CC BY
80
УДК 614.8
Мочалова М.С., Ловская Д.Д., Меньшутина Н.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦ АЭРОГЕЛЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИХ В КАЧЕСТВЕ КРОВООСТАНАВЛИВАЮЩИХ СРЕДСТВ
Мочалова Мария Сергеевна, студентка 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга;
e-mail: mochalovamarie@yandex.ru:
Ловская Дарья Дмитриевна, к.т.н., младший научный сотрудник международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий;
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., руководитель международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий, профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов, профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В данной статье проводится исследование процесса получения частиц аэрогеля на основе хитозана при варьировании исходных параметров. Исследуется влияние варьируемых параметров на характеристики полученных материалов. Рассматривается перспектива применения полученных материалов в качестве кровоостанавливающих средств.
Ключевые слова: аэрогель, хитозан, сверхкритическая сушка, кровоостанавливающие средства.
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF OBTAINING AEROGEL PARTICLES BASED ON CHITOSAN FOR THEIR USE AS HEMOSTATIC AGENTS
Mochalova Maria S., Lovskaya Daria Dmitrievna, Menshutina Natalia Vasilevna
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article investigates the process of obtaining aerogel particles based on chitosan with varying initial parameters. The influence of variable parameters on the characteristics of the obtained materials investigated. The prospect of using the obtained materials as hemostatic agents is considered.
Keywords: aerogel, chitosan, supercritical drying, hemostatic agents.
Введение биоинженерии [1, 2]. Кроме того хитозан в виде геля
В настоящее время фармацевтика и медицина используют в производстве кровоостанавливающих
развиваются стремительными темпами, так как повязок [3]. Хитозановые аэрогели могут быть
перед человечеством стоит множество задач, перспективными системами доставки лекарственных
связанных с этой отраслью. Нарастающий интерес средств, ранозаживляющими препаратами, а также
приобретают аэрогели на основе органических хорошими сорбентами, но для получения
веществ, которые обладают такими свойствами как оптимального продукта, необходимо разработать
высокая площадь удельной поверхности, высокая методику его приготовления, и именно поэтому
сорбционная ёмкость, низкая плотность, а также данная работа актуальна, в рамках исследования
биодеградируемость и биосовместимость. Благодаря новых ранозаживляющих и сорбирующих
своим уникальным свойствам органические аэрогели материалов. В выше приведенных статьях речь идет
способны останавливать массивные артериальные и об аэрогелях применяемых в медицине, однако ни в
венозные кровотечения, а также ускорять одной из них, не проводилось исследование
регенерацию тканей, а при загрузке в них активных хитозановых аэрогелей с варьированием
веществ, они способны действовать в качестве концентраций, как хитозана, так и сшивающего
антисептических препаратов. Одним из наиболее агента,а так же кислотной среды, что подтверждает
соответствующих данным требованиям веществ актуальность настоящей работы.
является хитозан. Хитозан — полисахарид, Экспериментальная часть
производное линейного полисахарида, Методика получения частиц аэрогеля на
макромолекулы состоят из случайно связанных Р-(1- основе хитозана. Выделяют четыре основных
4) D-глюкозаминовых звеньев и N-ацетил-В- стадии получения частиц аэрогеля на основе
глюкозамин. Он обладает избыточным хитозана: приготовление раствора хитозана и
положительным зарядом благодаря большому сшивающего агента (NaOH), формирование геля
количеству аминогрупп, а также полностью хитозана, замена растворителя и сверхкритическая
биодеградируем и биосовместим. Перечисленные сушка (рис. 2). Сверхкритическая сушка
особенности хитозана позволяют находить ему проводилась способом, описанным в работе [4]. большое применение в медицине, биотехнологии,
[хи!Р1лн ^HJCOOHj
•6-10 раз
Жво
ж
О^О о О
Приготовление р-ра хитозана
Готовые частицы аэрогеля на основе хитозана
Гелеобразованне частиц
jtOCVo imcj ^
Отмывка до нейтрального рН
В
8°°
Упаковка в конверт Замена растворителя каждые
2 часа с шагами 10-30-60-90-100-10054
Сьерхь."ри1нчес1^л сушка
Рисунок 2. Схема получения частиц аэрогеля на основе хитозана
В ходе данного процесса были приготовлены образцы различного состава. В таблице 1 представлены концентрации каждого образца.
Аналитические исследования. Определение площади удельной поверхности образца и среднего размера пор полученных аэрогелей проводилось на автоматическом анализаторе удельной поверхности ASAP 2020MP. В качестве газа-адсорбента использовался азот. Площадь удельной поверхности вычислялась при помощи метода БЭТ, также рассчитывалась относительная погрешность. Для вычисления среднего диаметра пор использовался метод БДХ (метод Баррета-Джойнера-Халенды). Снимки сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для исследования морфологии поверхности полученных аэрогелей были получены с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL 1610LV. В ходе данной исследовательской работы также были исследованы насыпная, истинная и плотность частицы аэрогеля на основе хитозана. Методики измерения насыпной плотности и плотности частицы приведены в работе [5]. Истинная плотность была определена
пикнометрическим методом на гелиевом пикнометре "AccuPyc II 1340" (Mюшmeritics). Была рассчитана пористость частиц аэрогеля как отношение истиной плотности образца к плотности частицы. Измерение сорбционной ёмкости частиц аэрогеля на основе хитозана проходило по следующей методике. Измеряется масса частиц до сорбции воды. После взвешивания частицы помещают в заданный объём дистиллированной воды и выдерживают в течение определенного времени. По истечение времени частицы вынимают из воды, взвешивают, для измерения массы частиц после сорбции воды. Сорбционная ёмкость рассчитывалась, как отношение массы воды внутри пор к массе хитозана. Определение истинной плотности, площади удельной поверхности, среднего размера пор, а также снимки СЭМ проводились в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И.Менделеева. Результаты и их обсуждение
Результаты исследования частиц аэрогеля на основе хитозана представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики частиц аэрогеля на основе хитозана
№ С ^-хитозана/ масс% С ^-кислоты/ М ^зОНЬ М С ^-полимера, масс% рнасыпная , (кг/м3) ристинная (кг/м3) рчастицы (кг/м3) П, (%) S ■ЛИ' м /г Dnop, нм Vnop, см3/г б, г/г
1 1 0,1 1 0 24,14 2050,10 55,90 97,27 275 17 1,3 10,70
2 1 0,2 1 0 28,6 1909,30 48,80 97,44 270 19 1,3 7,90
3 2 0,1 1 0 32,56 1893,00 66,53 96,49 166 17 0,7 4,90
4 2 0,2 1 0 30,90 1842,50 86,68 95,30 168 23 0,9 4,43
5 1 0,1 1 0,05 25,67 1880,70 34,69 98,16 151 18 0,1 8,00
6 1 0,2 1 0,05 30,70 2367,90 38,99 98,35 360 19 1,8 7,85
7 2 0,1 1 0,05 33,20 2129,40 67,31 96,84 143 22 0,8 5,32
8 2 0,2 1 0,05 33,71 1741,80 62,76 96,40 526 23 3,2 9,42
9 1 0,1 0,1 0 30,30 1743,00 52,17 97,01 261 20 1,5 12,58
10 1 0,2 0,1 0 17,60 1788,00 53,86 96,99 323 26 2,3 8,64
11 2 0,1 0,1 0 41,33 1676,20 64,91 96,13 347 23 2,3 6,45
12 2 0,2 0,1 0 34,75 2232,00 52,94 97,63 135 26 0,9 8,19
13 1 0,1 0,1 0,05 42,25 1933,30 49,55 97,44 248 26 1,7 9,83
14 1 0,2 0,1 0,05 33,50 3307,20 39,55 98,80 227 23 1,4 5,65
15 2 0,1 0,1 0,05 33,83 1778,00 54,54 96,93 190 27 1,3 6,26
16 2 0,2 0,1 0,05 33,38 2247,70 49,16 97,81 175 26 1,1 7,47
По представленным данным видно, что образцы обладают широким диапазоном плотностей и высокой пористостью, что предоставляет возможность изготавливать материалы с нужной плотностью, при варьировании параметров. Частицы аэрогеля на основе хитозана обладают большой площадью удельной поверхности в диапазоне от 151 до 526 м2/г, а также малым диаметром и объемом пор, что создает перспективу для данного материала в качестве сорбента жидкостей и внедрения в него активных веществ. Частицы аэрогеля на основе хитозана показывают высокую сорбционную ёмкость по воде, что создает перспективы для применения их в медицине в качестве кровоостанавливающих средств. Снимки
внутренней и внешней поверхностей частиц аэрогеля на основе хитозана представлены на рис. 2. По данным снимкам можно сказать, что образцы имеют развитую внутреннюю и внешнюю структуру.
Рисунок 2. Снимки СЭМ внутренней и внешней поверхности образцов: а - внутренняя поверхность; б -внешняя поверхноость. На основании полученных результатов был проведен регрессионный анализ зависимости сорбционной ёмкости образцов от варьируемых параметров процесса получения частиц по методике, описанной в работе [5], и в результате получена зависимость, которая описывается уравнением 1: у = 7,72— 1,17х2 + 1.10Х& + 0,81л"2я"3, (1) где у - сорбционная ёмкость частиц аэрогеля на основе хитозана, г/г;
XI - концентрация уксусной кислоты, М; х2 - концентрация хитозана, масс. %; х3 - концентрация полимера, масс.%.
Адекватность уравнения регрессии оценивалась по критерию Фишера, который был рассчитан по формуле 2:
^ ~ ^Яд/^ЕОСПр' С^)
S
где S^ - дисперсия адекватности,
воспр - дисперсия воспроизводимости. Расчетный критерий Фишера ^=0,48) был
меньше табличного (р095(11,16)=2,46), из чего можно сделать вывод, что полученное уравнение
регрессии адекватно экспериментальным данным. В ходе анализа выявлено, что наиболее значимым параметром является концентрация хитозана (в рамках значений параметров эксперимента, представленных в таблице 1). С увеличением концентрации хитозана сорбционная ёмкость уменьшается и наоборот. Незначимыми параметрами оказались концентрации кислоты, щёлочи и полимера, однако эффекты парного взаимодействия показали, что концентрация кислоты и хитозана, хитозана и полимера вносят свой вклад в уравнение регрессии. Выводы
Получены частицы аэрогеля на основе хитозана, в том числе были варьированы основные параметры процесса. Проведены всесторонние аналитические исследования полученных образцов. Проведен регрессионный анализ с целью выявления факторов, влияющих на величину сорбционной ёмкости частиц аэрогеля. В ходе анализа выявлено, что наибольший вклад вносит концентрация хитозана. С увеличением концентрации хитозана сорбционная ёмкость уменьшается и наоборот. Проведено экспериментальное исследование сорбционной ёмкости, в ходе которой выявлено, что частицы аэрогеля на основе хитозана обладают высокой сорбционной ёмкостью, что представляет широкую возможность для применения их в медицине в качестве кровоостанавливающих средств.
Список литературы
1. Nogueira G. M., Rodas A. C., Weska R. F., Aimoli C. G., Higa O. Z., Maizato M., Leiner A. A., Pitombo R. N., Polakiewicz B., Beppu M. M. Bovine pericardium coated with biopolymeric films as an alternative to prevent calcification: In vitro calcification and cytotoxicity results // Materials Science and Engineering: C. - 2010. - V. 30 (4). - P. 575-582.
2. Sabri F., Cole J. A., Scarbrough M. C., Leventis N. Investigation of crosslinked silica Aerogels for implant applications // Proceedings of the 2011 Biomedical Sciences and Engineering Conference: Image Informatics and Analytics in Biomedicine. - IEEE, 2011. - P. 1-3.
3. Khan M. A., Mujahid M. A review on recent advances in chitosan based composite for hemostatic dressings // International journal of biological macromolecules. - 2018.
4. 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.
5. Мочалова, М.С. Исследование процесса получения частиц хитозана для применения их в качестве медицинских изделий: вып. квалификац. работа бакалавра: 27.06.2019. - РХТУ им. Д.И.Менделеева, Москва, 2019 - 78с.
