Биодеградация пленочных полимерных покрытий на основе хитозана Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 541.64:536

БИОДЕГРАДАЦИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИИ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА

© Е. И. Кулиш 1*, В. В. Чернова 1, В. П. Володина 2, С. В. Колесов 2

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450074, ул. Фрунзе, 32.

Тел.: +7 (347) 273 66 08.

2 Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450054, Проспект Октября, 71.

Тел.: +7 (347) 235 60 96.

В статье рассмотрены особенности протекания биодеградации пленочных полимерных покрытий на основе хитозана, полученных из растворов в уксусной кислоте, под действием ферментативного комплекса «Коллагеназа КК».

Ключевые слова: хитозан, полимерные покрытия, биодеградация, фермент.

Одним из важных качеств хитозана (ХТ) является его способность к биодеградации, что исполь-зутся для получения самых различных медицинских материалов - пленок, нитей, покрытий, гелей. Однако быстрая биодеградация под действием ферментов может стать и фактором, ограничивающим применение таких материалов в медицине, сокращая срок их службы. В настоящей работе исследована ферментативная биодеградация пленочных хитозановых покрытий, которые могут быть использованы для защиты открытых ран (ожоговых, хирургических), и способы их модификации для продления срока службы. Для обеспечения пролонгирования действия ХТ имеются, как минимум, два возможных пути. Первый путь - изменение его надмолекулярной структуры, увеличение плотности упаковки с соответствующим уменьшением доступности звеньев ХТ для ферментов. Второй путь - перевод ХТ в водонерастворимую форму.

В качестве объекта исследования использовали ХТ (ТУ 6-09-05-296-76) производства фирмы «Химмед» (Россия), полученный щелочным дез-ацетилированием крабового хитина, со степенью дезацетилирования ~ 75% и Мл = 120000. Также использовали поливиниловый спирт (ПВС) марки 16/1 (ГОСТ 10779-78) с Мл = 25000. В качестве фермента использовали ферментный препарат «Коллагеназа КК», получаемый из гепатопанкреаса крабов промысловых видов, производства ГУП «Иммунопрепарат» (г. Уфа). Пленки ХТ и его смесей с ПВС получали методом полива раствора полимера на поверхность стекла. В качестве растворителя использовали уксусную кислоту (АсОН), концентрацию которой варьировали от 1 до 70% масс. Массовая концентрация полимеров в исходном растворе составляла 2% масс. Толщина пленок во всех экспериментах поддерживалась постоянной, равной 0.1 мм. Пленки высушивали до постоянного веса. Для моделирования процесса биодеградации пленочного образца ХТ на раневой поверхности пленку помещали на подложку, смоченную раствором коллагеназы, и выдерживали при

температуре 35 °С в течение 1.5 часа. Степень биодеградации определяли по данным вискозиметрии в буферном растворе, состоящем из 0.3 М АсОН и

0.2 М ацетата натрия. Перевод ХТ в основную форму осуществлялся путем выдержки сформированной пленки в 0.1 н. растворе №ОН в течение часа с последующей отмывкой в дистиллированной воде. Термомодификацию пленок осуществляли путем прогрева при температуре 120 °С. Набухание пленочных образцов определяли весовым методом.

Принципиальная возможность протекания биодеградации ХТ под влиянием ферментативного комплекса «Коллагеназа КК» была установлена ранее [1]. Кроме констатации самого факта деструкции было обнаружено, что конформационное и надмолекулярное состояние ХТ в пленке и соответственно скорость и степень биодеградации ХТ во многом определяются степенью протонирования его аминогрупп, которая, в свою очередь, зависит от концентрации используемой кислоты. Об изменениях состояния ХТ в растворах АсОН свидетельствуют значения характеристической вязкости ХТ, еще не вступившего в контакт с ферментом (рис. 1, кривая 1).

[ Т) ], дл/г

Рис. 1. Зависимость предельного числа вязкости пленок ХТ, находящихся в солевой (1) и основной (2) форме, не подвергнутых биодеградации, от концентрации уксусной кислоты в исходном растворе.

* автор, ответственный за переписку

Для всех пленок ХТ вид зависимости изменения вязкости от времени выдержки в контакте с ферментным комплексом однотипен (рис. 2). Наиболее значительное падение характеристической вязкости происходит в начальном (15-20 минут) периоде. Дальнейшая ферментативная экспозиция пленочных образцов сказывается на степени падения характеристической вязкости несущественно. Можно также отметить, что и при малом, и при большом времени выдержки пленок в контакте с раствором фермента сохраняется одна и та же тенденция - меньше всего изменятся молекулярная масса полимера в пленке, полученной из 1%-ной кислоты, а больше всего - из 10 и особенно 70%-ной АсОН (табл. 1).

Рис. 2. Зависимость предельного числа вязкости растворов ХТ, полученных из пленочных образцов в солевой форме, сформированных из 1% (1) и 10%-ной (2) уксусной кислоты, от времени контакта с ферментом

Таблица 1

Характеристики пленочных образцов ХТ, полученных из исходных растворов с различным содержанием уксусной кислоты. (Время выдержки в растворе коллагеназы

1 час. Молекулярная масса исходного хитозана 1.26* 105 (с [п]=3.0, дл/г))

А[^] в процессе биодеградации

Концентрация АсОН в исходном растворе, % масс.______________

ЦТ

10 15 20 50 70

для солевых пленок 1.03 1.28 1.33 1.15 1.08 1.12 1.59 для основных пленок 0.51 0.46 0.63 0.51 0.60 0.65 0.72

Пленки ХТ, полученные в солевой форме (ацетат ХТ), обладают хорошей растворимостью в воде и высокой влагопоглощающей способностью (рис. 3). Высокая влагопоглощающая способность ХТ - это его несомненное достоинство, однако хорошая растворимость таких пленок способствует ускоренному механическому разрушению полимерной пленки на раневой поверхности.

Выдержка хитозановых пленок в течение часа в 0.1 н растворе КаОН сопровождается переходом ХТ из солевой формы в основную [2]. Переход в основную форму приводит к значительному увели-

чению плотности упаковки макромолекул ХТ с соответственным уменьшением степени доступности хитозановых звеньев для взаимодействия с ферментом.

2 4 6 время, сутки

Рис.3. Кинетика набухания в парах воды пленочных образцов ХТ, полученных из 1%-ной уксусной кислоты, в солевой форме (1), основной форме (2), прошедших термическую обработку (3) , а также смесей ХТ-ПВС состава 80 : 20 (4) и 50 : 50 (5).

Изменение химической и надмолекулярной структуры ХТ в пленках, переведенных в основную форму, приводят к ряду следствий. Во-первых, переход хитозановых пленок в основную форму сопровождается существенным уменьшением степени набухания пленочных образцов (рис. 3, кривая 2). Во-вторых, происходит нивелирование в значениях характеристической вязкости ХТ (из сравнения кривых 1 и 2, рис. 1). Эта ситуация сильно отличается от той, которая наблюдалась для пленок в солевой форме, когда разброс значений вязкости значителен. В-третьих, общий вид кривой зависимости изменения вязкости от времени контактирования пленки с раствором ферментного комплекса «Коллагеназа КК» (рис. 4) такой же, как и для пленок, полученных в солевой форме, однако степень биодеградации пленочных образцов в существенной мере понижается (табл. 1).

Как и в случае биодеградации солевых пленок, наибольшая степень уменьшения молекулярной массы ХТ наблюдается для основных пленок, полученных из 70%-ной АсОН, но общая степень биодеградации ХТ, полученного в основной форме, намного меньше, чем в солевой.

Значительно меньшая степень ферментативного разложения основных пленок по сравнению с солевыми - их несомненное достоинство, так как это обеспечивает возможность более длительного пребывания пленки на раневой поверхности без разрушения. Однако механические свойства таких пленок невысоки: они жесткие, непрочные и неэластичные. Кроме того, такие пленки обладают невысокой влагопоглощающей способностью, что предполагает их невысокую сорбционную способность

к ранеотделяемой жидкости и делает эти пленки малопригодными для практического использования.

^ 20 40 60 время, мин.

Рис.4. Зависимость предельного числа вязкости растворов ХТ, полученных из пленочных образцов, сформированных из 1%-ной уксусной кислоты в основной (1) и солевой формах (2) и прогретых в течение 1 ч. при температуре 120°С, от времени контакта с ферментом.

Существенного улучшения механических свойств пленочного полимерного покрытия можно добиться путем добавления к хитозану другого водорастворимого полимера - ПВС на стадии формирования пленки. В этом случае получающиеся пленки прочны и эластичны [3, 4]. Отметим, что в выбранных условиях ПВС не биодеградирует. Об этом свидетельствует факт постоянства его относительной и характеристической вязкости в течение длительного времени контакта с ферментом. Однако в том случае, когда в контакт с ферментом вступают образцы хитозан-ПВС, полученные в виде пленок из 1%-ного раствора в АсОН, ферментативное разложение ХТ при всех изученных соотношениях полимеров в смеси происходит в большей степени, чем для индивидуального ХТ (табл. 2)

Таблица 2

Характеристики пленочных образцов ХЗ-ПВС, полученных из растворов в 1%-ной уксусной кислоте. (Время выдержки в растворе коллагеназы 1 час. Молекулярная масса исходного хитозана 1.26^ 105 ([п] = 3,0 дл/г))

Изменение в процес- Содержание ПВС в смеси, % мас.

се деструкции 0 | 20 | 40 | 60 | 80

Д[ л] 1.03 1.32 1.35 1.35 1.40

ДМп-10 -3 36 48 50 50 52

Как отмечается в [5], независимо от концентрации используемой кислоты в исходном растворе, в сформированной пленке ХТ-ПВС имеет место уменьшение числа надмолекулярных образований

и увеличение их размера по сравнению с аддитивными значениями. Данный факт, очевидно, обусловлен имеющим место интерполимерным взаимодействием, т.е. образованием гетероагрегатов хитозан-ПВС, которые, как известно, характеризуются пониженной плотностью упаковки и большими размерами.

Таким образом, введение второго полимера, вероятно, изменяет надмолекулярную структуру исходной пленки, что находит свое отражение в кинетике биодеградации пленочной полимерной композиции. Доступность ХТ для взаимодействия с коллагеназой в таких рыхлоупакованных агрегатах больше, чем в случае гомоагрегатов ХТ-ХТ с высокой плотностью упаковки. Следует, однако, отметить, что пленочные полимерные покрытия ХТ-ПВС, несмотря на свою хорошую растворимость в воде, обладают невысокой сорбирующей способностью, так как индивидуальный ПВС отличается невысокой влагопоглощающей способностью (рис. 3, кривые 4, 5).

Получить нерастворимые в воде пленки, сохраняющие высокую степень набухания, удается путем термической модификации пленок. Как известно [6], прогрев пленок хитозана в течение 3 ч. при температуре порядка 120 °С сопровождается значительной перестройкой химической структуры, что, однако, не сказывается на их способности к набуханию (рис. 3, кривая 3). Поскольку для нерастворимых в воде пленок не удается проанализировать способность к деструкции, для исследования были взяты образцы, прошедшие термообработку в течение 1 ч., при которой пленки еще сохраняют способность к растворению в воде. Тем не менее для них прослеживается четко выраженная тенденция увеличения характеристической вязкости ХТ от времени прогрева образцов (рис. 5, кривая 1). Очевидной причиной нарастания характеристической вязкости служит процесс сшивания ХТ, сопровождающий модификацию. С увеличением времени термомодификации устойчивость пленок к процессу биодеградации увеличивается (рис. 5). Фактически биодеградация таких термомодифицированных образцов протекает до значений вязкостей, близких к тем, которые они имеют и в основных пленках (рис. 4, кривая 3). Однако такие термомодифицированные образцы, в отличие от основных пленок, имеют хорошие механические свойства.

Таким образом, химическая модификация хи-тозановых пленок, осуществляемая либо путем обработки сформированной пленки щелочным раствором, либо термообработкой (сшивкой) пленки, позволяет получить полимерное покрытие с хорошим комплексом физических свойств и повышенной устойчивостью к ферментативному разложению.

20 40 60

время, мин

Рис. 5. Зависимость предельного числа вязкости пленочных образцов ХТ, полученных из раствора в 5%-ной уксусной кислоте, от времени прогрева при температуре 120 °С. 1 - пленки, не подвергнутые контакту с ферментом, 2 — пленки, контактирующие с ферментом 10 мин., 3 — пленки, контактирующие с ферментом 30 мин.

Таким образом, из данной работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Термомодифицированные хитозановые пленки характеризуются отсутствием растворимости в воде, высокой влагопоглощающей способностью, высокой прочностью и эластичностью. С увеличением времени термической обработки увеличивается устойчивость хитозановых пленок к процессу ферментативной биодеградации.

2. Модифицированные пленки, в которых ХТ находится в основной форме, характеризуются плохой, по сравнению с немодифицированными пленками, растворимостью в воде и низкой влагопоглощающей способностью. Данные пленки обладают высокой устойчивостью к процессу ферментативной биодеградации и слабо зависят от предыстории формировании пленки.

3. Смесевые полимерные покрытия хитозан-поливиниловый спирт обладают высокой прочностью и эластичностью, повышенной биодеградирующей способностью и хорошей растворимостью в воде. Влагопоглощающая способность таких пленок несколько уступает влагопоглощению индивидуального хитозана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кулиш Е. И., Володина В. П., Фаткуллина Р. Р., Колесов С. В. // Материалы 8 Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитоза-на». М.: ВНИРО, 2006. С.290.

2. Агеев Е. П., Вихорева Г. А., Матушкина Н. Н., Пчелко О. М., Гальбрайх Л. С. // Высокомолек. соед. 2000. Т. 42 А. №2. С. 333.

3. Мухина В. Р., Пастухова Н. В., Семчиков Ю. Д., Смирнова Л. А., Кирьянов К. В., Жерненков М. Н. // Высокомолек. соед. 2000. Т. 43 А. №10. С. 1797.

4. Николаев А. Ф., Прокопов А. А., Шульгина Э. С., Голенищева С. А., Клубикова Л. Е., Мусихин В. А. // Пласт. массы. 1987. №11. С. 40.

5. Кулиш Е. И., Колесов С. В. // ЖПХ. 2005. №9. С. 1511.

6. Зоткин М. А., Вихорева Г. А., Кечекьян А. С. // Высокомолек. соед. 2004. Т.46 Б. №2. С.359.

Поступила в редакцию 21.04.2007 г. После доработки - 01.02.2008 г.