного Пленкообразующего Полимера, выполняющего функции нековалентного полимерного сшивателя. Эта композиция использована здесь для облегчения понимания принципов изобретения.
Свойства адгезионных полимерных смесей были оценены и изложены в следующих примерах. Поведение этих полимерных смесей оказалось типичным для ковалентно сшитых полимеров. Однако, в отличие от ковалентно сшитых систем, тройные полимерные смеси, объединяющие каркасный и лестничный механизмы образования нековалентных сеток, могут быть легко получены с использованием простых процессов и, кроме того, обеспечивают пленкообразующие свойства, которые недостижимы при использовании химически сшитых полимеров [D.F. Bayramov, P. Singh, G.W. Cleary, R.A. Siegel, A.E. Chalykh, M.M. Feldstein, Non-covalently crosslinked hydrogels displaying a unique combination of water-absorbing, elastic and adhesive properties, Polym. Int. vol. 57, 2008, 785-790].
Краткое описание чертежей
РИС. 1 схематично иллюстрирует надмолекулярную структуру стехиометрического водородно-связанного сетчатого комплекса пленкообразующего полимера (ПВКЛ, слева, и ПN-ИПАМ, справа) с олигомером, несущего реакционно-способные функциональные группы в повторяющихся звеньях основной цепи, с нековалентным олигомерным сшивателем, содержащим комплементарные функциональные группы на обоих концах их коротких цепей (ПЭГ). В стехиометрическом полимер-олигомерном комплексе ПВКЛ-ПЭГ приблизительно 60% мономерных звеньев полимера образуют Н-связи с комплементарными концевыми группами олигомерных цепей, тогда как в комплексах ПN-ИПАМ - ПЭГ примерно 10% повторяющихся звеньев полимера сшиты водородными связями через две расположенные параллельно друг другу цепи ПЭГ-400.
РИС. 2 представляет термограммы ДСК поли(N-винилкапролактама) при первом и повторном нагревании.
РИС. 3 иллюстрирует термограммы ДСК поли(N-изопропил акриламида) при первом и повторном нагревании.
РИС. 4 показывает термограмму ДСК поли(этилен гликоля) ММ 400 г/моль.
РИС. 5 иллюстрирует влияние концентрации ПЭГ-400 на кривые зондирования липкости его смесей с ПВКЛ (слева) и ПN-ИПАМ (справа). На врезках показано максимальное усилие отрыва штока от адгезионной пленки (σmax) и практическая работа адгезии (W) как функция содержания ПЭГ в смеси.
РИС. 6 показывает кривые зондирования липкости смесей ПВКЛ (кривая 2) и IIN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400 (кривая 1).
РИС. 7 изображает фотографии разрушения адгезионного соединения в процессе зондирования липкости для адгезивов ПВКЛ - ПЭГ (слева) и ПN-ИПАМ (справа).
РИС. 8 демонстрирует термограммы ДСК при первом (вверху) и повторном (внизу) нагревании смесей ПВКЛ с различным количеством ПЭГ-400.
РИС. 9 показывает термограммы ДСК при нагревании смесей ПN-ИПАМ с различным количеством ПЭГ-400 (кривая 3 - 35% ПЭГ, 4 - 40%, 5 - 45%, 6 - 50%).
РИС. 10 демонстрирует зависимость температуры стеклования смесей ПВКЛ (слева) и ПN-ИПАМ (справа) от содержания ПЭГ-400. Линии: расчетные значения, вычисленные по уравнению Фокса. Точки: данные, измеренные ДСК.
РИС. 11 иллюстрирует стехиометрию комплексов ПВП, ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ-400. На рис. 11 изображена зависимость содержания звеньев ПВП, ПВКЛ и ПN-ИПАМ, сшитых водородными связями с концевыми гидроксильными группами ПЭГ от состава смесей, выраженного в терминах количества ОН-групп ПЭГ, приходящихся в смеси на одно повторяющееся звено полимера. На рис.
РИС. 12 показывает влияние молекулярной массы ПN-ИПАМ на адгезионные свойства его комплексов с ПЭГ-400. Слева: Кривые зондирования липкости для комплексов на основе коммерческого ГПЧ-ИПАМ (Mw=58 000, Mw/Mn=1,96) с ПЭГ - 400; Справа: Кривые зондирования липкости для комплексов на основе синтезированного ПN-ИПАМ (Mw=550×103, Mw/Mn=2.38) с ПЭГ - 400.
РИС. 13 сравнивает кривые зондирования липкости для смесей ПN-ИПАМ ММ=58 и 550 кДж/моль с 45 мас. % ПЭГ-400 (кривая 7 - ММ=58 кДж/моль, 8 - ММ=550 кДж/моль).
РИС. 14 иллюстрирует влияние количества абсорбированной воды и температуры на точку помутнения ПВКЛ и ПN-ИПАМ (слева), а также ПВКЛ+45 мас. % ПЭГ-400 и ПN-ИПАМ+45 мас. % ПЭГ-400 (справа).
РИС. 15 показывает влияние температуры на кривые зондирования липкости, максимальное усилие отрыва штока и практическую работу адгезии адгезива ПN-ИПАМ - ПЭГ (45 мас. %). Содержание влаги в адгезиве 3,5%. Скорость отрыва штока 0,1 мм/с.
РИС. 16 демонстрирует влияние гидрофильности субстрата и температуры на адгезию гидрогелей ПВКЛ-ПЭГ (кривая 10) и ПN-ИПАМ - ПЭГ (45 мас. %) (кривая 9).
РИС. 17 показывает влияние гидрофильности субстрата, температуры и количества абсорбированной воды на адгезию отслаивания гидрогелей ПN-ИПАМ - ПЭГ (45 мас. %) от гидрофобного (бутадиен-нитрильный каучук, слева) и гидрофильного (стекло, справа) субстратов. Скорость отслаивания 30 мм/мин, угол отслаивания 180°.
Осуществление изобретения
Представленные ниже примеры раскрытия и описания термопереключаемых адгезионных композиций не предназначены для ограничения области, расцениваемой изобретателями как изобретение. Были приложены усилия, чтобы гарантировать точность в числах (например, количеств, температур, и т.д.), но также должны быть приняты во внимание некоторые возможные ошибки и отклонения. Если не указано иначе, компоненты даны в единицах массы, температура в градусах Цельсия (°С), а давление атмосферное (или около атмосферного).
Ниже приведены сокращения, используемые в примерах:
Поли(N-винил пирролидон): (ПВП К-90), ММ = 1500000 г/моль,
Kollidon® 90F - производства BASF (Германия).
Eudragit L 100-55: сополимер метакриловой кислоты (Rohm America Inc.)
Gantrez ES-425: сополимер монобутилового эфира малеиновой кислоты с метил эфиром винилового спирта (ISP)
Gantrez S-97: сополимер малеиновой кислоты с метиловым эфиром винилового спирта (ISP)
НРС: гидроксипропилцеллюлоза
НРМСР: гидроксипропилметилцеллюлоза фталат
ДАК: динитрил азобисизомасляной кислоты,
ПЭГ 400 (ПЭГ): полиэтиленгликоль 400
PolyHEMA: поли(гидроксиэтилметакрилат)
PVA (ПВА): поливиниловый спирт
IIN-ИПАМ - поли(N-изопропил акриламид), ММ ≈ г/моль синтезирован в нашей лаборатории как описано в Примере 1 и ММ = г/моль приобретен у компании Sigma - Aldrich.
ПВКЛ - поли(винилкапролактам) ММ ≈ 2500000 г/моль (высокомолекулярный ПВКЛ любезно предоставлен профессором Ю.Э. Киршем, Институт физической химии им. Л.Ю Карпова, Москва, Россия), а также 100000 г/моль (низкомолекулярный ПВКЛ, приобретенный от BASF под маркой Luviscol-Plus®).
ПВФ: поливинилфенол
Экспериментальные методы
Прочность адгезионных соединений адгезионных смесей к упомянутым ниже субстратам различной полярности изучали при различных температурах испытанием на отслаивание под углом 180° с помощью анализатора липкости TA.XT.plus Texture Analyzer (компания Stable Micro Systems, Великобритания) и методом зондирования липкости в термостатируемой камере при фиксированной влажности. Зондирование липкости состоит из двух последовательных стадий. На первой стадии (сжатие) плоский стальной цилиндрический зонд с плоским концом диаметра 4 мм дотрагивается до адгезионного слоя со скоростью 0.1 мм/с, погружается в него на глубину ~20% от толщины слоя и останавливается. После контакта в течение 1 с, зонд поднимается со скоростью 0.1 мм/с. Все кривые зондирования липкости, приведенные в данной работе, содержали поправку на податливость прибора 8.86 μm/N при скорости отслаивания 10 мм/мин. Адгезивы насыщали водой, выдерживая в эксикаторах с контролируемым давлением водяного пара 50% при комнатной температуре в течение 6-7 дней. Время достижения максимальной прочности адгезионного контакта с субстратом составляло 15-20 минут. Таким образом, в результате испытания были непосредственно записаны кривые сила - время, а также расстояние, пройденное штоком, от времени. Для каждого эксперимента выполняли три - пять пробных измерения напряжение - деформация. Кривые, показанные здесь на рисунках, являются наиболее характерными и получены в одном из отдельных тестов, в то время как механические параметры, такие как максимальное напряжение σmax, максимальное растяжение εmax, являются средними значениями.
Зонд очищали ацетоном после каждого теста. Такая процедура очистки обеспечивает получение достоверных и воспроизводимых результатов.
Реологические свойства адгезивов в линейном вязкоупругом режиме были измерены на плоскопараллельном динамическом механическом анализаторе Physica MCR-102 фирмы Anton Paar, Австрия. Амплитуда деформации сдвига была выбрана таким образом, чтобы находиться в линейном диапазоне модуля упругости G' во всем интервале температур. В зависимости от свойств ЧДА и температуры, эта зона соответствовала деформации меньше чем 3 цт. Все измерения DMA были выполнены при температурах в диапазоне от -80 до 100°С и при частоте деформации 1 Гц. Эта частота деформации использовалась потому, что согласно общепринятому критерию липкости Далквиста, динамический модуль запаса G' любого липкого ЧДА должен быть меньше чем 0.1 МПа при частоте измерения 1 Гц. Скорость нагревания составляла 3°С/мин.
Фазовое поведение смесей гидрофильных полимеров с ПЭГ400 во всем диапазоне составов было исследовано с помощью Дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с использованием дифференциального сканирующего калориметра DSC 204 F1 Phoenix, компании Netzsch-Geratebau GmbH (Германия), откалиброванного по индию и галлию. В приборе ДСК (DSC) образцы вначале были быстро охлаждены жидким азотом, начиная от комнатной температуры до ~ -100°С за 2-3 минуты, затем помещены в калориметр и охлаждались до заданной начальной температуры сканирования со скоростью 20°С в минуту. После установления начальной температуры образцы нагревались со скоростью 20°С в минуту до 220°С. Температуры перехода стеклования, Tg, были измерены при полувысоте соответствующих скачков теплоемкости на термограммах нагревания ДСК. Все указанные величины представляют собой средние значения проведенных экспериментов, отличающиеся менее чем на 1-2%. Образцы массой 5-15 мг были запаяны в стандартных алюминиевых кюветах с проколотыми крышками, чтобы поглощенная влага могла испаряться в ходе нагревания. Чтобы избежать конденсации влаги на сенсорном датчике, использовали продувку аргоном (50 мл в минуту). Потерю массы определяли взвешиванием образца до и после сканирования, используя аналитические весы с точностью взвешивания до ±0. 1 мг. Потерю массы сравнивали с количеством десорбированной воды, оцениваемой по изменению энтальпии, связанной с испарением воды из образца при сканировании.
Изотермы сорбции водяного пара: адгезионные пленки были выдержаны при комнатной температуре в эксикаторах над водными растворами H2SO4 контролируемой плотности, которые поддерживали необходимую относительную влажность, изменяющуюся от 10 до 90%. Равновесия аборбция воды была измерена гравиметрическим методом и подтверждена с помощью вакуумной установки, содержащей кварцевые микровесы Мак-Бена.
Пример 1. Синтез поли(N-изопропил акриламида)
Высокомолекулярный поли-N-изопропилакриламид получали методом радикальной полимеризации, которую проводили в системе с минимальным содержанием растворителя (тетрагидрофуран, ТГФ) и инициатора (азобисизобутиронитрил, динитрил азобисизомасляной кислоты, ДАК). ДАК растворяли в растворе N-изопропилакриламида с ТГФ, заливали в ампулу, дегазировали до остаточного давления 5*10-3 мм рт.ст. на вакуумной установке и запаивали. Затем ампулу помещали в термостат, разогретый до 80°С на 24 часа. После полимеризации получили вязкий гомогенный раствор полимера в ТГФ. Образовавшийся полимер растворяли в ацетоне и высаживали в гептан при интенсивном перемешивании в десятикратном объеме. В результате, получали плотный порошок белого цвета. Выход составлял 95%.
Характеристика исходных полимеров
Химическая структура полиамидов, использованных в данном изобретении, показана на рис. 1. Поли(N-винил пирролидон) (ПВП) относится к классу поливиниллактамов, и содержит в мономерных звеньях основной цепи пятичленный напряженный цикл. НКТС ПВП рассчитана теоретически и составляет 175°С [Yu. E. Kirsh, Water soluble poly-N-vinylamides. Synthesis and physicochemical properties, Wiley, Chichester, 1998; Ю.Э. Кирш, Поли-N-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды: Синтез и физико-химические свойства, М.: Наука, 1998. - 252 с.]. ПВП - аморфный гигроскопичный полимер, абсорбирующий из окружающей атмосферы до 12 мас. % воды, которая прочно связана с карбонильными группами полимера водородными связями. Температура стеклования сухого ПВП при повторном сканировании составляет 177°С [М.М. Feldstein, G.A. Shandryuk, S.A. Kuptsov, N.A.
Поли(N-винил капролактам): ПВКЛ - гомолог ПВП, несущий в повторяющихся звеньях основной цепи семичленные лактамовые циклы (рис. 1). По сравнению с ПВП, в каждом лактамном цикле ПВКЛ на две -СН2- группы больше, в этой связи выше гидрофобность полимера. Термограммы ДСК ПВКЛ при перовом и повторном сканировании представлены на рис. 2. По данным первого нагревания термограмма ДСК ПВКЛ показывает широкую симметричную эндотерму испарения абсорбированной воды с максимумом при 93°С, что говорит о более слабом связывании молекул воды. Содержание абсорбированной воды в ПВКЛ составляет 3.03 мас. %. При повторном нагревании полимер содержит 0.3 мас. % воды, положение пика испарения влаги практически не меняется (92.3°С). Гидрофобное окружение молекул абсорбированной воды способствует их десорбции и переходу в паровую фазу при температуре ниже температуры кипения чистой воды. Термограмма ДСК ПВКЛ при первом нагревании показывает переход стеклования при 151.6°С (ΔСр=0.13 Дж/г⋅К, рис. 2). Температура стеклования сухого полимера при повторном нагревании составляет 160.1°С, ΔСр=0.256 Дж/г⋅К. Пониженное значение Tg ПВКЛ по сравнению с ПВП свидетельствует о большем содержании свободного объема (незанятого пространства между соседними макромолекулами) и (или) более слабом межмолекулярном связывании макромолекул полимера [М.М. Feldstein, R.A. Siegel, Molecular and Nanoscale Factors Governing Pressure-Sensitive Adhesion Strength of Viscoelastic Polymers, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 50, 2012, 739-772].
Термограммы ДСК ПN-ИПАМ представлены на рис. 3. По сравнению с ПВП и ПВКЛ ПN-ИПАМ содержит только 0.6 мас. % абсорбированной воды, которая десорбируется при температуре 96°С. Таким образом, ПN-ИПАМ является значительно менее гигроскопичным полимером, чем ПВП и ПВКЛ. При первом нагревании переход стеклования ПN-ИПАМ наблюдается при 119°С. ПN-ИПАМ - частично кристаллический полимер, и на термограмме первого нагревания температура плавления обнаруживается при 143.6°С, теплота плавления ΔНm=2.36 Дж/г). При повторном нагревании температуры стеклования и плавления ПN-ИПАМ повышаются (Tg=139.6°С, Тm=148.7°С), а теплота плавления уменьшается (ΔНm=0.73 Дж/г). Уменьшение теплоты плавления после нагревания полимера свидетельствует об уменьшении его упорядоченности. Выдерживание образца при комнатной температуре в течение недели приводит к повышению теплоты плавления полимера, что говорит о медленном восстановлении его упорядоченной структуры.
Можно полагать, что частично кристаллическая (или псевдокристаллическая) структура ПN-ИПАМ обусловлена ассоциацией гидрофобных изопропильных радикалов у атома азота в повторяющихся звеньях основной цепи полимера. Этот процесс протекает медленно и требует времени вследствие низкой молекулярной подвижности полимера при комнатной температуре. Вспомним, что температура стеклования - мера молекулярной подвижности полимера. Чем она выше, тем меньше подвижность макромолекул полимера.
Термограмма ДСК использованного в настоящей работе образца ПЭГ-400 представлена на рис. 4. ПЭГ практически не содержит абсорбированной воды, что следует из отсутствия потери в массе образца после нагревания. Температура стеклования ПЭГ-400 составляет -76°С. Также как и ПN-ИПАМ, ПЭГ - кристаллический полимер. Температура его плавления составляет 7.9°С, а теплота плавления ΔНm=96.98 Дж/г.
Пример 2. Получение термопереключаемых ЧДА пленок смешением ПВКЛ или ПN-ИПАМ с ПЭГ400: Влияние состава смеси на адгезию к гидрофильным субстратам
Адгезионные пленки 250-300 μм толщиной готовили растворением гидрофильных полимеров в общем растворителе (этиловый спирт, предварительно смешанный с жидким ПЭГ-400) с последующим поливом раствора на подложку и сушкой. Гидрогели ПВКЛ-ПЭГ и ПN-ИПАМ - ПЭГ без подложки получали поливом соответствующих растворов на антиадгезионное покрытие с последующей сушкой при комнатной температуре.
В работе использованы высокомолекулярный ПВКЛ, Mw=2.5⋅106 г/моль (ВМ ПВКЛ) и ПN-ИПАМ Mw=550×103 г/моль, Mw/Mn=2.38, если не указано иначе.
Кривые зондирования липкости смесей ПВКЛ и ПN-ИПАМ с различными количествами ПЭГ-400 представлены на рисунке 5. Количественной мерой прочности адгезионной связи является площадь под кривой зондирования липкости, характеризующая общее количество механической энергии, затраченной в процессе адгезионного отрыва, и известное как практическая работа адгезии.
Форма экспериментальной кривой зондирования липкости на рис. 5 несет информацию о механизме разрушения адгезионной связи. Все ЧДА демонстрируют двойственное поведение, объединяющее свойства жидкостей и твердых упругих материалов. Текучесть ЧДА необходима для смачивания поверхности субстрата под действием приложенного внешнего давления и формирования хорошего адгезионного контакта. В то же самое время, свойства ЧДА, характерные для твердых материалов, требуются для обеспечения прочности адгезионной связи, и затраты большого количества механической энергии под приложенной силой отрыва.
Тест на прилипание - самый информативный и очень иллюстративный показатель, который дает не только характеристику прочности адгезионной связи, но также и понимание относительных вкладов твердообразных и жидкообразных свойств адгезивов в адгезию. Если вклад упругости доминирует над вкладом свободного объема и текучести, экспериментальная кривая зондирования липкости имеет форму более или менее симметричного пика, показанную на рис. 5 кривыми для смесей ПВКЛ с 30 и 40% ПЭГ 400 и смесей ПN-ИПАМ с 20 и 30% ПЭГ-400, которые типичны для разрыва адгезионной связи твердых ЧДА. Эти кривые характеризуются резким максимумом при относительно низких деформациях и обычно сравнительно небольшой площадью под кривой зависимости напряжения от деформации. Разрыв адгезионной связи в этом случае происходит в основном через образование межфазной трещины между зондом и поверхностью адгезионной пленки, и называется "адгезионное разрушение".
В другом крайнем случае, если преобладает вклад жидкостно-подобного поведения, на рисунке 5 кривая зондирования липкости имеет вид, показанный для смесей ПВКЛ с 60% и ПN-ИПАМ с 50% ПЭГ. Этот тип разрушения адгезионного соединения характеризуется сравнительно низкой когезионной прочностью, на что указывают более низкий пик напряжения отрыва σ, вместе со сравнительно высоким значением относительного удлинения ε. В этом случае адгезионная связь разрушается по когезионному механизму. Разрушение адгезионного соединения происходит в толще адгезионного слоя, и процессом разрушения управляет вязкое течение. Этот тип разрыва адгезионной связи также называют "когезионным разрушением", когда некоторое количество адгезива остается на поверхности штока в конце теста.
Между этими двумя предельными случаями, когда высокая эластичность должным образом уравновешена большой текучестью адгезионного материала, область под экспериментальной кривой зондирования липкости, определенная как практическая работа адгезии, достигает своего максимального значения. Разрушение адгезионного соединения происходит за счет кавитации и фибрилляции адгезионного слоя, что являются типичным для ЧДА с оптимальной адгезией (см. кривые смесей ПВКЛ с 45 и 50 мас. % ПЭГ 400 и смесей ПN-ИПАМ с 40 и 45% ПЭГ). Кривые показывают пики напряжения отрыва, сопровождаемые более или менее явным плато. Кривая заканчивается постепенным или резким снижением силы отрыва до нуля. Разрыв происходит в этом случае на границе между зондом и адгезионным слоем. В конце испытания никаких макроскопических остатков на зонде не наблюдается. В случае механического упрочнения фибрилл непосредственного перед окончательным отделением зонда, кривая зависимости напряжения от деформации также может показать легкое увеличение напряжения, или второй пик.
Влияние концентрации ПЭГ на практическую работу адгезии, W, и максимальное напряжение отрыва в ЧДА σmax, показано на врезках к рис. 5. Для адгезивов ПВКЛ - ПЭГ обе кривые проходят максимум при 40 мас. % ПЭГ в смеси, тогда как адгезивы ПN-ИПАМ - ПЭГ показывают максимальную липкость при 45 мас. % ПЭГ-400 в смеси, тогда как максимальное усилие отрыва характерно для твердообразного ЧДА, содержащего 30 мас. % ПЭГ-400. Поскольку смеси ПВКЛ и ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ демонстрируют переходный тип деформации от характерной для твердых материалов к более упругому и податливому механизму, в последующем описании мы используем смесь ПВКЛ с 45 мас. % ПЭГ 400 и смесь ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400 как модельные платформы для создания термопереключаемых ЧДА.
Более детальное равнение кривых зондирования липкости для смесей ПВКЛ и ПN-ИПАМ с 45% ПЭГ-400 показано на рис. 6. Качественно, оба адгезива демонстрируют однотипный механизм деформации при разрушении адгезионного соединения со стальным субстратом, характерный для ЧДА любого химического состава. Начальная крутизна кривой зондирования липкости в области малых деформаций характеризует жесткость и модуль упругости адгезива. Адгезивы на основе смесей ПВКЛ несколько тверже, чем адгезивы на основе смесей ПN-ИПАМ с тем же количеством ПЭГ-400. Величина напряжения отрыва стального штока от адгезива (а), соответствующая плато на ниспадающей части кривой, характеризует прочность фибрилл при их растяжении в процессе отрыва штока от поверхности адгезива. Прочность фибрилл адгезива ПN-ИПАМ - ПЭГ существенно больше, чем фибрилл ПВКЛ - ПЭГ. Наконец, площадь под кривой на рис. 6 определяет прочность адгезионной связи. Как видно из кривых, адгезия смесей ПN-ИПАМ - ПЭГ заметно выше, чем адгезия комплексов ПВКЛ - ПЭГ.
На рис. 7 показаны фотографии механизма деформации адгезивов на основе смесей ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ-400 в процессе зондирования липкости. Пленка адгезивов нанесена на стеклянную пластину, приведена в контакт со стальным штоком анализатора липкости, после чего шток поднимается над адгезивом с постоянной скоростью 0.1 мм/с. Разрушение адгезионных соединений обоих адгезивов сопровождается их фибрилляцией, однако адгезия смесей ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400 к стальному штоку оказалась настолько сильной, что стеклянная пластина, покрытая липкой пленкой, приподнимается при поднятии штока и ломается, удерживаемая фиксирующими зажимами (рис. 7 правый). Подобное явление экстремально сильной липкости наблюдается впервые и ранее не отмечалось ни для одного из испытываемых адгезивов.
Для того чтобы понять, чем объясняется чрезвычайно сильная липкость адгезивов ПN-ИПАМ - ПЭГ по сравнению с адгезивами ПВКЛ - ПЭГ и адгезивами других типов, необходимо получить представление о молекулярной структуре и стехиометрии сетчатых комплексов TTN-ИПАМ - ПЭГ. Поскольку степень водородного связывания вязкоупругих гидрофильных полимеров можно экспериментально оценить из зависимости температуры стеклования от состава их смесей [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, K.A. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Polyethylene glycol), Macromolecules 47(16), 2014,5759-5767; M.M. Feldstein, G.A. Shandryuk, N.A.
Пример 3. Фазовое состояние смесей и стехиометрия комплексов ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ-400
Термограммы ДСК смесей ПВКЛ с различным количеством ПЭГ-400 представлены на рис. 8. При первом нагревании термограммы показывают переход стеклования, за которым следует эндотерма термодесорбции воды. При первом нагревании адгезивы ПВКЛ - ПЭГ содержат от 1.9 до 3.5 мас. % абсорбированной воды. При относительно небольшом содержании ПЭГ эндотерма испарения влаги имеет форму симметричного пика при 108.5°С. С увеличением содержания ПЭГ в смеси эндотерма приобретает бимодальдный характер, свидетельствующий о наличии в смеси относительно слабо связанной влаги, переходящей в паровую фазу при температурах, близких к температуре кипения несмешанной воды (~100°С), и фракции воды, более прочно связанной с ПВКЛ, и испаряющейся при температурах 148 -155°С. Термограммы повторного нагревания не показывают наличия абсорбированной влаги. Таким образом, ПВКЛ может быть охарактеризован как умеренно гидрофильный полимер.
Температура стеклования сухих смесей ПВКЛ - ПЭГ при повторном нагревании на 2-4°С выше Tg влажных композиций. Зависимость температуры стеклования адгезива ПВКЛ - ПЭГ от массовой доли ПЭГ в смеси изображена на рис. 9 (левый). Как видно из рисунка, экспериментально измеренные значения Tg показывают значительные отрицательные отклонения от величин, рассчитанных по простому правилу смешения компонентов, известному как уравнение Фокса [T.G. Fox Influence of diluent and copolymer composition on the glass transition temperature of a polymer system. Bull Am Phys Soc 1956; 1:123-123]:
где w - массовые доли компонентов в смеси, a Tg - их температуры стеклования. Для описания экспериментально измеренной зависимости температуры стеклования от состава смеси в уравнение (1) нужно ввести параметр приведения w*PEG, имеющий физический смысл массовой доли макромолекул ПЭГ, образующей с повторяющимися звеньями полимера две водородные связи через обе концевые гидроксильные группы ПЭГ [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, K.A. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47 (16), 2014, 5759-5767; M.M. Feldstein, G.A. Shandryuk, N.A.
Если предположить, что каждая концевая ОН-группа ПЭГ может образовать только одну Н-связь с карбонильной группой ПВКЛ, получаем, что параметр приведения w*PEG характеризует степень сшивки макромолекул ПВКЛ относительно короткими цепями олигомерного ПЭГ. Тогда процентное содержанье звеньев ПВКЛ, сшитых водородными связями через короткие цепи ПЭГ-400, можно рассчитать по формуле (4) [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015, 42, 79-153; M.M. Feldstein, K.A. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47(16), 2014, 5759-5767; M.M. Feldstein, G.A. Shandryuk, N.A.
где [ОН] и [Pol] мольные доли концевых ОН-групп ПЭГ и мономерных звеньев полимера в смеси.
В отличие от аморфного ПВКЛ, ПN-ИПАМ обладает некоторой кристалличностью, и фазовое поведение его смесей с другим кристаллизующимся и плавящимся полимером, ПЭГ-400, сложнее (рис. 10). Термограммы ДСК нагревания смесей ПN-ИПАМ - ПЭГ показывают низкотемпературный переход стеклования в диапазоне от -49 до -54°С, за которым следует экзотермы холодной кристаллизации ПЭГ-400 и комплексов ПN-ИПАМ - ПЭГ, а также эндотермические пики плавления ПЭГ и комплексов. ПN-ИПАМ существенно более гидрофобный полимер, чем ПВКЛ, и, в связи с этим, абсорбированная влага не обнаруживается ни по данным ДСК, ни по данным гравиметрии образцов до и после нагревания.
Известно, что существует количественная зависимость между температурой стеклования смесей кристаллических и аморфных полимеров и температурой их холодной кристаллизации в смесях [М.М. Feldstein, G.A. Shandryuk, S.A. Kuptsov, N.A.
Температуры стеклования ПN-ИПАМ, ПЭГ и их смесей приведены в таблице 1 вместе с температурами и теплотами холодной кристаллизации и плавления.
Мультимодальность экзотермических пиков холодной кристаллизации и эндотерм плавления на рис. 10 свидетельствует о многообразии состояний компонентов смеси и структур комплексов, образующихся в данной системе.
Зависимость температуры стеклования смесей ПN-ИПАМ - ПЭГ от состава композиции приведена на рис. 9 правый. Подобно смесям ПВП и ПВКЛ с ПЭГ, для смесей ПN-ИПАМ - ПЭГ также характерны большие отрицательные отклонения измеренных значений Tg от величин, рассчитанных по уравнению Фокса (2). Результаты расчета стехиометрии комплексов ПВП, ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ-400 по формуле (4) приведены на рис. 11.
Как следует из рис. 11, для всех изученных нами смесей характерна независимость количества сшитых мономерных через цепочки ПЭГ звеньев в основной цепи высокомолекулярного полимера от состава смеси в широком интервале композиций. Показанная на рис. 11 независимость состава продукта взаимодействия трех изученных полимеров с ПЭГ-400 от состава исходной смеси является отличительным признаком формирования комплексов стехиометрического состава, проявляющих свойства индивидуальных химических веществ. В смесях ПВП и ПВКЛ с ПЭГ-400, соответственно, около 20 и 60% повторяющихся звеньев сшиты водородными связями через концевые гидроксильные группы ПЭГ. Именно благодаря стехиометрии комплексов всех изученных нами полимеров с ПЭГ-400 они проявляют адгезию, в то время как оба исходных компонента комплекса адгезией не обладают.
Химическая структура ПВП, ПВКЛ и ПN-ИПАМ показана на рис. 1. В то время как в ПВП и ПВКЛ концевые ОН-группы ПЭГ способны образовывать водородную связь только с кислородом карбонильной группы (-С=O), в каждом звене ПN-ИПАМ они способны связываться также с азотом амидной группы (-NH-). Как показывают проведенные нами квантово-химические расчеты, выигрыш энергии при образовании Н-связи протона гидроксильной группы ПЭГ с кислородом карбонильной группы в звене ПN-ИПАМ составляет 20.37 кДж/моль, тогда как выигрыш энергии при связывании ОН-группы с азотом амидной группы чуть меньше (16.07 кДж/моль). При этом, одновременное связывание двух концевых групп разных макромолекул ПЭГ с карбонильной и амидной группой в одном и том же звене ПN-ИПАМ более благоприятно, чем связывание в разных звеньях ПN-ИПАМ и сопровождается выигрышем энергии 30.24 кДж/моль. Следовательно, Н-связанная сшивка мономерных звеньев ПN-ИПАМ через две расположенные рядом, параллельно друг другу короткие цепи ПЭГ, носит кооперативный характер и приводит к образованию структур, схематически изображенных на рис. 1 (справа).
Именно двойное водородное связывание макромолекул ПN-ИПАМ и ПЭГ в комплекс, по нашему мнению, может объяснить необычайно сильную адгезию смесей ПN-ИПАМ - ПЭГ к гидрофильным субстратам, способным связывать протоны гидроксильных групп. Такие Ме-О-Ме группы неизбежно образуются на поверхности стального субстрата за счет окисления металла.
Следует отметить, что каждое структурное звено ПN-ИПАМ, подобно мономерному звену ПВП, содержит схожие функциональные группы, одинаковое количество атомов кислорода и азота, а молекулярные массы их звеньев отличаются всего на единицу. В этой связи не удивительно, что стехиометрия их комплексов близко совпадает (см. Рис. 11). В адгезивах на основе комплексов ПВП - ПЭГ и ПN-ИПАМ - ПЭГ каждое пятое повторяющееся звено полимера сшито водородной связью с другим мономерным звеном. Разница заключается в том, что в комплексах ПN-ИПАМ - ПЭГ каждое звено цепи высокомолекулярного полимера образует сразу две водородные связи с двумя расположенными рядом друг с другом макромолекулами ПЭГ, в то время как в комплексах ПВП - ПЭГ нековалентная сшивка происходит через одну цепочку ПЭГ.
Пример 4. Влияние ММ ПN-ИПАМ на адгезионные свойства его смесей с ПЭГ-400 Ранее было показано, что ММ ПВКЛ сравнительно незначительно влияет на адгезионные свойства его смесей с ПЭГ-400 [Патентная заявка РФ 2013154323, 9.12.2013, 67 стр. ; М.М. Feldstein, Hydrophilic thermo-switchablepressure-sensitive adhesive composition, reversibly detaching in aqueous media under temperature elevation, PCT Application RU 2013/001107, 11.12.2013,63 pp. ; M.M. Feldstein, K.A. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47(16), 2014, 5759-5767]. Этот факт был объяснен высокой плотностью Н-связанной сшивки ПВКЛ в сетчатый комплекс. Как видно из данных зондирования липкости смесей ПN-ИПАМ ММ 58 и 550 кг/моль с 45 мас. % ПЭГ-400, представленных на рис. 12 и 13, несмотря на значительную меньшую плотность нековалентной сшивки комплексов ПN-ИПАМ - ПЭГ, они показывают один и тот же механизм деформации в процессе разрушения адгезионных соединений под действием усилия отрыва штока тестера от поверхности адгезионной пленки. Для смесей ПN-ИПАМ с 20 и 30% ПЭГ характерен адгезионный механизм разрушения адгезионной связи, типичный для твердых адгезивов. Смеси ПN-ИПАМ с 40 и 45 мас. % ПЭГ демонстрируют механизм деформации, типичный для всех ЧДА. Независимо от их ММ, максимальной практической работой адгезии обладают адгезивы, содержащие 45 мас. % ПЭГ. При эквивалентной степени нековалентной сшивки адгезив на основе смесей ПN-ИПАМ ММ 550 кг/моль ПЭГ слишком твердый, и, поэтому обладает несколько меньшей липкостью. Действительно, начальный наклон кривой зондирования липкости для смесей высокомолекулярного ПN-ИПАМ с ПЭГ несколько ниже, чем для адгезивов на основе ПN-ИПАМ меньшей ММ при общем одинаковом механизме деформации, присущем вязкоупругим материалам, сочетающим сбалансированные свойства твердых материалов и жидкостей (рис. 13). Известно, что зависимость работы адгезии от содержания пластификатора (в данном случае ПЭГ) всегда проходит через максимум в точке перехода от механизма деформации, свойственному твердым адгезивам, к механизму, наблюдаемому для вязкоупругих ЧДА [М.М. Feldstein, Е.Е. Dormidontova, A.R. Khokhlov, Pressure sensitive adhesives based on interpolymer complexes, Prog. Polym. Sci. 2015,42, 79-153; G. Bonacucina, G. Ponchel, C. Ringard, G.F. Palmieri, G-L. Grossiord, Rheological and adhesive properties of new-thermoresponsive hyperbranched poly(ethylene oxide-b-propylene oxide-b-ethylene oxide), J. Drug Delivery Sci. Technol. 2006, 16 (1), 59-64].
Пример. 5. Нижняя критическая температура смешения (НКТС) и температурное поведение точки помутнения ЧДА гидрогелей на основе комплексов ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ
Температурное поведение систем ПВКЛ - вода и ПN-ИПАМ - вода было ранее описано в работах [М.М. Feldstein, К.А. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, А.Р. Moscalets, Е.Е. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47 (16), 2014, 5759-5767; C. Boutris, E.G. Chatzi, K. Kiparissides, Characterization of the LCST behavior of aqueous poly(N-isopropylacrylamide) solutions by thermal and cloud point techniques, Polymer 1997, 38 (10), 2567-2570; F. Afroze, E. Nies, H. Berghmans, Phase transitions in the system poly(N-isopropylacrylamide)/water and swelling behaviour of the corresponding networks, J. Mol. Str. 554 (2000) 55-68; M. Heskins, J.E. Guillet, Solution Properties of Poly (N-isopropylacrylamide), J. Macromol. Sci. Part A - Chem., 1968, 2:8, 1441-1455; F. Meeussen, E. Nies, H. Berghams, S. Verbrugghe, E. Goethals, F.D. Prez, Phase behavior of Poly(N-vinyl caprolactam) in water, Polymer 2000, 41, 8597-8602; A, Laukkanen L, Valtola, FM, Winnik, H. Tenhu, Formation of colloidally stable phase separated poly(N-vinylcaprolactam) in water: a study by dynamic light scattering, microcalorimetry, and pressure perturbation calorimetry. Macromolecules 2004; 37: 2268-2674] и проиллюстрировано на рис. 14 (левый). Как следует из данных этого рисунка, НКТС водных растворов ПВКЛ составляет 36°С и наблюдается в достаточно разбавленных, водных растворах содержащих 10 мас. % ПВКЛ. Смешение ПВКЛ с 45 мас. % ПЭГ-400 не оказывает существенного воздействия ни на величину НКТС, ни на ее положение вдоль оси содержания воды (рис. 14 правый).
ПN-ИПАМ демонстрирует принципиально отличное поведение температуры золь-гель перехода. НКТС системы ПN-ИПАМ - вода составляет 32.5°С и наблюдается при содержании воды в образце 48 мас. %. Смешение ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400 понижает НКТС смеси до 30,1°С и сдвигает ее в сторону более высоких концентраций влаги (54 мас. %, рис. 14). Таким образом, характер фазового поведения, присущий пленкообразующему полимеру (ПN-ИПАМ) сохраняется и для его стехиометрических комплексов с ПЭГ-400.
Пример 6. Температурная зависимость адгезии зондирования липкости смеси ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400.
Повышение температуры ведет к увеличению свободного объема и уменьшению энергии межмолекулярной когезии. Как следует из данных, представленных на рис. 15, при температуре 25°С ЧДА на основе смеси ПN-ИПАМ с 45 мас. % ПЭГ-400 демонстрирует механизм разрушения адгезионных соединений, свойственный для твердых адгезивов. Разрушение адгезионного соединения происходит по границу раздела адгезив - субстрат. Переход к податливым, высокоэластическим адгезивам, наблюдается при 30°С. Наивысшее значение практической работы адгезии (W, площадь под кривой зондирования липкости) достигается при температуре 35°С.
Как следует из данных рис. 15, относительно сухой адгезив ПN-ИПАМ - ПЭГ, содержащий всего 3.5 мас. % поглощенной воды, не показывает обратимого отлипания от стального субстрата при повышении температуры выше НКТС ПN-ИПАМ. Такое поведение понятно, поскольку разрушение адгезионной связи происходит за счет изменения надмолекулярной структуры адгезионного материала, в результате которого комплекс ПN-ИПАМ - ПЭГ, схематически изображенный на рис. 1 «выворачивается наизнанку» вследствие доминирования гидрофобных взаимодействий над водородным связыванием молекул воды. В свою очередь, наличие гидрофобных взаимодействий требует присутствия достаточно значительного количества воды в адгезиве, т.е. иными словами, наблюдается только для адгезионных гидрогелей.
Подобный конформационный переход типа «клубок - глобула» в адгезивах ПN-ИПАМ - ПЭГ и ПВКЛ - ПЭГ был зарегистрирован по изменению контактного угла смачивания адгезива водой. При комнатной температуре угол смачивания адгезива ПN-ИПАМ - ПЭГ с водой составляет 72°, величина характерная для достаточно гидрофильных материалов. Повышение температуры до 45, 55 и 65°С ведет к увеличению угла смачивания, соответственно до 90,5 и 107°, величина, типичная для гидрофобных поверхностей. Подобные изменения гидрофобности наблюдались нами и для ЧДА ПВКЛ - ПЭГ.
Пример 7. Влияние НКТС комплексов ПВКЛ и ПN-ИПАМ с ПЭГ на термопереключаемую адгезию к гидрофильным и гидрофобным субстратам
Как было показано нами ранее для комплексов ПВКЛ с ПЭГ-400, гидрогели ПВКЛ - ПЭГ, содержащие до 90 мас. % воды, проявляют липкость при температурах ниже точки помутнения и обратимо утрачивают адгезионные свойства выше точки перехода золь - гель [Патентная заявка РФ 2013154323, 9.12.2013, 67 стр.; РСТ Application RU 2013/001107, 11.12.2013, 63 pp.; М.М. Feldstein, К.А. Bovaldinova, E.V. Bermesheva, A.P. Moscalets, E.E. Dormidontova, V.Y. Grinberg, A.R. Khokhlov, Thermo-Switchable Pressure-Sensitive Adhesives Based on Poly(N-vinyl caprolactam) Non-Covalently Cross-Linked by Poly(ethylene glycol), Macromolecules 47 (16), 2014, 5759-5767]. Проведенные нами последующие исследования показали, что такое поведение типично для смесей ПВКЛ - ПЭГ только по отношению к высокоэнергетическим, гидрофильным субстратам, таким как стекло, металлы, минералы, полимеры, содержащие полярные функциональные группы, биологические ткани (кожа и слизистые оболочки полости рта). По отношению к гидрофобным субстратам (полиэтилен, полипропилен, полистирол, тефлон, каучуки и резина) гидрогели ПВКЛ - ПЭГ ведут себя совершенно иначе. Они прилипают к гидрофобным поверхностям при температурах выше точки помутнения, но не проявляют липкости или обладают низкой адгезией в области, лежащей под кривой помутнения (рис. 16).
Аналогичным образом, адгезивы ПN-ИПАМ - ПЭГ проявляют липкость к гидрофильным субстратам при температурах и количествах поглощенной влаги, лежащих ниже кривой фазового распада водного раствора. В области диаграммы состояния систем ПN-ИПАМ - ПЭГ (45 мас. %) - вода, лежащей выше кривой помутнения на рис. 16, они утрачивают липкость и обратимо отлипают. По отношению к гидрофобным субстратам они не проявляют липкости при обычных температурах, но приобретают адгезию при повышении температуры выше НКТС.
В наших исследованиях гидрофильные высокоэнергетические субстраты были представлены сталью штока прибора для зондирования липкости и кожей. В качестве модельного гидрофобного субстрата были использованы хирургические перчатки, изготовленные из бутадиен-нитрильного каучука. Материал перчатки наклеивали на стеклянную пластину с помощью эпоксидного клея. Таким образом, во всех случаях субстрат был жесткий.
Таким образом, адгезионное поведение систем ПN-ИПАМ - ПЭГ - вода по отношению к гидрофобным субстратам полностью согласуется с результатами ранее опубликованных исследований, выполненных на системе ПN-ИПАМ - вода [J. O'Mahony, К. McCarthy, Е. Monaghan, A novel way to reversibly detackify PSA compositions using thermoresponsive polymers, PSTC (Pressure - Sensitive Tape Council), Advanced Polymer Design for Adhesives, 2007, http://www.pstc.org/files/public/OMahonv.pdf: L. Chen, M. Lin, L. Lin, T. Zhang, J. Ma, Y. Song, L. Zhang, Thermal-responsive hydrogel surface: tunable wettability and adhesion to oil at the water/solid interface, Soft Mater. 2010, 6, 2708-2712]. При этом необходимо заметить, что чувствительность липкости термопереключаемых адгезивов к полярности используемых субстратов для полимеров, обладающих НКТС, но отличающихся по составу от ПN-ИПАМ, ранее не была отмечена и не описана. В связи с этим, весьма вероятно предположить, что чувствительность липкости полимеров, обладающих НКТС, к субстратам различной гидрофильности, является общим свойством подобных полимеров и их характерной чертой.
Как указано в нашей предыдущей патентной заявке на термопереключаемый адгезив на основе комплексов ПВКЛ - ПЭГ, температуру переключения адгезии можно регулировать изменением состава адгезива и количества абсорбированной им воды.
На рис. 17 представлена температурная зависимость адгезии отслаивания пленок адгезива ПN-ИПАМ - ПЭГ (45 мас. %) под углом 180° от жестких субстратов различной полярности. С увеличением температуры выше НКТС ПN-ИПАМ (31°С) адгезия отслаивания ЧДА ПN-ИПАМ - ПЭГ к гидрофобным поверхностям повышается от 100 до 500 Н/м, а к гидрофильным поверхностям понижается от 240 до 10 Н/м. Увеличение содержания абсорбированной воды до 30 мас. % в адгезиве превосходит эффект увеличения его гидрофобности при повышенных температурах. ЧДА, содержащий 30%, воды ведет себя как гидрофильный материал и не показывает адгезии к гидрофобным субстратам.
Описанные в настоящем изобретении термопереключаемые адгезионные композиции с липкостью, настраивающейся в зависимости от гидрофильности используемого субстрата, могут быть востребованы в ряде коммерческих продуктов технического, бытового и медицинского назначения. В частности, адгезивы, обратимо отлипающие от субстрата при температурах выше НКТС, могут быть использованы для безболезненного снятия накожных аппликаций, для рекламных изделий многоразового использования на различных поверхностях, в энергосберегающих технологиях отмывки стеклянной, металлической и пластиковой тары от липких этикеток. Композиции, не проявляющие липкости при обычной температуре, но обратимо прилипающие при температурах выше НКТС, находящихся в области физиологических температур 38-40°С, могут быть использованы для целенаправленного транспорта лекарств в очаги воспалений. Упомянутые здесь возможные сферы использования термопереключаемых адгезионных композиций далеко не исчерпывают список их потенциального применения.
Реферат
Изобретение относится к гидрофильным термопереключаемым чувствительным к давлению адгезионным (ЧДА) композициям и может применяться в качестве биомедицинского адгезива для аппликации на кожу и в области систем подачи лекарств, медицинских покрытий на кожу и продуктов для заживления ран, которые легко и безболезненно удаляются с поверхности кожи в теплой ванне. Композиция состоит из гидрофильного пленкообразующего полимера, обладающего нижней критической температурой смешения (НКТС), и комплементарного короткоцепного нековалентного олигомерного сшивателя пленкообразующего НКТС-полимера. Гидрофильный полимер и олигомерный сшиватель способны к водородному связыванию друг с другом и содержатся в соотношении, которое определяет такие характеристики композиции, как прочность адгезионной связи, когезионная прочность и гидрофильность. При комнатной температуре в водной среде адгезив проявляет липкость к гидрофильным субстратам и обратимо отлипает от них при повышении температуры выше НКТС. К гидрофобным субстратам адгезив не проявляет липкости при обычной температуре, но приобретает ее в водной среде при повышении температуры выше НКТС. Переход из нелипкого в липкое состояние контролируется температурой и количеством абсорбированной влаги. Он полностью обратим. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 17 ил., 7 пр., 1 табл.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Ковалентное и нековалентное сшивание гидрофильныхполимеров и адгезивные композиции, полученные с ними
