Способ получения полимерных микросфер в условиях микропотока Российский патент 2024 года по МПК C08F2/18 C08F212/08 B01J13/16 

Изобретение относится к области высокомолекулярных соединений, а именно к способу получения полимерных микросфер в условиях микропотока. Изобретение может быть использовано в реакции латекс-агглютинации, а также в качестве основы тест-систем для мультиплексного иммуноанализа.

Полимерные микросферы в настоящее время широко используются для решения различных задач в биологии, биотехнологии, фармацевтике и медицине в качестве систем доставки лекарственных веществ. Важным применением полимерных карбоксилсодержащих микросфер является определение качественного и количественного белкового состава биологических образцов методом мультиплексного анализа. В данном случае полимерные микросферы должны удовлетворять ряду требований: узкое распределение по размерам (воспроизводимая площадь поверхности); содержание на поверхности микросфер функционально активных групп для ковалентного связывания с ними антител и/или флуоресцентных меток; стабильность в водных средах при физиологических значениях рН.

Из уровня техники известны различные способы функционализации полимерных микросфер (Успехи химии. 1996 г., т. 65, №2, стр. 178-192). Такие способы основаны на: 1) одностадийной безэмульгаторной сополимеризации винильных мономеров с этиленненасыщенными карбоновыми кислотами; 2) затравочной безэмульгаторной сополимеризации винильных мономеров с этиленненасыщенными карбоновыми кислотами; 3) сополимеризаци винильных мономеров с поверхностно-активными присутствии нерастворимых в воде карбоксилсодержащих поверхностно-активных веществ.

В статье 2021 г, опубликованной в журнале Colloid and Polymer Science, v. 299, p. 1095-1102, описан способ получения узкодисперсных полистирольных микросфер с карбоксильными группами на поверхности. Полимерные микросферы получали методом безэмульгаторной сополимеризации стирола с акриловой или метакриловой кислотой в количестве 3,6-12,4 мас. % в расчете на стирол, в присутствии персульфата калия в качестве инициатора в количестве 0,2 г. Полимеризацию осуществляли в атмосфере инертного газа при нагревании до 70°С. Соотношение дисперсной фазы к водной фазе составляло 1 к 9. Диаметры полистирольных микросфер составили 0,3-0,6 мкм, а концентрация карбоксильных групп на поверхности 0,19-0,55 ммоль/г.

Недостатком данного способа является получение полистирольных микросфер в достаточно узком диапазоне диаметров (0,3-0,6 мкм). Кроме того, проведение полимеризации требует длительного осуществления реакции в течение 10 ч для полной конверсии стирола.

В статье 2006 г, опубликованной в журнале Macromolecules, v. 39, р. 5729-5737, описан способ получения полистирольных карбоксилированных микросфер методом затравочной дисперсионной полимеризации. В этом случае полимеризацию стирола с акриловой кислотой в количестве 2-6 мас. % в расчете на стирол проводили в две стадии. На первой стадии полимеризацию стирола осуществляли в присутствии эмульгаторов, выбранных из поливинилпирролидона 55 или 360 и тритона Х-305, и инициатора 2,2'-азобис(-2-метилбутиронитрил), в атмосфере инертного газа при нагревании до 70°С. На второй стадии через 1 ч к реакционной массе добавляли стирол в смеси с акриловой кислотой при нагревании до 70°С. Диаметры полистирольных микросфер составили от 1,1 до 3,0 мкм, а содержание карбоксильных групп на поверхности 12,8-29,2 % в расчете на общее количество акриловой кислоты. Полная конверсия стирола достигалась в течение 24 ч.

Однако применение высоких концентраций акриловой кислоты в расчете на стирол приводит к получению полимерных микросфер с широким распределением частиц по размерам, а также образованию в ходе полимеризации коагулюма. Кроме того, получение полистирольных микросфер с высокой концентрацией карбоксильных групп на поверхности осложнено тем, что большая часть карбоксильных групп распределена в объеме микросфер.

В патентах RU 2459834, опубликованном 27.08.2012, и RU 2610272, опубликованном 08.02.2017, описаны способы получения карбоксилированных полимерных микросфер на основе метилметакрилата, и/или н-бутилакрилата, и/или стирола, и/или винилацетата, и/или хлоропрена. Полимерные микросферы получали в присутствии нерастворимых в воде кремнийорганических поверхностно-активных веществ различного строения: смеси α,ω-бис-(10-карбоксидецил)-полидиметилсилоксан в количестве 0,5-1,9 мас. % с полиоксиалкиленполисилоксаном в количестве 0,9-2,6 мас. % в расчете на полимер; α,ω-бис-(3 -метилсилокси)-полидиметил-(3-аминопропил)-силоксан, или α,ω-бис-(3-метилсилокси)-полидиметил-(10-карбоксидецил)-силоксан в количестве 0,75-1,80 мас. % в расчете на мономер. Полимеризацию проводили в присутствии инициатора, выбранного из персульфата калия, динитрила азо-бис-изомасляной кислоты, перекисью бензоила или их смеси, в атмосфере инертного газа при нагревании до 50-80°С. Диаметры полимерных микросфер составили 0,13-0,65 мкм или 1,07-2,10 мкм.

Недостатком представленных способов получения полимерных микросфер является необходимость использования полисилоксановых стабилизаторов. Данные ПАВ сложны в получении, что обуславливает ограниченность коммерческих предложений на данные полимеры, а также их высокую стоимость. В связи с этим более перспективной для масштабирования является технология получения полистирольных микросфер, в которой исключено применение подобных стабилизаторов.

Наиболее близкое к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, описанное в патенте RU 2752736, опубликованном 30.07.2021, в котором заявлены способы получения водных растворов низкомолекулярных сополимеров моноэтиленненасыщенных карбоновых кислот с 3-4 атомами углерода. В этом случае сополимеризацию акриловой, и/или метакриловой, и/или малеиновой, и/или фумаровой, и/или аллилсульфокислоты, и/или их водорастворимых солей в количестве 15-40 мас. % проводили в присутствии инициатора в количестве 0,001-1 мас. %, регулятора молекулярной массы 0,001-0,4 мас. %, остальное вода. Растворы подавали в проточный реактор при нагревании до 75-90°С, после чего пропускали через змеевик с внутренним диаметром 1-10 мм и проводили сополимеризацию ненасыщенных карбоновых кислот.

Однако при реализации данного технологического способа получают только водорастворимые сополимеры карбоновых кислот.

Техническая задача заключается в получении узкодисперсных полимерных микросфер с карбоксильными группами на поверхности.

Техническая задача решается способом получения полимерных микросфер в условиях микропотока, характеризующийся тем, что предварительно готовят два раствора реагентов, один из которых состоит из акриловой или метакриловой кислоты, инициатора, а второй раствор состоит из двух компонентов, один из которых вода, после чего при температуре 75-90°С с помощью двух насосов одновременно дозируют первый и второй растворы реагентов в проточный реактор, в качестве которого используют Т-образный смеситель, при этом первый раствор, называемый дисперсной фазой, состоит из стирола с концентрацией 65-66,2 мас. %, акриловой или метакриловой кислоты в количестве 2,3-5,5 мас. % в расчете на стирол, инициатор в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан, а второй раствор, называемый непрерывной фазой, состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода, после чего в проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов в месте пересечения 100 мкм при помощи двух насосов подают непрерывную и дисперсную фазы при соотношении постоянных расходов от 75 до 200 для генерирования капель эмульсии, затем полученную эмульсию из Т-образного смесителя подают в змеевик с внутренним диаметром 500-800 мкм и при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75-90°С, при чем в качестве инициатора используют динитрил азобис-изомасляной кислоты.

Описанный выше способ позволяет получать стабильную суспензию узкодисперсных полимерных микросфер методом суспензионной полимеризации стирола с акриловой или метакриловой кислотой, в проточном реакторе в непрерывном режиме с использованием в качестве инициатора динитрила азобис-изомасляной кислоты в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, в качестве растворителя цикогексан, в качестве стабилизатора поливиниловый спирт в количестве 1 мас. %. После окончания полимеризации получают суспензию полимерных микросфер диаметром 3,7-19,5 мкм и узким распределением частиц по размерам (коэффициент вариации CV 2,2-7,5 %). Концентрация карбоксильных групп на поверхности составляет 0,0965-0,2918 ммоль/г микросфер.

Использование проточного реактора в виде Т-образного смесителя позволяет генерировать исходные капли эмульсии дисперсной фазы в непрерывной фазе сразу с узким распределением капель по размерам, что приводит к получению более монодисперсных полимерных микросфер, а также позволяет сократить длительность полимеризации и увеличить концентрацию карбоксильных групп на поверхности. Кроме того, использование змеевика позволяет обеспечить эффективный теплообмен в процессе полимеризации, что позволяет исключить локальные перегревы и обеспечить безопасность заявленного способа получения.

Размеры полимерных микросфер определяют методом оптической микроскопии на приборе «Микромед Р-1».

Содержание карбоксильных групп на поверхности микросфер определяют после отмывки микросфер от примесей методом потенциометрического кислотно-основного титрования.

Конкретное осуществление способа проиллюстрировано следующими примерами.

Пример 1

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 75. Дисперсная фаза состоит из 66,4 мас. % стирола, акриловой кислоты в количестве 2,3 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 19,5 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=7,5 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1444 ммоль/г.

Пример 2

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 100. Дисперсная фаза состоит из 66,4 мас. % стирола, акриловой кислоты в количестве 2,3 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 13,6 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=7,2 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1350 ммоль/г.

Пример 3

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 166. Дисперсная фаза состоит из 66,4 мас. % стирола, акриловой кислоты в количестве 2,3 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 6,1 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=2,2 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1256 ммоль/г.

Пример 4

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 200. Дисперсная фаза состоит из 66,4 мас. % стирола, акриловой кислоты в количестве 2,3 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 3,7 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=5,1 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1225 ммоль/г.

Пример 5

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 166. Дисперсная фаза состоит из 66,2 мас. % стирола, метакриловой кислоты в количестве 2,8 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 6,2 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=3,1 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1560 ммоль/г.

Пример 6

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 166. Дисперсная фаза состоит из 65 мас. % стирола, метакриловой кислоты в количестве 5,5 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 7,2 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=3,9 %.

Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,2918 ммоль/г.

Пример 7

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 166. Дисперсная фаза состоит из 66,2 мас. % стирола, метакриловой кислоты в количестве 2,8 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 500 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 6,1 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=3,3 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,1534 ммоль/г.

Пример 8

В проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов 100 мкм подаются непрерывная фаза и дисперсная фаза с соотношением расходов 166. Дисперсная фаза состоит из 66,2 мас. % стирола, метакриловой кислоты в количестве 2,8 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан. Непрерывная фаза состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода. По мере прохождения двух фаз через проточный реактор формируется эмульсия, которая далее поступает в змеевик с внутренним диаметром 800 мкм, при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 90°С. Получают суспензию полистирольных микросфер с диаметром 6,0 мкм и коэффициентом вариации CV=σ/D_cp=4,1 %. Концентрация карбоксильных групп на поверхности микросфер составляет 0,0965 ммоль/г.

При концентрации стирола меньше 65 % и больше 66,2 %, акриловой или метакриловой кислоты меньше 2,3 % и больше 5,5 % в расчете на стирол, и соотношении расходов непрерывной и дисперсной фаз меньше 75 и больше 200 поставленная техническая задача не выполнима, узкодисперсность не достигаема.

Изобретение относится к области высокомолекулярных соединений, а именно к способу получения полимерных микросфер в условиях микропотока, которые могут быть использованы в реакции латекс-агглютинации, а также в качестве основы тест-систем для мультиплексного иммуноанализа. Изобретение осуществляется способом получения полимерных микросфер в условиях микропотока, характеризуется тем, что предварительно готовят два раствора реагентов, один из которых состоит из акриловой или метакриловой кислоты, инициатора, второй раствор состоит из двух компонентов, один из которых вода, после чего при температуре 75-90°С с помощью двух насосов одновременно дозируют первый и второй растворы реагентов в проточный реактор, в качестве которого используют Т-образный смеситель, при этом первый раствор, называемый дисперсной фазой, состоит из стирола с концентрацией 65-66,2 мас. %, акриловой или метакриловой кислоты в количестве 2,3-5,5 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан, а второй раствор, называемый непрерывной фазой, состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода, после чего в проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов в месте пересечения 100 мкм при помощи двух насосов подают непрерывную и дисперсную фазы, при соотношении постоянных расходов от 75 до 200 для генерирования капель эмульсии, затем полученную эмульсию из Т-образного смесителя подают в змеевик с внутренним диаметром 500-800 мкм и при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75-90°С, причем в качестве инициатора используют динитрил азобис-изомасляной кислоты. Технический результат – обеспечение способа получения стабильной суспензии узкодисперсных полимерных микросфер диаметром 3,7-19,5 мкм и узким распределением частиц по размерам (коэффициент вариации CV 2,2-7,5 %), концентрация карбоксильных групп на поверхности составляет 0,0965-0,2918 ммоль/г микросфер. 8 пр.

Способ получения полимерных микросфер в условиях микропотока, характеризующийся тем, что предварительно готовят два раствора реагентов, один из которых состоит из акриловой или метакриловой кислоты, инициатора, а второй раствор состоит из двух компонентов, один из которых вода, после чего при температуре 75-90°С с помощью двух насосов одновременно дозируют первый и второй растворы реагентов в проточный реактор, в качестве которого используют Т-образный смеситель, отличающийся тем, что первый раствор, называемый дисперсной фазой, состоит из стирола с концентрацией 65-66,2 мас. %, акриловой или метакриловой кислоты в количестве 2,3-5,5 мас. % в расчете на стирол, инициатора в количестве 2 мас. % в расчете на мономеры, остальное циклогексан, а второй раствор, называемый непрерывной фазой, состоит из 1 мас. % поливинилового спирта, остальное вода, после чего в проточный реактор в виде Т-образного смесителя с диаметром каналов в месте пересечения 100 мкм при помощи двух насосов подают непрерывную и дисперсную фазы, при соотношении постоянных расходов от 75 до 200 для генерирования капель эмульсии, затем полученную эмульсию из Т-образного смесителя подают в змеевик с внутренним диаметром 500-800 мкм и при этом проводят суспензионную сополимеризацию указанных выше реагентов при нагревании до 75-90°С, причем в качестве инициатора используют динитрил азобис-изомасляной кислоты.