CC BY
21
ОРТОГиДИЧШ-ИЯ (ТОМАТОПОГИЯ
Перспективы применения стоматологических материалов на базе хитозана и карбоксиэтилхитозана
С. Е. Жолудев, доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедрой ортопедической стоматологии Уральской государственной медицинской академии Екатеринбург
Т. Д. Мирсаев, кандидат медицинских наук, ассистент кафедры ортопедической стоматологии Уральской государственной медицинской академии Екатеринбург
А. В. Пестов, научный сотрудник Института органического синтеза УрО РАН Екатеринбург
Ю. Г Ятлук, доктор химических наук, зав. лабораторией органического синтеза Института органического синтеза УрО РАН Екатеринбург
Основным материалом для изготовления базисов съемных протезов служат акриловые полимеры. Сам полимер - материал безвредный, однако остаточный мономер, всегда присутствующий в изделии, может оказывать на человека вредное воздействие. Так, метилметакрилат, наиболее часто применяющийся в качестве исходного мономера в зубопро-тезировании, представляет собой весьма опасный токсикант. Предельно допустимые концентрации его составляют: в воде - 0,01 мг/л [2], в водных вытяжках из используемых в медицине пластмасс-0,25 мг/л [3]. Попадая из базисов зубных протезов в полость рта, мономеры могут вызывать аллергические и токсические реакции. Отсюда следует, что поиск эффективных способов обработки стоматологических пластмасс, позволяющих уменьшить миграцию мономеров в полость рта, является весьма актуальным.
Известно, что хитозан взаимодействует с производными акриловой кислоты, образуя 2-заме-щенные 1Ч-этилированные продукты [10]. В работах [9, 11] мы показали, что и сама акриловая кислота, и ее амид взаимодействуют с хитозаном в геле или твердофазно.
Таким образом, представляется целесообразным использование при изготовлении адгезивов для съемных зубных протезов хитозановых композиций, обладающих защитными свойствами по отношению к любым акрилатам.
Кроме того, мы установили, что смеси из прополиса (препарат «Тенториум») и геля глицерата титана (препарат «Тизоль») обладают адгезивными свойствами, сравнимыми по клеящей способности с большинством известных адгезивных средств [5].
Целью настоящей работы явилось исследование защитных (антиакрилатных), адгезивных и биоцидных свойств композиций из хитозана (или карбоксиэтилхитозана) и Тизоля.
Хитозан реагирует с акрилатами по схеме:
4--1 п
СН2=СН-СООН(11^
А
МНСН:СН:СООН(К)
Именно эта реакция и должна обеспечивать связывание вымываемого остаточного мономера, содержащегося в базисах акриловых протезов.
Для получения геля хитозана 0,06 г хлоргидрата хитозана смешивали с 20 г смеси глицерина и воды (массовое соотношение 3 :1). После образования гомогенного раствора 5 М МаОН его рН доводили до 7 Гель карбоксиэтилхитозана получали аналогично.
Для исследования поглощения акрилатов к 0,33 г хитозанового геля (или геля карбоксиэтилхитозана) добавляли 25 мл водного раствора метилак-рилата (или метилметакрилата) с концентрацией 2,5-10"4 М. Смесь перемешивали определенное время, раствор отделяли от осадка и анализировали с помощью УФ-спектроскопии относительно исходного раствора. В случае применения Тизоля препарат использовался в количестве 0,01 г. Число образцов выбирали из соображений стехиометрии.
Первоначально относительное изменение концентрации метилакрилата было определено по методике [1]. Однако выяснилось, что при хранении поглощение раствора метилакрилата самопроизвольно изменяется (вероятно, ввиду частичной полимеризации и гидролиза). Для корректировки этих изменений раствор после поглощения гелем сравнивался с раствором, не содержащим геля, но хранившимся то же время. УФ-спектры свежеприготовленного раствора метилакрилата и того же раствора через 5 часов представлены на рис. 1.
Данные по сорбции гелем хитозана метилметакрилата в описанных условиях приведены на рис. 2.
Для представления данных в виде кинетической зависимости поглощение фиксировали при длине волны 200 нм для исходных и образующихся продуктов (рис. 3).
Таким образом, хитозан поглощает метилакрилат:
сн:он
!'|[ !'|[-!'ПП!'|[
,4-
МНСН2СН2СООСНз
ортопедичесш (томшпош
Отн. ед.
А
Раствор через 5 часов Исходный раствор
Рис. 1. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10_4М)
Отн. ед.
А
— ■— Исходный раствор
— •— Раствор через 1 час —а— Раствор через 2 часа —▼— Раствор через 3 часа
— Раствор через 4 часа
200 220 240 260 280 300 Х,НМ
Рис. 2. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10 4М) после обработки его гелем на основе хитозана
Отн. ед.
2,5 -
Рис.3. УФ-поглощение при X =200 нм раствора метилакрилата после обработки его гелем на основе хитозана
Данные о сорбции метилакрилата Тизолем в аналогичных условиях представлены на рис. 4.
Отн. 2,5-1
— ■— Исходный раствор
— •— Раствор через 2 часа —а- Раствор через 1 час
300 Х,нм
Рис. 4. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10 4М) после обработки его препаратом «Тизоль»
Из них следует, что Тизоль взаимодействует с ме-тилакрилатом (вероятно, путем переэтерификации), но гораздо хуже, чем с хитозаном. Результаты исследования сорбции метилакрилата смесью геля на основе хитозана и Тизоля представлены на рис. 5.
Отн. ед.
2,5 -
■А
•■— Исходный раствор ••— Раствор через 1 час Раствор через 2 часа Раствор через 3 часа
200 220 240 260 280 300 А, нм
Рис. 5. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10 4М) после обработки его смесью геля на основе хитозана и Тизоля
Как видно из приведенных данных, в этом случае взаимодействие сложнее, оно включает оба описанных выше механизма (присоединение и переэтери-фикацию). Суммарное действие компонентов к улучшению поглощения метилакрилата не приводит, более того, ослабляется действие хитозана.
Результаты исследования сорбции метилакрилата гелем карбоксиэтилхитозана - КЭХ (степень карбок-сиэтилирования 0,2) представлены на рис. 6.
Отн. ед.
2,5 п
■■— Исходный раствор ■■— Раствор через 1 час Раствор через 2 часа ■т— Раствор через 3 часа
200 220 240 260 280 300 А, нм
Рис. 6. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10 4М) после обработки его гелем на основе КЭХ (0,2)
Приведенные на рис. 6 данные свидетельствуют, что использование КЭХ так же эффективно, как и использование хитозана.
Поглощение метилакрилата смесью геля на основе КЭХ и Тизоля представлено на рис. 7. В этом случае поглощение эффективнее, чем при использовании смеси Тизоля и хитозана.
Аналогично для последней смеси было исследовано поглощение метилметакрилата (рис. 8).
Как видно из представленных данных, метилметак-рилат поглощается медленней метилакрилата, что вызвано дополнительными пространственными затруднениями возле места атаки. Полученные данные суммированы в табл. 1.
В целом следует заключить, что использование глицериновых гелей хитозана или карбоксиэтилхи-тозана (с низкой степенью карбоксиэтилирования)
2,0
1,5
300 X нм
1,0 -
200
220
240
260
2,0
2,0
1,5
1,0
1,5
0,5
1,0 -
0,5
0,0-
ортопедическая стомашогия
Отн. ед.
— Исходный раствор
— Раствор через 1 час —Раствор через 2 часа —Раствор через 3 часа
Рис. 7. УФ-поглощение водного раствора метилакрилата (с = 2,5-10 4М) после обработки его смесьюТизоля и геля на основе КЭХ (0,2)
Отн. ед.
Раствор метилметакрилата, 2.5-10-4 моль/л Раствор метиметакрилата после обработки смесью Тизоля и геля на основе КЭХ
В работе [8] был предложен метод отрыва диска из базисного пластика от ложа из того же пластика. С помощью этого метода было исследовано большинство современных адгезивов для съемных зубных протезов. Такой метод позволяет сравнивать прочность любых адгезивов, поскольку возможен расчет удельной величины равномерного отрыва склеенных плоских поверхностей в стандартных сравнимых условиях. В настоящей работе мы опирались именно на эту методику.
Полученные данные представлены на рис. 9.
Н/м2 2000 180016001400 -1200 -1000800 600 400 200 0
Хитозан Хитозан+Тизоль КЭХ КЭХ+Тизоль
Рис. 9. Адгезивная прочность различных клеевых композиций при равномерном отрыве
Рис. 8. УФ-поглощение водного раствора метилметакрилата (с = 2,5-104М) через 1 час после обработки его смесьюТизоля и геля на основе КЭХ (0,2)
Таблица 1
УФ-поглощение водного раствора метилакрилата и метилметакрилата (с = 2,5'104М) при Х=200 нм после обработки соответствующими композициями (в % по отношению к исходному раствору)
Срок наблюдения Хитозан Тизоль Хитозан/ Тизоль КЭХ КЭХ/ Тизоль Метилметак-рилат
Через 1 час 20 32 2 4 25 60
Через 2 часа 13 28 5 8 6 -
Через 3 часа 10 - 27 11 5 -
обеспечивает высокую скорость поглощения метил-акрилата и метилметакрилата из водных растворов, что открывает широкие перспективы использования этих гелей в составе адгезивов для съемных зубных протезов, предохраняющих пациентов от токсического действия остаточного количества мономера, выделяющегося из материала протеза.
Далее нами была изучена адгезивная прочность исследуемых композиций. Ранее [5] для оценки клеящей способности нами использовались данные по равномерному отрыву полоски кишки барана от поверхности базисного пластика. Такой метод, несомненно, наиболее близок к реальности, но качество кишок барана весьма различно, что не позволяет применять его как всеобщий и стандартный. Использование непосредственного отрыва съемного зубного протеза от неба пациента [6] тем более не поддается стандартизации, так как размеры челюсти у всех разные, и сложная поверхность съемного протеза не допускает расчета удельной величины усилия отрыва.
Как видно из приведенных данных, хитозан и КЭХ в качестве составляющих композиции обуславливают разную адгезивную прочность, 1152,94 и 1647,06 Н/м2 соответственно. Причиной такой разницы является наличие карбоксильных групп в молекуле КЭХ, которые осуществляют большее взаимодействие с поверхностью благодаря более сильным водородным связям, чем аминогруппы и гидроксильные группы хи-тозана. В подтверждение данных рассуждений следует привести результаты работы [12], в которой показано, что адгезия между гидрогелем хитозан/карбоксиме-тилхитин и кожным покровом свиньи в значительной степени зависит от соотношения между полиионными макромолекулами. Более концентрированные гидрогели показывают большую адгезию, которая достигает значения 4 кПа при 5 % мольном содержании карбоксильных групп в смеси.
Добавление Тизоля к обеим композициям пропорционально уменьшает значение адгезивной прочности, так как функция Тизоля - служить сшивающим агентом гелей полимеров, который реагирует по обменному механизму
хитозан-ОН + Л [ОСН2СН (ОН) СН2ОН]4 ^ Т1[ОСН2СН(ОН)СН2ОН]3 [-О-хитозан] + НОСН2СН (ОН) СН2ОН, в результате чего количество гидроксильных и аминогрупп хитозана или КЭХ уменьшается, что приводит и к уменьшению адгезии. Большее значение адгезивной прочности композиции, содержащей КЭХ, по отношению к композиции, содержащей хитозан, сохраняется.
Таким образом, клеевая композиция на основе КЭХ имеет значительное превосходство в силу того, что данный полимер обладает свойством предохранять
300 Х.нм
200
220
240
260
300 х.нм
200
220
240
260
10
Проблемы стоматологии. 2007. № 3
ортоп-едмчшля стомашогия
от токсического действия остаточного количества мономера, выделяющегося из материала протеза, и характеризуется наибольшей адгезивной прочностью. Добавление Тизоля в качестве сшивающего агента излишне, поскольку химические реакции между Тизолем и КЭХ уменьшают сорбционные и адгезивные характеристики композиции, а по клеящим свойствам полученная композиция по изложенным выше причинам несколько превосходит соответствующую композицию на основе хитозана.
Дополнительным преимуществом карбоксиэтилхи-тозана являются его антимикробные свойства и био-деструктируемость. Так, для ранее обсуждаемых четырех композиций был проведен микробиологический анализ. Данные представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты микробиологического анализа клеевых композиций
Композиция Число колоний Aspergillus lumigatus
Хитозан 17
Хитозан + Тизоль 18
КэХ 2
КэХ + Тизоль 2
Как видно из приведенных данных, все композиции обладают антимикробным действием по отношению к плесеневому грибу Aspergillus fumigatus, но в большей степени это свойство проявляется у КЭХ. Добавление Тизоля действия субстратов не ухудшает.
Из данных работы [10] известно, что при равных условиях биодеградация КЭХ в 42 раза эффективнее биодеградации самого исходного хитозана. Нами также предпринята попытка изучить биодеградиру-емость субстратов распространенным неспецифическим экзоферментом - лизоцимом, который расщепляет 1-4-Р-гликозидные связи между глюкозами-новыми остатками. Полученные данные приведены на рис. 10.
"Л, мПа^с
Рис. 10. Вязкость растворов полимеров с разными степенями замещения при различных сроках ферментативного гидролиза,
рН = 5,3; 36 °с
Как следует из представленного на рис. 10 графика, КЭХ является вполне биодеградируемым полимером, что обуславливает экологическую безопасность его применения, в том числе и для зубного протезирования, поскольку он не будет накапливаться ни в организме,
ни в окружающей среде. Стоит отметить и зависимость биодеградируемости от степени замещения. КЭХ с низкой степенью замещения хуже подвергается гидролизу, чем КЭХ со степенью замещения, равной 1. Объясняется это тем, что количество карбоксильных - гидрофильных групп меньше, следовательно гидратация молекулы меньше, гомогенность среды меньше, ниже скорость реакции ферментативного гидролиза. КЭХ со степенью замещения больше 1 ферментативному гидролизу практически не подвергается, поскольку значительно изменяется строение субстрата, и для фермента уже невозможно произвести гидролиз гликозидной связи. Подобное явление характерно и для карбокси-метилхитозана [7]. Добавление Тизоля к раствору КЭХ со степенью замещения 1 снижает скорость гидролиза, следовательно, Тизоль некоторым образом инактиви-рует фермент, т. е. препятствует биоразложению.
Таким образом, полученные данные однозначно показывают, что КЭХ имеет великолепные перспективы для использованния в ортопедической стоматологии.
Дополнительно следует отметить, что защитные свойства рассмотренных композиций гораздо выше их траскутанных свойств, рассмотренных нами в работе [4].
Список использованной литературы
1. Власова И. В., Кузьмин Г. В., Блинникова А. Д. Спектрофотометри-ческое определение метилметакрилата как способ контроля качества стоматологических изделий II Вестн. Омского ун-та. 1999. Вып. 1. С. 33 - 34.
2. Грушко Я. М. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах: Справ. Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1 982. С. 150.
3. Материаловедение в стоматологии / Под ред. А. И. Рыбакова. М.: Медицина, 1984. С. 25 - 30
4. Мирсаев Т. Д., Жолудев С. Е., Хонина Т. Г., Чупахин О. Н. Исследование проницаемости метилметакрилата через слизистую оболочку в присутствии адгезивного средства на основе Тизоля с прополисом II Урал. стоматолог. журн. 2002. № 2. С. 50 - 52.
5. Мирсаев Т. Д., Жолудев С. Е., Ятлук Ю. Г. Сравнительная оценка адгезивных свойств различных клеев для съемных зубных протезов II Урал. стоматолог. журн. 2002. № 1. С. 40 - 42.
6. Приоритетная справка на заявку на патент «Способ подбора адгезивных средств для фиксации съемного протеза» № 20041 22017 / 023583 от 20.07.2004.
7. Hijerde R. J. M., Varum К. M., Tokura S., Smidsrod O. Chemical composition of O-(carboxymethyl) - chitins in relation to lysozyme degradation rates II Car-bohydr. Polym. 1997. Vol. 34, № 3. Р. 131-139.
8. Koppang R., Berg E., Dahm S. et al. A method for testing denture adhe-sives H J. of Prosthetic Dentistry. 1995. Vol. 73, № 5. P. 486-491.
9. Pestov A. V., Yatluk Y. G., Skorik Y. A. In-Gel Synthesis of N-(2-carboxye-thyl) chitosan II Proc. 7th Asia-Pacific Chitin and Chitosan Symp. Busan, Korea, April 23 - 26, 2006. P. 90 - 91.
10. Sashiwa H., Yamamori N., Ichinose Y. et al. Chemical Modification of Chitosan, 17а, Michael Reaction of Chitosan with Acrylic Acid in Water II Macromol. Bi-osci. 2003. № 3. С. 231-233.
11. Skorik Y. A., Akopova T. A., Vladimirov L. V. et al. Solid state reaction of chitosan with acrylamide II 6th Intern. Conf. of the European Chitin Soc.: Book of Abstr. Poznan (Poland), 31 August - 3 September, 2004. P. 53.
12. Zhao X., Kato K., Fukumoto Y., Nakamae K. Synthesis of bioadhesive hydrogels from chitin derivatives II Int. J. Adhesion and Adhesives. 2001. Vol. 21. P. 227-232.
