Введение. 
Создание полимерных микросфер для биотехнологии с функционально-модифицированной поверхностью в широком интервале диаметров

Полимерные суспензии с большими размерами частиц (от 5 мкм и выше) получают методами дисперсионной и затравочной полимеризации. Несмотря на то, что эти методы синтеза известны давно и широко применяются для производства полимерных суспензий различного назначения, до сих пор актуальным остается вопрос регулирования диаметра полимерных микросфер, распределения их по размерам и свойств приповерхностного слоя. Существование этой острой проблемы обусловлено тем, что при гетерофазной полимеризации мономеров одновременно протекают несколько процессов. Это инициирование полимеризации, формирование полимер-мономерных частиц и образование межфазного адсорбционного слоя, которые определяют агрегативную устойчивость реакционной системы, диаметр полимер-мономерных частиц и их распределение по размерам.

Методом дисперсионной полимеризации получают полимерные частицы с размерами от 1 до 10 мкм. Для дисперсионной полимеризации обычно используют полярные растворители такие как этанол, изопропанол и метанол. В качестве стабилизаторов частиц используют поли-N-винилпирролидон (ПВП), диоктилсульфосукцинат натрия (AOT).

Контроль размера частиц и их распределение по размерам — одна из самых важных проблем дисперсионной полимеризации.

На эти параметры влияют природа и концентрация мономера, стабилизатора, инициатора и температура. Влияние этих параметров изучено в недостаточной степени и требуются дополнительные исследования, чтобы оценить их роль при проведении дисперсионной полимеризации мономеров в растворителях разной полярности.

При затравочной полимеризации мономеров необходимо предварительно получить полимерные суспензии малого диаметра с узким РЧР, что также является непростой задачей, а затем использовать их как затравочные для набухания мономером и проведения в них полимеризации. В этом случае необходимо тщательно соблюдать режим полимеризации для того, чтобы в водной фазе не оказался мономер и не образовались ПМЧ по другому механизму.

Одним из путей решения этой проблемы является полимеризация мономеров в присутствии нерастворимых в воде ПАВ. В этом случае образование полимер-мономерных частиц происходит по одному механизму из микрокапель мономера, а прочный межфазный адсорбционный слой формируется на поверхности ПМЧ на ранних стадиях полимеризации и определяет узкое распределение по размерам.

Не менее важной и актуальной проблемой является получение функциональных полимерных микросфер со свойствами, позволяющими заменить эритроциты в реакциях латекс — агглютинации. В этом случае они должны соответствовать определенным критериям, наличие которых обеспечивает сохранение чувствительности и специфичности реакциилатекс — агглютинации такой же как в эротрицитарных диагностикумах. Такие частицы прямым синтезом получить невозможно и в этом случае перспективна полимеризации на затравочных частицах в присутствии функциональных ПАВ.

Получить полимерные микросферы, удовлетворяющие высоким требованиям, предъявляемым к носителям биолигандов, возможно и путем модификации предварительно полученных полимерных дисперсий. Это позволяет в широких пределах варьировать свойства поверхности ПМС, что невозможно обеспечить прямыми методами.

Цель настоящей работы. Создание полимерных микросфер с функционально — модифицированной поверхностью в широком интервале диаметров и узким распределением по размерам различными методами гетерофазной полимеризации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• — Использовать различные методы проведения гетерофазной полимеризации с целью получения полимерных дисперсий, обладающих необходимым комплексом свойств: диаметром, РЧР, устойчивостью, наличием функциональных групп на поверхности частиц, способностью к иммоблилизации полупроводниковых нанокристаллов (КТ).
• — На основе данных анализа кинетических закономерностей полимеризации мономеров создать рецептуры синтеза полимерных микросфер (в том числе и композитных) с диаметрами в интервале от 0,4 до 5мкм для применения в качестве носителей биолигандов.
• — Обеспечить устойчивость полимерных микросфер на всех стадиях синтеза и модификации их поверхности.

Научная новизна работы:

• — Впервые проведены систематические исследования по изучению влияния изменения температуры реакционной смеси на начальную стадию дисперсионной полимеризации. Показано его определяющее влияние на число частиц, скорость их роста и конечный диаметр дисперсий.
• — Установлено влияние природы растворителя на дисперсный состав полимерных микросфер (в ряду метанол — трет-бутанол) при проведении дисперсионной полимеризации.
• — Методом микросуспензионной полимеризации стирола и метилметакрилата в присутствии нерастворимых в воде ПАВ синтезированы полимерные суспензии с узким РЧР и диаметрами 0,4−0,9 мкм, содержащие на поверхности карбоксильные и эпоксидные группы.
• — Впервые методом затравочной полимеризации стирола, содержащего нерастворимые в воде КО ПАВ, на сшитых полистирольных частицах с диаметром? 5мкм, синтезированы полимерные микросферы со структурой ядро-оболочка, содержащие в межфазном адсорбционном слое функциональные карбокси и эпокси группы.
• — Предложены различные химические и физико-химические способы модификации, позволяющие широко варьировать концентрацию функциональных групп на поверхности ПМС.
• — Впервые найдены условия синтеза устойчивых полистирольных микросфер с узким РЧР, содержащих на поверхности высокую концентрацию функциональных групп, путём последовательной модификации частиц процессами хлорметилирования и аминирования.
• — Разработана методология получения полимерных дисперсий, частицы которых представляют собой композит из флуоресцентной функциональной оболочки и полимерного ядра.

Практическая значимость работы:

• — Создана диагностическая тест-система с использованием полимерных микросфер в качестве носителей биолигандов для определения уровня антител к столбнячному анатоксину в сыворотках крови человека методом реакции пассивной латексной агглютинации, чувствительность которой сопоставима с чувствительностью существующего гемагглютинационного иммунного диагностикума.
• — Получены новые композиционные полимерные частицы с высокой удельной поверхностью, применение которых в качестве носителей биолигандов позволяет на порядок повысить чувствительность диагностических тест-систем, по сравнению с наблюдаемой при использовании эритроцитов или индивидуальных полимерных микросфер.
• — Полученные результаты могут стать основой при разработке тест системы для диагностики различных заболеваний методом реакции пассивной латексной агглютинации.
• — Проведено исследование различных методов формирования флуоресцентных микросфер, спектрально кодированных квантовыми точками, что позволило научно обоснованно сформулировать требования к конструкции флуоресцентных микросфер, применяемых в качестве диагностикумов.

Автор защищает:

• 1. Влияние изменения температуры на начальной стадии дисперсионной полимеризации стирола на диаметр частиц и их распределение по размерам.
• 2. Влияние природы растворителя и концентрации мономера на дисперсный состав полимерных дисперсий.
• 3. Кинетические закономерности полимеризации стирола и метилметакрилата в присутствии функциональных нерастворимых в воде ПАВ и рецептуры синтеза полимерных дисперсий с диаметрами 0,4−1,1мкм.
• 4. Синтез и свойства функциональных полимерных дисперсий с диаметром порядка 5мкм, полученных методом затравочной полимеризации.
• 5. Химическую и физико-химическую модификацию поверхности полимерных частиц.
• 6. Методологию получения полимерных микросфер с иммобилизованными на поверхности КТ-точками.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Коллоиды и нанотехнологии в индустрии», Алматы, 2014 г.