CC BY
26
УДК 544.774.2
Демкин К.М., Комарова Д.С., Мочалова М.С., Ловская Д.Д.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЧАСТИЦ ХИТОЗАНОВЫХ АЭРОГЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
Демкин Кирилл Максимович - бакалавр 3-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; kirakss@yandex.ru.
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.
«Международный учебно-научный центр трансфера фармацевтических и биотехнологий», 123514, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
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 структуры и свойств частиц аэрогеля на основе хитозана. Проведен анализ объема и среднего диаметра пор аэрогелей, удельной поверхности, сорбционной емкости частиц. Было выдвинуто предположение, что уменьшение сорбционной емкости частиц, размера и объема пор при повышении концентрации хитозана связано с утолщением стенок каркаса аэрогеля. На основе полученных данных был сделан вывод об эффективном использовании частиц с более низкой концентрацией хитозана, так как они имеют более высокую удельную поверхность и большую сорбционную емкость, что является важным фактором при использовании частиц аэрогеля хитозана в качестве гемостатического средства. Ключевые слова: аэрогель, сверхкритическая сушка, хитозан, гемостатические средства, сорбционная емкость.
STUDY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF CHITOSAN AEROGEL PARTICLES FOR APPLICATION IN MEDICINE
Demkin K.M.1, Komarova D.S.1, Mochalova M.S. 1, Lovskaya D.D. 1 1 Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this work, we studied the structure and properties of aerogel particles based on chitosan. The analysis of the volume and average pore diameter of aerogels, specific surface area, and sorption capacity of particles has been carried out. It was suggested that the decrease in the sorption capacity of particles, the size and volume of pores with an increase in the concentration of chitosan is associated with the thickening of the walls of the aerogel framework. Based on the data obtained, it was concluded that particles with a lower concentration of chitosan are efficiently used, since they have a higher specific surface area and a greater sorption capacity, which is an important factor when using chitosan aerogel particles as a hemostatic agent.
Key words: aerogel, supercritical drying, chitosan, hemostatic agents, sorption capacity.
Введение
В результате стремительного развития медицинской промышленности перед учеными возникает потребность поиска новых материалов, которые можно эффективно применять в медицине. В качестве таких инновационных материалов можно использовать аэрогели, которые обладают высокой удельной поверхностью, пористостью и низкой плотностью [1]. Одним из перспективных материалов для получения аэрогелей является хитозан -производное природного полисахарида хитина, получаемое из него промышленным способом. Хитозан за счет своей органической природы обладает высокой биологической активностью и совместимостью с тканями человека, животных и растений, а также не загрязняет окружающую среду, поскольку полностью разрушается ферментами микроорганизмов [2]. Помимо вышеперечисленных
достоинств, хитозан обладает регенеративными, гемостатическими, антиоксидантными и
антибактериальными свойствами. Большое количество свободных аминогрупп в молекуле хитозана определяет его свойство приобретать избыточный положительный заряд, что позволяет притягивать компоненты крови, чья поверхность заряжена отрицательно. Данные характеристики делают хитозан крайне перспективным сырьем для медицинской промышленности [3]. Таким образом, совмещая свойства хитозана и структуру аэрогеля в одном материале, мы получаем наиболее подходящее для медицины гемостатическое средство, способное останавливать массивные наружные артериальные и венозные кровотечения [4]. Целью данной работы является всестороннее исследование того, как влияет изменение концентрации хитозана на структуру и свойства аэрогеля. Исследование является
актуальным, т.к. материала освящающего данную тему в научной литературе пока нет в достаточном количестве.
Экспериментальная часть
Аэрогель на основе хитозана получали следующим способом. При постоянном перемешивании готовились растворы с различной концентрацией полисахарида (1.2%, 1.4%, 1.6%, 1.8%) в 0.1М уксусной кислоте, после чего их прокапывали в раствор 1М гидроксида натрия, в котором полученные частицы выдерживали в течение минимум 24 часов для того, чтобы все химические реакции прошли в полном объеме. Для проведения сверхкритической сушки необходимо, чтобы используемый сушильный агент образовывал гомогенную смесь с растворителем, содержащимся внутри высушиваемого геля. С этой целью частицы отмывали до нейтрального pH, а позже ступенчато заменяли растворитель на изопропанол (10%-30%-50%-70%-90%-100%-100%-100%) для
предотвращения деформации структуры полученного геля в процессе сверхкритической сушки. После чего частицы подвергали сверхкритической сушке способом, описанным в статье [5].
Был проведен анализ морфологии поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL 1610LV. На измерителе удельной поверхности ASAP 2020 V3.04H (Micromeritics, USA) с помощью метода БЭТ (метод Брюнера-Эммета-Теллера) была определена площадь удельной поверхности, методом БДХ (метод Баррета-Джойнера-Халенды) для каждого образца был найден средний размер пор и совокупный объем пор с диаметром 1.7нм - 300нм. Также в данной исследовательской работе было произведено измерение сорбционной емкости частиц по следующей методике. Частицы взвешивались, после чего переносились в определенный объем дистиллированной воды, по истечении 10 минут частицы вынимались из воды и ещё раз взвешивались. Сорбционная емкость рассчитывалась как отношение массы поглощенной воды к массе хитозана. Измерение удельной поверхности, среднего диаметра и совокупного объема пор, а также снимки СЭМ проводились в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И.Менделеева.
Снимки внешней поверхности образцов, сделанные с помощью СЭМ представлены на рисунке (рис. 1).
Исходя из полученных снимков можно сказать, что все образцы имеют развитую морфологию поверхности. Структура аэрогеля представляет собой комбинацию глобул и волокон, с преобладанием вторых. При данных концентрациях хитозана структура не претерпевает существенных изменений.
Результаты всех остальных аналитических исследований представлены в таблице (Таблица 1).
А BEI tiW ftDimm 83-6 етЫЕО Hm —< W UCIB HF<ft3H1 Б 0Ы UkV WDilmm E31t. rtfc_Ma tin -""'—" »jcTfl' - не» 4агоьая1
в SP 11HV 1ИГН1И1П ич ——- Г SRI 111 v «1)11mm 531S .l^fiW 1 -1 -
Рис. 1 Снимки поверхности частиц с концентрацией хитозана: А - 1.2%; Б - 1.4%; В - 1.6%; Г - 1.8%
Таблица 1. Результаты аналитических исследований
Схитозана, 0пор, ^пор, 5,
масс% м2/г нм см3/г г/г
1.2 267 24 1.56 8.55
1.4 219 23 1.25 6.62
1.6 223 19 1.13 6.05
1.8 231 19 1.16 5.61
В ходе исследовательской работы была получена зависимость среднего диаметра пор от концентрации
хитозана (рис. 2). 1,8
хитозана-
1-5 1,7 „ масс%
Рис. 2 Зависимость совокупного объема пор диаметра 1.7нм - 300нм от концентрации хитозана
Из графика следует вывод, что при повышении концентрации полисахарида происходит уменьшение размера пор, а также уменьшение совокупного объема пор диаметра 1.7нм - 300нм. Это может быть вызвано тем, что из-за увеличения концентрации хитозана каркас аэрогеля занимает несколько большую часть объема аэрогеля, чем образцы с более низкой концентрацией хитозана. Следствием этого является утолщение стенок пор, уменьшение их совокупного объема и уменьшение радиусов пор, что видно на интегральном распределении пор по их радиусам (рис. 3).
г
120 100
80
р
¡60
40 20 0
—♦—1,2%
/f —m- 1,4% 1,6%
f 1,8%
Т f
/
О
150
50 100
Радиус пор г. нм
Рис. 3 Интегральная кривая распределения объема пор по радиусам
Исходя из данных о поверхности образцов, можно сказать, что все образцы имеют высокую удельную поверхность в интервале от 220м2/г до 270м2/г, максимальное значение которой наблюдается у образца с концентрацией хитозана 1.2%. Результаты измерения сорбционной емкости показывают, что все образцы имеют высокую сорбционную емкость по воде, также можно сделать вывод о том, что сорбционная емкость частиц аэрогеля уменьшается с повышением концентрации хитозана, что коррелирует с данными о совокупном размере пор и удельной поверхности.
Высокая удельная поверхность и большая сорбционная емкость частиц представляют широкую возможность для их эффективного применения в медицине в качестве местных гемостатических средств.
Заключение
В ходе данной работы были получены частицы аэрогеля с различной концентрацией хитозана. Проведены всесторонние аналитические
исследования полученных образцов. На основе
полученных результатов, можно сделать вывод, об эффективном использовании частиц с более низкой концентрацией хитозана, так как они имеют более высокую удельную поверхность и большую сорбционную емкость, что является важным фактором при использовании частиц аэрогеля хитозана в качестве гемостатического средства. Также можно сделать вывод о том, что, варьируя концентрацию хитозана, можно получать аэрогель с преобладанием пор требуемого размера.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, ЕББМ-2020-0003.
Список литературы
1. 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. 9597;
2. Камская В.Е. Хитозан: структура, свойства и использование// Научное обозрение. Биологические науки. -2016. - №6 - С. 36-42;
3. 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;
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. 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. - Т. 12, № 2. - С. 35-48.
