CC BY
155
Нановолокна из хитозана:
получение,
свойства,
применение
о
X X
5
X
Особая роль в развитии «лечебных нанотехнологий» принадлежит химии и методике получения нановолокон из хитозана.
Сегодня такой проблематикой занимаются только США, Япония, Франция, Россия, а также Чехия и Беларусь. В России данное направление развивают Саратовский государственный университет и ООО «Русмарко». Одной из самых перспективных является технология МАШ8РГОЕК - электроформование нановолокон из растворов полимеров, в частности хитозана, который обладает ранозаживляющим действием, нетоксичен, биосовместим и биодеградируем. Нановолок-на отличаются сверхразвитой поверхностью и пористостью и, учитывая целебные свойства самого хитозана, оказываются весьма эффективными при создании перевязочных средств для лечения обширных ожоговых поверхностей различного генеза, длительно не заживающих ран и трофических язв [1-3].
Лечение ран - одна из главных проблем хирургии. Известные многочисленные оперативные методы достаточно травматичны, а наиболее часто применяемая у больных с обширными ожогами аутодермо-пластика расщепленным кожным лоскутом лимитирована недостатком донорских ресурсов кожи. По данным Республиканского ожогового центра, летальность среди пациентов с глубокими ожогами более 30% поверхности тела составляет 90-95%, в то время как в развитых странах смерть при глубоких ожогах
Рис. 1. Установка NS-LAB 500 S
более 50% поверхности наступает в 40-55% случаев. Это обусловило разработку в Беларуси альтернативных методов закрытия ран с использованием так называемых эквивалентов кожи.
Особенно перспективны полифункциональные «раневые покрытия», которые представляют собой нановолокнистые материалы из хитозана, полученные методом электроформования.
ОАО «Завод горного воска» совместно с Белорусским государственным технологическим университетом в 2012-2013 гг. провело комплекс лабораторных
г д р ^
Рис. 2. Внешний вид конуса Тейлора
18
Полимерные материалы
Валерий Мулярчик,
директор ОАО «Завод горного воска», кандидат физико-математических наук
Виктор
Данишевский,
начальник технического отдела ОАО «Завод горного воска», кандидат технических наук
Владимир Меламед,
доцент Гродненского
государственного
медицинского
университета,
кандидат
медицинских наук
исследовании по получению нановолокон из различных полимеров на специализированной установке Ж-ЬАВ 500 8 (рис. 1). Нам удалось впервые в Беларуси, вслед за ООО «Русмарко», получить нановолокна из хитозана, разработав рецептуру формовочного раствора и оптимизировав параметры электроформования по технологии МАШ8РГОЕК [4-6].
Между электродами создается высокое напряжение (до 60 кВ). Формующий электрод заряжен положительно, а собирающий - отрицательно. На поверхности первого, вышедшей из ванны с раствором полимера, находится тонкий слой. Из него под действием электрического поля формируются положительно заряженные струйки, которые отталкиваются друг от друга, перемещаются, вибрируют. Движение их ускоряется, диаметр уменьшается до наноразмеров. Внешне это выглядит как раскручивание спирали с вершиной конуса в капле раствора (конус Тейлора) на выходе из фильеры или на струне волокнообразующе-го электрода (рис. 2).
Растворитель испаряется из струек, макромолекулы полимера сближаются, наблюдается фазовый переход из жидкого в твердое состояние, образовавшиеся нано-волокна адсорбируются на отрицательно заряженном подкладочном материале (ткани, бумаге и др.).
При получении нановоло-кон из хитозана по технологии МАШ8РГОЕК нами установлены следующие физико-химические и технологические аспекты:
■ наиболее подходящий растворитель для хитозана - смесь уксусной кислоты и воды;
■ в зависимости от молекулярной структуры хитозана (степеней полимеризации и деацети-лирования) может в достаточно широких пределах (от 1,5 до 3,0% масс.) колебаться его концентрация в растворе;
■ процесс растворения хито-зана должен быть оптимизирован (температура, время, скорость перемешивания и др.) и направлен на получение галогенных,
истинных растворов без флуктуа-ций плотности;
■ нужно выбрать наилучшие вязкость, поверхностное натяжение и электропроводность формовочного раствора и поддерживать их постоянными, потому что при их завышении образуются дефекты («бусинки», «капли»);
■ срок хранения прядильных растворов ограничен одними сутками;
■ растворитель должен быть термодинамически совместим
с полимером. В «плохих» (несоответствующих этому условию) растворителях, недостаточно взаимодействующих с сегментами макромолекул, сольватация выражена слабо и макромолекулы без труда образуют плотные клубки небольшого размера, что ведет к уменьшению вязкости формовочного раствора. В «хороших» растворителях молекулы сольватируются на звеньях полимерных непей, препятствуют вворачиванию их в плотные
клубки. Вязкость формовочного раствора увеличивается, потому что макромолекулы имеют более вытянутые конформации и образуют большие рыхлые клубки. При электроформовании полимерные цепи легче вытягиваются электрическим полем из таких рыхлых клубков формовочного раствора с образованием хороших конусов Тейлора. А это в свою очередь обеспечивает устойчивость процесса, равномерность нанесения нановолокон на подкладочный материал;
■ влажность воздуха, подаваемого в формовочную камеру, должна находиться в пределах 30-50%, так как она влияет на электрическое поле камеры и на однородность слоя нановолокон на подкладочном материале. При завышенной влажности воздуха снижается адгезия нановолокон к подкладочному материалу;
■ оптимизация температуры воздуха в камере (40-60 °С) обеспечивает постоянную скорость
Рис. 3. Изменение структуры мембран из хитозановых нановолокон при варьировании параметров их получения
о
X X
5
X
испарения растворителя и одинаковое утончение струек раствора хитозана;
■ расстояние между формующим и собирающим электродами фиксируется (150 или 180 мм);
■ диаметр нановолокон из хитозана регулируется в пределах 70-200 нм.
Структура нановолоконного слоя из хитозана, нанесенного на подкладочный бинтовой материал ОАО «Лента» (Могилев), изучена в Белорусском государственном технологическом университете в центре физико-химических методов исследований под руководством кандидата химических наук В.Н. Лугина на электронном микроскопе JSM-5610 LV Jed (Япония) (рис. 3). Она типична для нетканых материалов: нановолок-на ориентированы хаотично. Принципиальных различий в структуре нановолоконного слоя, сформированного из различных хитозанов в сравнимых условиях, не имеется. Варьируя свойства формовочного раствора полимера и технологические параметры электроформования нановолокон, можно регулировать поверхностную плотность нановолоконной мембраны, диаметр нановолокон, величину их распределения по диаметру.
Таким образом, с помощью технологии NANOSPIDER в Беларуси впервые получены наномем-браны из хитозана, нанесенные на бинтовой материал, - перспективная импортозамещающая продукция медицинского назначения. Их преимущества: плотное прилегание к поверхности раны и ее стерилизация при наложении повязки; достаточная сорбционная способность, предотвращающая скопление раневого экссудата под покрытием; защита от инфицирования извне; возможность контролируемого освобождения лекарственного вещества с поверхности повязки [7]. Кроме того, быстро происходит гемостаз (остановка кровотечения), рана не травмируется при перевязках благодаря антиадгезивным свойствам покрытия, наномембраны
самостоятельно рассасываются по мере заживления, сроки которого сокращаются на 20-30% за счет стимуляции репаративных процессов.
Наномебранам из хитозана характерны совместимость с тканями человека, полная безопасность применения, хорошая воздухопроницаемость и адекватный газо- и парообмен раневой поверхности, антибактериальные свойства без добавления лекарственных средств.
Важное место в разработке медицинских материалов на основе хитозана занимает упрочнение волокон и пленок, а также повышение набухаемости, селективности и биоадгезив-ности. Для этого используются различные подходы, например проводится растворение полимера не уксусной кислотой, как в большинстве технологий при получении хитозановых волокон, а молочной. Это существенно улучшает их указанные свойства и дает возможность избежать нежелательных аллергических реакций.
Уникальные качества медицинских материалов на основе хитозана также позволяют использовать их как гигиенические средства в гинекологии.
Работы по получению, исследованию структуры и свойств нановолокон из хитозана проводятся под руководством члена-корреспондента НАН Беларуси, доктора химических наук, профессора Николая Прокопчука. Перед учеными Белорусского государственного технологического университета, Гродненского государственного медицинского университета и ОАО «Завод горного воска» стоит задача максимально интенсифицировать исследования по дальнейшему совершенствованию технологии получения из хитозана нановолокон заданных размеров и требуемой морфологии; провести in vitro и in vivo (на лабораторных животных) медицинские испытания на токсичность, биосовместимость, бактерицидную и бактеристати-ческую активность, термостой-
кость, износостойкость, тромборе-зистентность, ранозаживляющее действие; организовать опытное производство ожоговых повязок, пластырей и тампонов со слоем нановолокон из хитозана. Это необходимо в связи с тем, что в ближайшее время рынки Беларуси и СНГ начнут заполняться продукцией производства ООО «Русмарко» и компании Е1тагко.
Поставленная задача может быть решена только при государственной финансовой поддержке: без нее белорусские разработки будут исключены из мирового процесса создания передовых медицинских материалов нового поколения.
ООО «БелРосБиоТех» (Брестская область) планирует реализовать инновационный проект по производству отечественного хитозана из хитиновой оболочки личинок мух и дождевых червей, пригодного для электроформования нановолокон, что повысит конкурентоспособность медицинской продукции белорусского производства на основе нановолокон из хитозана.
Литература
1. Дмитриев Ю.А. Технология электроформования волокнистых материалов на основе хитозана: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.17.06. - М., 2011.
2. Agawal S., Wendorff H., Greiner A. Use of elektrospinning technigue for biomedical applications // Polymer. 2008, V. 49. P. 5603-5621.
3. Bhardwaj N., Kundu S. Elektrospinning: A fascinating fiber fabrication technigue // Biotechnologi advances. 2010, V. 28. P. 325-347.
4. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) - М., 1997.
5. Матвеев А.Т., Афанасов И.М. Получение нановолокон методом электроформования. - М., 2010.
6. Dalton P.D., Grafahrend D, Klinkhammer K., Klee D., Moller M. Elektrospinning of polymer melts: Phenomenological observations // Polymer. 2007, V. 48. Р. 6823-6833.
7. Рекламный проспект ООО «Русмарко».
