Поли-2-алкил-2-оксазолины (ПАОЗ) являются перспективным в медицинских приложениях классом полимеров. В значительной степени это обусловлено их биосовместимостью, нетоксичностью и устойчивостью к действию ферментов. В настоящее время они используются при синтезе носителей лекарственных веществ, для создания противоожоговых покрытий с контролируемой скоростью выделения лекарств, для получения термолабильных гелей для остановки кровотечений, материалов, обладающих антитромбогенными свойствами и т.д. Формирование ИПК позволяют расширить возможности их применения в различных направлениях.

Интерполимерные комплексы (ИПК), образующиеся в растворе при взаимодействии двух макромолекул различного химического строения за счет образования водородных связей или электростатических взаимодействий представляют интерес для создания новых высоко функциональных полимерных материалов в качестве молекулярных наноконтейнеров для транспортировки лекарственных препаратов, суперсорбентов, мембранных материалов, заменителей живых тканей. Свойства ИПК существенно отличаются от свойств образующих его индивидуальных макромолекул.

Методом поляризованной люминесценции исследовано формирование ИПК полиметакриловой кислоты (ПМАК) с линейными поли-2-алкил-2-оксазолинами ─метил, этил, н-пропил. Наносекундные времена релаксации τвмп, характеризующие внутримолекулярную подвижность (ВМП) участков цепей макромолекул τВМП определяли из измерения поляризации люминесценции (Р) раствора по формуле: τВМП =(1/Р·о+1/3) х 3τфл/1/Р -1/Р·о), где τфл ─ длительность свечения люминесцирующей метки, 1/Р·о ─ параметр, учитывающий вклад высокочастотных движений метки.

Методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей исследована надмолекулярная структура полученных ИПК при взаимодействии ПМАК с линейными и разветвлёнными полимерами. Изучено влияние топологии полимерных цепей на комплексообразование на примере взаимодействия ПМАК с цепями поли-2-этиил-2-оксазолина, привитыми по верхнему или нижнему ободу каликс-8-арена. Целью исследования является установление факторов, определяющих структуру и функционирование новых полимерных систем сложной архитектуры и состава в растворах.

Люминесцентно меченая ПМАК* была получена свободно радикальной сополимерпзацией метакриловой кислоты и 9-антрилметакриламида в растворе. Содержание люминесцирующих меток составляло 0,15 мол. %. Линейные полимеры синтезированы на Редингском фармацевтическом факультете, Университет Рединга, Великобритания (проф. В. Хуторянский). Звездообразные сополимеры получены в ИВС РАН (проф. А.В.Теньковцев). Степень полимеризации n исследованных образцов ПМАК* составляла 3100 =264 кД, поли-2-алкил-2-оксазолинов ~ 505 кД, в звездообразных сополимерах степень полимеризации лучей поли-2-эти-2-оксазолинов 30 кД.

Получены зависимости наносекундных времен релаксации τвмп, макромолекул ПМАК* в воде при добавлении раствора поли-2-алкил-2-оксазолина при различных соотношениях взаимодействующих компонентов поли-2-метил-2-оксазолина, поли-2-этил-2-оксазолина с n= 500.

Добавление 2-алкилоксазолина к раствору поликислоты приводит к резкому возрастанию значений τвмп и соответственно уменьшению подвижности участков цепей поликислоты. Это указывает на взаимодействие с макромолекулами поли-2-алкилоксазолина и формирование ИПК. Ключевым фактором в образовании ИПК между ПМАК* и ПАОЗ являются Н-связи между неионизованной протоно-донорной СООН группой и карбонильным кислородом ПАОЗ. Поскольку изменение τвмп с ростом соотношения [ПАОЗ]/[СООН] практически не зависит от природы заместителя в ПАОЗ, то роль гидрофобных взаимодействий в формировании ИПК ПАОЗ/ПМАК можно признать несущественной. При соотношении взаимодействующих компонентов β = [звено ПАОЗ]/[СООН]= 0,7 в растворе появляется опалесценция, что указывает на агрегацию образующихся ИПК. При взаимодействии поликислоты с ПАОЗ образуется не протяженная кооперативная система водородных связей между индивидуальными макромолекулами, как например, это наблюдается для комплексов поли-N-виниламидов с карбоновыми кислотами, а многочисленные сшивки (Н-связи) между удаленными вдоль цепи протонодонорными и протоноакцепторными группами, что приводит к образованию сетчатой структуры, Формирование такой структуры, по-видимому, обусловлено геометрическим фактором ─ расстоянием между взаимодействующими группами и наличием массивных гидрофобных заместителей. препятствует образованию протяженной системы Н-связей.

Влияние степени ионизации СООН групп на формирование ИПК обнаружено по изменению обратной величины поляризации люминесценции 1/Р, пропорциональной ВМП, от степени ионизации ПМАК. ПМАК* представляет собой слабый полиэлектролит, в водном растворе степень ионизации СООН групп макромолекулы, α, не превышает 0,03%. В неионизованном и слабо ионизованном состоянии в ПМАК находится в компактной конформации, стабилизированной дополнительно к Н-связям, гидрофобными взаимодействиями α-метильных групп. В результате ВМП цепей ПМАК существенно заторможена по сравнению, например, с ВМП полиакриловой кислоты в тех же условиях. При ионизации ПМАК подвижность участков цепей возрастает с ростом α вследствие разрушения компактной структуры за счет электростатического отталкивания. В данном случае, в ИПК ионизация СООН групп затруднена, за счет образования более стабильных Н-связей с макромолекулами ПАОЗ. Однако, если сравнивать ИПК ПАОЗ/ПМАК/их с «классическими» ИПК поли-N-винилпирролидон/ПМАК, то прочность их заметно слабее и они стабильны относительно узком интервале рН., что указывает на существенное различие в структурной организации ИПК.

Перспективность применения ИПК в качестве наноконтейнеров для доставки трудно растворимых веществ демонстрирует люминесценция водных растворов куркумина в присутствии каликс-8-арена с лучами (поли-2-этил-2-оксазолин) (1, 2) и водных растворов куркумина в присутствии его комплекса с полиметакриловой кислотой (3).

Poly-2-alkyl-2-oxazolines (PAOZ) are a promising class of polymers for medical applications. This is largely due to their biocompatibility, nontoxicity, and resistance to the action of enzymes. At present, they are used to make drug carriers, anti-burn coatings with a controlled drug release rate, thermolabile gels for bleeding arrest, materials with antithrombogenic properties, etc. Interpolymer complexes expand the possibilities of their application.

Interpolymer complexes (IPC) formed in solution during the interaction between two macromolecules of different chemical structure due to the formation of hydrogen bonds or electrostatic interactions are of interest for the creation of new highly functional polymeric materials as molecular nanocontainers for drug transportation, supersorbents, membrane materials, living tissue substitutes. IPCs have different properties than the individual macromolecules that make them.

To study how polymethacrylic acid (PMAA) forms IPC with linear poly-2-alkyl-2-oxazolines, the polarized luminescence method was used. The nanosecond relaxation times τ_IMM characterizing the intramolecular mobility (IMM) of macromolecule chain sites. τ_IMM were determined from luminescence polarization (P) measurements of the solution using the formula: τ_IMM =(1/Р’о+1/3) х 3τ_fl/1/Р – 1/Р’о), where τ_fl ─ luminescence duration of the luminescent tag, 1/P’o ─ parameter accounting for the contribution of high-frequency movements of the luminescent label.

The supramolecular structure of the obtained IPCs in the interaction of PMAA with linear and branched polymers was studied by the method of small-angle X-ray scattering. The influence of the polymer chain topology on the complexation was studied by the example of PMAA interaction with poly-2-ethyl-2-oxazoline chains grafted along the upper or lower rim of calyx-8-arene. The aim of the study is to establish the factors determining the structure and functioning of new polymer systems of complex architecture and composition in solutions.

Luminescently labeled PMAA* was obtained by free-radical copolymerization of methacrylic acid and 9-anthrylmetacrylamide in solution. The luminescent labeling content was 0.15 mol %. Linear polymers were synthesized at Reading School of Pharmacy, University of Reading, UK (Prof. V. V. Khutoryanskiy). Star-shaped copolymers were obtained in the Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences (Prof. A.V. Tenkovtsev). The degree of polymerization of n examined samples PMAA* was 3100 = 264 kD, poly-2-alkyl-2-oxazolines ~ 505 kD, in the star-shaped copolymers the degree of poly-2-ethyl-2-oxazolines rays polymerization was 30 kD.

The dependences of nanosecond relaxation times τ_IMM of PMAA* macromolecules in water when adding a solution of poly-2-alkyl-2-oxazoline at different ratios of interacting components poly-2-methyl-2-oxazoline, poly-2-ethyl-2-oxazoline with n = 500 were obtained.

The addition of 2-alkyloxazoline to the polyacid solution leads to a sharp increase in τ_IMM values and a corresponding decrease in the mobility of the polyacid chain sites. This indicates the interaction with macromolecules of poly-2-alkyloxazoline and the formation of IPC. The key factor in the formation of IPC between PMAA* and PAOZ is the H-bonds between the non-ionized proton-donating COOH group and the carbonyl oxygen of PAOZ. Since the change in τ_IMM with an increase in the [PAOZ]/[COOH] ratio is practically independent of the nature of the substituent in PAOZ, the role of hydrophobic interactions in the formation of the PAOZ/PMAA complex can be considered insignificant. When the ratio of the interacting components β = [PAOZ]/[COOH]= 0.7, opalescence appears in the solution, which indicates the aggregation of the formed IPCs. When a poly-acid interacts with PAOZ, not an extended cooperative system of hydrogen bonds between individual macromolecules is formed, as, for example, observed for poly-N-vinylamide complexes with carboxylic acids, but numerous cross-links (H-bonds) between proton-donor and proton-acceptor groups removed along the chain, which results in the formation of a net-like structure. The formation of such a structure seems to be caused by the geometrical factor ─ the distance between the interacting groups and the presence of massive hydrophobic substituents, and it prevents the formation of an extended system of H-bonds.

The influence of the degree of ionization of COOH groups on the formation of IPC was detected by the change in the inverse value of luminescence polarization 1/P, proportional to IMM, from the degree of ionization of PMAA. PMAA is a weak polyelectrolyte; in aqueous solution, the degree of ionization of COOH groups of the macromolecule, α, does not exceed 0.03%. In the non-ionized and weakly ionized state in PMAA is in a compact conformation stabilized in addition to H-bonds by hydrophobic interactions of α-methyl groups. As a result, the IMM of PMAA chains is significantly retarded compared to, for example, the IMM of polyacrylic acid under the same conditions. When PMAA is ionized, the mobility of the chain sections increases with increasing α due to the destruction of the compact structure by electrostatic repulsion. In this case, the ionization of COO groups is more difficult in IPC, due to the formation of more stable H-bonds with PAOZ macromolecules. However, if we compare the PAOZ/PMAA/their IPCs with the “classical” poly-N-vinylpyrrolidone/PMAA IPCs, their strength is noticeably weaker, and they are stable in a relatively narrow pH interval, indicating a significant difference in the structural organization of the IPCs.

The luminescence of aqueous solutions of curcumin in the presence of calix-8-arene with rays (poly-2-ethyl-2-oxazoline) and aqueous solutions of curcumin in the presence of its complex with polymethacrylic acid demonstrate the promising use of IPC as nanocontainers for the delivery of difficultly soluble substances.