Od lat 90 ubiegłego wieku termoczułe polimery są przedmiotem coraz większego zainteresowania, głównie ze względu na możliwość ich zastosowania w medycynie jako nośników do kontrolowanego uwalniania substancji biologicznie czynnych. Do najczęściej badanych termoczułych polimerów należą hydrożele usieciowane głównie N,N’-metylenobisakryloamidem. Wykorzystanie wrażliwości na temperaturę w procesach sorpcji jonów metali jest stosunkowo nowym zagadnieniem w chemii polimerów. Jak to przedstawiono w przeglądzie literatury, zaledwie kilka prac tyczy termoczułych usieciowanych jonitów, przy czym jonity z grupami fosforanowymi zostały opisane w zaledwie dwóch publikacjach. Tymczasem właśnie reszty kwasów fosforowego i fosfonowego (–OP(O)(OH)2 i –PO(OH)2) wydają się mieć, jako kwasy wielozasadowe, posiadające dodatkowo zdolność koordynowania wielu jonów za pomocą tlenu fosforylowego, najkorzystniejsze właściwości do wykorzystania w polimerach skokowo zmieniających objętość ze zmianą temperatury. Te właściwości to zachowywanie zdolności do wymiany jonowej w roztworach o umiarkowanej kwasowości i duża selektywność w stosunku do jonów wielowartościowych, w tym lantanowców i aktynowców. Grupa fosforanowa, jak już wspomniano powyżej, może tworzyć silniejsze kompleksy w roztworach kwasowych niż grupy karboksylowe. Wynika to z obecności trzeciego donorowego atomu tlenu oraz z polarnej natury wiązania P=O, dzięki któremu możliwa jest koordynacja metalu.
Istotną cechą termoczułego jonitu jest zmniejszona, na skutek oddziaływań hydrofobowych, chłonność wody i objętość polimeru w temperaturze powyżej VPTT. Pozwala to na jednoczesne oddziaływanie (wymianę jonową i/lub koordynację) pomiędzy sąsiednimi grupami fosforanowymi a wielowartościowymi jonami, znajdującymi się w roztworze zewnętrznym. Poniżej tej temperatury oddziaływania hydrofobowe są słabsze i umożliwiają znaczne pęcznienie materiału w roztworach wodnych. Pęcznienie to powoduje oddalenie się grup jonowymiennych/koordynujących od siebie i uniemożliwienie, ze względów sterycznych, wymiany jonowej i tworzenia kompleksów z jonami wielowartościowymi.
Immobilizacja enzymów w termoczułych żelach powoduje, że zmiany konformacji polimeru wywołane zmianami temperatury otoczenia mogą mieć wpływ na aktywność enzymu oraz na dostępność enzymu dla substratu. W przypadku nośników do immobilizacji enzymów istotne są zmiany objętości porów otrzymanych polimerów spowodowane zmianą temperatury. Przewiduje się, że proces ten może mieć wpływ na specyficzność substratową preparatu, tzn. w temperaturze powyżej VPTT, gdy nośnik jest skurczony i pory są małe, preferowany będzie substrat małocząsteczkowy, substrat wielkocząsteczkowy może mieć trudności w dotarciu do centrum aktywnego enzymu immobilizowanego na nośniku. W temperaturze poniżej VPTT, nośnik jest rozkurczony i pory są duże, centrum aktywne enzymu będzie zatem dostępne dla substratu wielkocząsteczkowego. W literaturze opisano enzymy szczepione bezpośrednio na termoczułych żelach lub poprzez ligandy podwodujące oddalenie cząsteczki białka od termoczułej powierzchni, a także immobilizowane w trakcie procesu polimeryzacji. Nie znaleziono publikacji tyczących bezpośredniego wykorzystania termoczułych właściwości nośników w procesie immobilizacji białka.
Celem pracy doktorskiej było otrzymanie termoczułych polimerów zawierających grupy funkcyjne i zastosowanie ich jako jonitów chelatujących do sorpcji metali oraz jako nośników do immobilizacji enzymów.
Opracowano metodę syntezy termoczułych kopolimerów usieciowanych z funkcjonalnych monomerów w dwufazowym układzie reakcyjnym, otrzymując produkty w formie perełek.
Określono właściwości sorpcyjne otrzymanych termoczułych jonitów w stosunku do jonów metali o różnej wartościowości – europu(III), miedzi(II) i potasu(I). Zbadano wpływ temperatury, pH, rodzaju i ilości środka sieciującego na sorpcję wybranych jonów metali. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że termodynamicznie faworyzowana jest sorpcja jonów metali o wartościowości większej niż 2. Ponadto więcej trójwartościowych jonów europu sorbowało się w temperaturze powyżej VPTT jonitów. Przeprowadzono również próby rozdziału lantanowców. Mieszaninę ceru(III), europu(III), terbu(III), tulu(III), kobaltu(II), baru(II) i cezu(I) sorbowano na termoczułym jonicie metodą ciągłą w zakresie temperatur 10-70ºC. Uzyskane wyniki sugerują, że możliwy jest
rozdział mieszaniny wyżej wymienionych pierwiastków na termoczułym jonicie z grupami fosforanowymi sterowany zmianami temperatury.
W ramach niniejszej pracy doktorskiej opracowano również nową metodę immobilizacji enzymów wykorzystującą bezpośrednio wrażliwość polimeru na temperaturę i polegającą na zaadsorbowaniu cząsteczek enzymu na powierzchni nośnika, a następnie uwięzieniu ich wewnątrz sieci polimerowej. Siłą napędową są zmiany charakteru powierzchni usieciowanego nośnika z hydrofobowej na hydrofilową (podczas obniżania temperatury), co w konsekwencji prowadzi do gwałtownego zwiększenia objętości nośnika i „zassania” do wewnątrz zaadsorbowanych na powierzchni cząsteczek białka. Metodą tą immobilizowano glukoamylazę, inwertazę, trypsynę i lakkazę, przy czym najlepsze rezultaty uzyskano podczas immobilizacji trypsyny. Lakkaza immobilizowana na termoczułych nośnikach traci właściwości katalityczne. Aktywność preparatów z immobilizowaną glukoamylazą i trypsyną zbadano w obecności wielko- i małocząsteczkowego substratu. Preparaty usieciowane aldehydem glutarowym o stężeniu większym od 1,0% wykazywały większą aktywność w obecności małocząsteczkowych substratów, które ze względów sterycznych miały ułatwiony dostęp do centrum aktywnego enzymu.
Na podstawie zaprezentowanych wyników badań nad syntezą i wybranymi właściowościami termoczułych polimerów usieciowanych można wysunąć następujące wnioski:
1. Możliwe jest otrzymanie termoczułych usieciowanych polimerów będących kopolimerami N-izopropyloakryloamidu z monomerami funkcjonalnymi metodą polimeryzacji suspensyjnej.
2. Jonity z grupami fosforanowymi wykazują największe powinowactwo do trójwartościowych jonów europu, przy czym wielkość sorpcji zależy od temperatury procesu i rodzaju środka sieciującego.
3. Sorpcja Cu(II) i K(I) nie zależy ani od temperatury, ani od rodzaju użytego środka sieciującego, w związku z tym na jonitach termoczułych możliwy jest rozdział metali o wartościowości większej niż 2.
4. Immobilizacja enzymów metodą „ssania” sprawdza się w przypadku trypsyny, dla której uzyskano najlepszą wydajność. Termoczułe nośniki nie powinny być stosowane do immobilizacji enzymów o większych niż trypsyna masach cząsteczkowych.
5. Największą wydajność kowalencyjnej immobilizacji na termoczułych nośnikach uzyskano dla trypysyny. Najlepszym nośnikiem okazał się termoczuły kopolimer NIPAAm i HEMA usieciowany EGDMA.
6. Aktywność glukoamylazy i trypsyny immobilizowanych metodą „ssania” i kowalencyjnie na termoczułych nośnikach zależy od wielkości substratu, jest to potencjalna możliwość sterowania aktywnością tych preparatów za pomocą temperatury.