CC BY
19
УДК 544.774.2
Комарова Д.С., Мочалова М.С., Ловская Д.Д.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОПОЛИМЕРНЫХ АЭРОГЕЛЕЙ С РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ХИТОЗАНА
Комарова Дарья Сергеевна - бакалавр 3-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; darya.komarowa2000@yandex.ru.
Мочалова Мария Сергеевна - магистрант 2-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; mochalova mariya sergeevna@muctr.ru.
Ловская Дарья Дмитриевна - к. т. н., старший научный сотрудник международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий.
«Международный учебно-научный центр трансфера фармацевтических и биотехнологий», 123514, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе были проведены исследования процесса получения частиц аэрогеля на основе хитозана. Проведен анализ плотности и пористости частиц аэрогелей. Был сделан вывод о предпочтительности использования частиц аэрогеля с меньшей концентрацией хитозана. Данные частицы обладают большей пористостью, что является важным критерием для использования частиц как гемостатического средства. Ключевые слова: аэрогель, хитозан, гемостатические средства, сверхкритическая сушка.
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF OBTAINING BIOPOLYMER AEROGELS WITH DIFFERENT CONCENTRATIONS OF CHITOSAN
Komarova D.S.1, Mochalova M.S. 1, Lovskaya D.D. 1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this work, research was carried out on the process of obtaining aerogel particles based on chitosan. The analysis of the density and porosity of aerogel particles has been carried out. It was concluded that it is preferable to use aerogel particles with a lower concentration of chitosan. These particles have greater porosity, which is an important criterion for the use of particles as a hemostatic agent. Key words: aerogel, chitosan, hemostatic agents, supercritical drying.
Введение
В настоящее время значительно возрос интерес медицинской промышленности к биополимерам, получаемым из возобновляемых источников сырья природного происхождения. Хитин представляет собой аминополисахарид, по химической структуре близкий к целлюлозе, является нерастворимым в воде полимером. Хитозан - продукт деацетилирования хитина. Низкомолекулярный хитозан растворяется в разбавленных кислотах, проявляет антибактериальные, антиоксидантные, регенеративные, гемостатические свойства, совместим с тканями человека [1, 2]. Аэрогель представляет собой материал, полученный путем извлечения жидкой фазы геля с помощью сверхкритической сушки (СКС), иными словами, сушки при таких температуре и давлении, которые превышают критические для данной жидкой фазы. Характерными чертами аэрогеля являются низкая плотность, высокая удельная поверхность и большая пористость [3]. Совмещение свойств биополимера хитозана и структуры аэрогеля позволяет получить материал со свойствами присущими и полимеру, и структуре. Т.е. аэрогель на основе хитозана совместим с тканями животных и человека, обладает регенеративными, антибактериальными,
антиоксидантными и гемостатическими свойствами, а также характеризуется большой пористостью. Учитывая данные характеристики, можно говорить о использовании аэрогеля на основе хитозана в качестве гемостатического препарата. Т.к. хитозан
является нетоксичным коагулянтом, способствует регенерации поврежденных тканей, проявляет антибактериальные свойства, а высокая пористость структуры аэрогеля позволяет впитать массу крови, значительно превышающую массу аэрогеля. Полученные частицы способны останавливать массивные наружные венозные и артериальные кровотечения, что говорит о их перспективном использовании в медицине [4]. Целью данной работы было определение влияния концентрации хитозана в частицах аэрогеля на их плотность и пористость.
Экспериментальная часть
Получение аэрогеля из биополимера можно разбить на несколько стадий: растворение полимера, гелеобразование, замена растворителя и извлечение жидкой фазы из геля [5]. СКС осуществляется в аппаратах высокого давления. Сам процесс сушки представляет собой вытеснение флюидом растворителя из каркаса аэрогеля в сверхкритических условиях. Данный процесс осуществим, т.к. в сверхкритических условиях флюид обладает текучестью сравнимой с текучестью газов, а плотностью сравнимой с плотностью жидкости. Таким образом флюид заменяет собой растворитель в геле. По окончании СКС и возвращении материала в нормальные условия, флюид приобретает свои первоначальные свойства газа. Таким образом получается аэрогель, где присутствуют только твердая и газообразная фазы.
Частицы аэрогеля на основе хитозана получали следующим способом. Хитозан растворяли в 0.1М уксусной кислоте. Растворы хитозана с различными концентрациями (1.2%, 1.4%, 1.6%, 1.8%) готовились при постоянном перемешивании. Растворенный хитозан прокапывали в 1М щелочь (КаОН) и оставляли на 24 часа для полноты проведения реакции. После отстаивания полученных частиц в КаОН следует их отмывка. Для отмывки частицы многократно выдерживают в дистиллированной воде. Чтобы довести рН раствора частиц до 7 необходимо заменить воду 5-7 раз. Далее следует стадия пошаговой замены растворителя на изопропиловый спирт (ИПС) и упаковки частиц в конверт для СКС. Выбор ИПС обусловлен требованием к используемому сушильному агенту для проведения сверхкритической сушки -образование гомогенной смеси агента с растворителем, который содержится внутри высушиваемого геля. Во избежание деформации структуры частиц необходимо, чтобы растворитель постепенно вытеснял воду из пор частиц, для этого используется ступенчатая замена растворителя на ИПС (10%-30%-50%-70%-90%-100%-100%-100%), также необходимо, чтобы каждая следующая замена проводилась не менее чем через 2 часа. Заключительным шагом являлась сушка, её подробное описание содержится в данной статье [6].
В данной работе были проведены исследования плотности частиц, истинной плотности и оценка пористости полученных аэрогелей. Пористость является одной из ключевых характеристик частиц
для использования в качестве гемостатического препарата. Измерение плотностей частиц с различным содержанием хитозана проводилось следующим методом. Для этого бралась навеска, изначально содержащая в себе 20 частиц, и взвешивалась. Далее измерялись диаметры частиц, входящих в навеску, и с помощью этих данных вычислялись плотности частиц по формуле (1):
п _ ^^чатгми
■ - __ .у.,-.....,. : (1)
где, рчастицы - плотность частицы, кг/м3; шчастиц -масса частиц, кг; dчастицы - диаметр частицы, м. Измерение истинной плотности проводилось пикнометрическим методом в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева на гелиевом пикнометре "АссиРус II 1340" (Micшmeritics).
Используя данные о плотностях частиц и истинных плотностях была вычислена пористость по следующей формуле (2):
п = Л-ЬыЛ. юо%(2)
Рнсгннная'
где, ристинная - истинная плотность частицы, кг/м3.
Результаты аналитических исследований сведены в таблицу (Таблица 1).
Таблица 1. Результаты аналитических исследований
Cхитозана, масс% pчастицы, КГ/м3 pистинная, кг/м3 П, %
1.20 37.95 2045.70 98.14
1.40 42.73 2239.50 98.09
1.60 48.38 1727.60 97.20
1.80 66.44 1600.00 95.85
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что все образцы обладают высокой истинной плотностью и пористостью.
Плотность частиц аэрогеля на основе хитозана находится в интервале от 37 до 67 кг/м3. Стоит отметить, что наибольшей плотностью обладал образец с концентрацией хитозана 1.8М. Был получен график зависимости плотности частиц от концентрации (рис. 1). Анализируя полученные данные, можно сделать вывод об уменьшении плотности частиц с ростом концентрации хитозана.
В ходе исследовательской работы также был получен график зависимости пористости от концентрации хитозана (рис. 2).
70 65 60 "1 55 и ¡50 1 45 о. 40 35 30 0,
•
•
•
•
,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 с хитозана- МЭСС%
Рис. 1 Зависимость плотности частицы от концентрации хитозана
98,5
• «
98 97,5
£ „ 97
С
96,5 96 95,5
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9
Рис. 2 Зависимость пористости от концентрации хитозана
При рассмотрении графика можно сделать вывод, что повышение концентрации хитозана сопровождается процентным уменьшением пористости. Это может быть вызвано тем, что из-за увеличения концентрации полисахарида каркас аэрогеля занимает большую часть объема аэрогеля, чем образцы с более низкой концентрацией хитозана. Следствием этого является утолщение стенок пор, что напрямую влияет на пористость. Данный показатель коррелирует с полученной плотностью частиц. т.к. рост плотности частицы при увеличении концентрации хитозана вероятнее всего связан с утолщением стенок в структуре аэрогеля.
Учитывая высокие показатели пористости частиц аэрогеля на основе хитозана, можно сделать вывод, что использование данных частиц в качестве гемостатического средства является перспективным. Для повышения эффективности аэрогеля, как гемостатического средства, рекомендуется использовать малые концентрации хитозана.
Заключение
В ходе данной работы были получены частицы аэрогеля с различной концентрацией хитозана. Проведены аналитические исследования плотности, истинной плотности частиц и пористости изготовленных аэрогелей. На основе полученных данных, можно сделать вывод о перспективном использовании частиц аэрогеля в данной отрасли. Высокая пористость определяет возможность
впитывания крови массой намного превышающую массу самого аэрогеля. Также можно сделать предположение, что в перспективе, высокая пористость аэрогелей, содержащих в себе лекарственные вещества, будет способствовать быстрой регенерации тканей и оказывать дополнительные медикаментозные воздействия. Наиболее эффективно использовать частицы с более низкой концентрацией хитозана, так как они имеют более высокий процент пористости.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, FSSM-2020-0003.
Список литературы
1. Камская В.Е. Хитозан: структура, свойства и использование// Научное обозрение. Биологические науки. -2016. - №6 - С. 36-42;
2. Гладкова Е.В., Бабушкина И.В., Мамонова И.А., Норкин И.А., Пучиньян Д.М., Щуковский В.В. Особенности репаративной регенерации экспериментальных ран при использовании // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 6-7. -С. 1397-1400;
3. Мочалова М.С., Ловская Д.Д., Меньшутина Н.В. Исследование процесса получения частиц аэрогеля на основе хитозана для применения их в качестве кровоостанавливающих средств. // Успехи в химии и химической технологии. -2020. -№8 - С. 95-97;
4. Денисов А.В., Носов А.М., Телицкий С.Ю., Демченко К.Н., Юдин А.Б., Шперлинг И.А., Миляев А.В., Гребенюк А.Н. Экспериментальная оценка эффективности нового отечественного местного гемостатического средства на основе хитозана // Вестник Российской Военно-медицинской академии. - 2018. - № 3(63). - С. 159-163;
5. Zhao S., Malfait W. J., Guerrero-Alburquerque N., Koebel M. M., Nystrom G. Biopolymer aerogels and foams: Chemistry, properties, and applications // Angewandte Chemie International Edition. - 2018. - V. 57. - P. 7580-7608.
6. Меньшутина Н., Ловская Д., Лебедев А., Лебедев Е. Процессы получения частиц аэрогелей на основе альгината натрия с использованием сверхкритической сушки в аппаратах различного объема // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. - 2017. - T. 12, № 2. - C. 35-48.
1,1 1,3 1,5 1,7
С хитозана- МЭСС%
