Создание более эффективных мицелл для диспергирования красителей и лекарств с помощью чётких структур "ядро-оболочка"

Мицеллы — это сферические молекулярные структуры, обычно формируемые амфифильными молекулами с блочной структурой, содержащими гидрофильные и гидрофобные части. Гидрофобные "хвосты" этих молекул собираются вместе, образуя ядро, а гидрофильные "головы" обращены наружу, создавая защитную оболочку. Эта структура позволяет мицеллам инкапсулировать гидрофобные вещества в своём ядре и диспергировать их в водной среде.

Мицеллы можно создавать с помощью блок-сополимеров, имеющих чёткие гидрофильные и гидрофобные сегменты, или статистических сополимеров со смешанным распределением сегментов. Первые, используемые в фармацевтической промышленности, обеспечивают точный контроль над свойствами мицеллы, но их производство сложнее и дороже. Вторые, применяемые в красильной промышленности, проще и дешевле в производстве.

Исследователи под руководством Масахико Асады и профессора Хидэнори Оцуки из Токийского университета науки (TUS) и корпорации DIC изучали, как сделать мицеллы более эффективными для растворения красителей. В исследовании, представленном на обложке журнала Soft Matter, они сравнили производительность блок-сополимеров и статистических сополимеров, чтобы определить наиболее оптимальную мицеллу для диспергирования красителей.

Учёные синтезировали различные блок-сополимеры (BL01–BL05), используя разные соотношения мономеров: стирола (St), н-бутилметакрилата (BMA) и метакриловой кислоты (MA). Их производительность сравнили со статистическими сополимерами (RD01, RD02, RD03, RD04), созданными из стирола и метакриловой или акриловой кислоты. Сополимеры диспергировали в воде в концентрации 0.5% и изучили структуру мицелл с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS).

Результаты SAXS показали, что мицеллы из блок-сополимеров имеют чёткую сферическую структуру с выраженной границей "ядро-оболочка". Мицеллы из статистических сополимеров обладали более диффузной и непрерывной структурой, напоминающей случайный клубок, без чёткой границы ядра и оболочки. Отсутствие чёткой структуры "ядро-оболочка" снижало способность таких мицелл удерживать гидрофобные красители.

В тестах на критическую концентрацию мицеллообразования (CMC) измеряли концентрацию, при которой формируются мицеллы, по изменению полярности вокруг флуоресцентного зонда пирена. Результаты показали, что мицеллы из блок-сополимеров имели гораздо более низкую полярность, что означало лучшую защиту молекул пирена внутри гидрофобного ядра.

Аналогичные наблюдения были сделаны при измерении степени солюбилизации гидрофобного красителя Orange Oil SS. Было обнаружено, что мицеллы из статистических сополимеров легко впускали краситель. Однако BL01, BL03 и BL05 предотвращали проникновение красителя в ядро, что приводило к более длительному времени достижения насыщения (2 дня против 10 часов для статистических сополимеров).

Мицеллы (BL01, 03, 05) с большим объёмом ядра и большим числом полимерных молекул (высокое число агрегации) могли удерживать или солюбилизировать больше красителя (0.2–2 молекулы красителя на мицеллу), чем меньшие мицеллы (BL02, BL04).

Хотя более крупные мицеллы с чёткой структурой "ядро-оболочка" насыщались красителем дольше, они могли удерживать значительно большее его количество. Мицелла с наивысшей солюбилизацией красителя — BL02. Её оболочка содержала случайную смесь метакриловой кислоты (MA) и бутилметакрилата (BMA), что привело к высокополидисперсной границе раздела между ядром-оболочкой и оболочкой-растворителем. Это позволяло красителю быстро проникать внутрь и высвобождаться.

Профессор Оцука объясняет: «Мицеллы из блок-сополимеров продемонстрировали более высокую способность к солюбилизации красителя, которая коррелировала с объёмом их ядра, чётким контрастом "ядро-оболочка" и низкой скоростью солюбилизации».

Это открытие может привести к созданию более эффективных и экономичных мицелл для чернильной, красильной и фармацевтической промышленности.