CC BY
280
УДК 541.64:536
ПЛЕНКИ БИОМЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА © Е. И. Кулиш, В. В. Чернова, С. В. Колесов
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, г.Уфа, 450074, ул.Фрунзе, 32.
Тел.: + 7 (347) 273 66 08.
E-mail: onlyalena@mail. ru
Рассмотрено влияние различных факторов: концентрации полимера в растворе, толщины получаемой пленки и способа ее модификации, а также присутствия второго полимера - на способность влагопоглощения пленки на основе природного полимера -хитозана.
Ключевые слова: хитозан, полимерные пленки, модификация, набухание.
Использование пленок на основе природного полимера - хитозана (ХЗ), сочетающего в себе такие свойства, как биосовместимость с живыми тканями, биодеградируемость, биоинертность и бактериостатичность [1], для биомедицинских целей крайне перспективно. Преимущества таких полимерных пленок существенны, например, более высокая степень защиты по сравнению с тканевыми материалами, а также их полная атравматич-ность. Одним из важнейших показателей защитных полимерных пленок является их влагопоглощающая способность, поскольку с этой характеристикой связана и способность полимерного покрытия к сорбции раневого экстудата, и влаго- и газопроницаемость пленки, а также их транспортные свойства в отношении выделения лекарственных препаратов. Целью данного исследования стал поиск оптимальных условий получения хитозановых пленок, пригодных для использования в терапии ожогов и для лечения хирургических ран.
В качестве объекта исследования выбран образец ХТ (ТУ 6-09-05-296-76) производства фирмы Химмед (Россия), полученный щелочным дезаце-тилированием крабового хитина, степень деацети-лирования ~75% с Мп=120000. Хитозановые пленки в солевой форме формировали из растворов в уксусной кислоте. Концентрация полимера в растворе варьировалась от 0.5 до 7.0 г/дл. Концентрация уксусной кислоты варьировалась от 1 до 70% масс. Полное растворение полимера в указанном диапазоне концентраций происходило в течение суток. Пленки сформированы двумя способами: 1) методом полива на стеклянную подложку и 2) наносным способом (в случае использования растворов с концентрацией выше 4 г/дл). Толщину пленок варьировалали от 0.01 до 0.1 мм. Модификацию хитозановых пленок проводили тремя способами: 1) термомодификацией - прогревом хито-зановых пленок в течение 3-х часов при температуре 120°С [2]; 2) обработкой водным раствором ионогенного ПАВ - додецилсульфата натрия (ДСН) с концентрацией 0.5% масс. (выше ККМ) в течение 30 минут [3]; 3) введением на стадии формирования пленки второго полимера - поливинилового спирта (ПВС) в количестве до 50% мас. по отношению к ХЗ. Таким образом, в процессе при-
готовления пленок варьировались 4 параметра: концентрация ХЗ в растворе, концентрация уксусной кислоты в исходном растворе, способ модификации и толщина пленок. Во всех случаях определяемым параметром было влагопоглощение пленок, определяемое весовым методом как степень набухания в парах воды при комнатной температуре. Образцы пленок также испытывались на микробиологическую активность при температуре 37°С в течение 24 часов в отношении микроорганизмов, выделенных из ожоговых ран у сильно пострадавших людей, находившихся на лечении в Республиканском ожоговом центре ГКБ №18 г. Уфы. Основными видами микроорганизмов являлись Staphlococcus aureus, Staphlococcus epidermalis и Pseudomonas aeruginosa.
Кривые набухания хитозановых пленок, полученных в солевой форме, имеют вид типичный для неограниченно набухающих полимеров (рис.1). Как видно из рисунка, варьирование концентрации ХЗ в исходном растворе непринципиально сказывается на влагопоглощающей способности пленок. Имеет место лишь незначительное уменьшение набухания при увеличении содержания ХЗ в исходном растворе.
2 4 6 время, сутки
Рис. 1. Зависимость степени набухания в парах воды пленочных образцов хитозана, полученных из растворов с концентрацией 0.5 (1), 2.0(2), 4.0 (3) и 6.0 г/дл (4) в 1% уксусной кислоте от времени набухания. Толщина пленок 0.1 мм.
24
раздел ХИМИЯ
Т акже несущественно сказывается на процессе набухания хитозановой пленки и концентрация уксусной кислоты в растворе, из которого приготовлялся пленочный образец: увеличение концентрации уксусной кислоты в растворе в 70 раз (с 1 до 70 г/дл) сопровождается увеличением набухающей способности пленок на 30-40% мас.
Существенно в большей степени отражается на свойствах хитозановой пленки проведение модификации. Во-первых, обработка пленки раствором мицеллообразующего анионообменного ПАВ на основе додецилсульфата натрия приводит к формированию нерастворимого в воде ПАВ-поли-электролитного комплекса [3] и модифицированию поверхности, что сопровождается потерей растворимости пленки в воде и соответственным изменением формы кривых набухания: они приобретают вид, характерный для ограниченно набухающих полимеров. Как видно из кривой 2 рисунка 2, пленки сорбируют пары воды только в течение первых двух суток, а дальнейшая выдержка не приводит к сколько-нибудь существенному увеличению степени набухания.
2 4 6 время, сутки
Рис. 2. Зависимость степени набухания пленочных образцов хитозана, полученных из растворов с концентрацией 5.0 г/дл в 1%-ной уксусной кислоте в солевой форме (1), обработанные раствором ДСН (2) и прошедшие термомодификацию (3). Толщина пленок 0.1 мм.
Степень набухания таких пленок в существенной мере меньше, чем пленок, не обработанных раствором ПАВ. Термомодификация пленок также приводит к тому, что пленки перестают растворяться в воде. Тем не менее, влагопоглощающая способность таких пленок остается на уровне исходного ХЗ, полученного в солевой форме. Отметим, как и в случае набухания солевых пленок, большая степень набухания наблюдается у пленочных образцов, полученных из разбавленных растворов. Повышение содержания уксусной кислоты в растворе также сопровождается некоторым, хотя и незначительным, увеличением степени набухания пленок ХЗ.
Однако следует заметить, что пленки, полученные из более концентрированных растворов (с концентрацией порядка 4-7 г/дл), оказываются значительно более эластичными, очевидно, за счет удерживания растворителя. Эластичность получаемых пленок также несколько возрастает при увеличении концентрации используемой уксусной кислоты. В связи с этим именно пленки, полученные из растворов ХЗ с концентрацией 5-7 % масс., полученные наносным способом с содержанием уксусной кислоты в растворе порядка 10% масс., представляются наиболее удобными для практического применения. Но даже такие эластичные пленки, полученные из растворов индивидуального ХЗ, со временем теряют растворитель и становятся заметно более хрупкими.
Для разрешения возникшей проблемы с целью улучшения физико-механических качеств пленки в раствор ХЗ вводился второй водорастворимый полимер - ПВС. Введение ПВС позволяет получить прочные и одновременно эластичные пленки [4]. Пленки такого качества из индивидуального ХЗ получить не удавалось. Однако введение ПВС в хитозановую пленку сопровождается некоторым уменьшением влагопоглощения пленочного покрытия (рис.3), так как индивидуальный ПВС набухает в значительной мере меньше, чем ХЗ.
2 4 6 время, сутки
Рис. 3. Зависимость степени набухания пленочных образцов хитозана (1), ПВС (2) и их смесей состава 80% ХЗ-20% ПВС (3,5) и 50% ХЗ-50% ПВС (4), необработанных (1-4) и обработанных ДСН (5) в парах воды, от времени набухания. Толщина пленок 0.1 мм.
Как и в случае пленок из индивидуального ХЗ, пленки ХЗ-ПВС, обработанные раствором ПАВ, набухают в воде заметно меньше, чем пленки, не прошедшие стадию обработки, а термомодифицированные пленки ХЗ-ПВС, напротив, на уровне исходных пленок.
Заметного повышения эластичности пленки, ее гибкости и способности к изгибу можно добиться, уменьшая толщину исследуемой пленки. Кроме
того, уменьшение толщины хитозановой пленки приводит к довольно значительному увеличению влагопоглощающей способности пленок. Как видно из рис. 4 и 5, данный эффект имеет место как для исходных хитозановых пленок, полученных в солевой форме, так и для пленок, подвергнутых модификации.
■Ш-Шо О/
то ’
образцов хитозана толщиной 0.1 мм (1), 0.08 (2), 0.06 и 0.01 мм (4), в парах воды от времени набухания.
2 4 6 время, сутки
Важно, что все изученные пленки ХЗ, как было выявлено в ходе микробиологических исследований, показали хорошее бактериостатическое действие. Кроме того, находясь на поверхности раны, пленка теряла целостность (начинала фрагментироваться) через 2-3 дня, очевидно, вследствие протекания процесса ферментолиза под действием ферментов, присутствующих на ране. Достаточно быстрая биодеградация пленки вплоть до полного её разложения на заживляемой поверхности исключает необходимость травмирующей процедуры снятия пленки. Все исследованные пленки - полимерные покрытия хорошо зарекомендовали себя при защите донорских ран и лечении поверхностных ожогов 11-111 степени.
Таким образом, в работе сделаны следующие выводы:
1) с практической точки зрения наиболее приемлемым можно считать получение хитозановой пленки из растворов с концентрацией хитозана порядка 5-7 г/дл и уксусной кислоты порядка 10 г/дл.;
2) наиболее действенными факторами, определяющими влагопоглощающую способность хи-тозановых пленок, являются толщина пленки, обработка поверхностно-активным веществом, термическая модификация, а также добавление второго полимера;
3) добавление второго полимера - поливинилового спирта и уменьшение толщины пленки до 0.01 мм позволяет получать прочные и эластичные пленки удовлетворительного физико-механического качества;
4) концентрация хитозана и уксусной кислоты в исходном растворе не играет существенной роли в способности полимерной пленки поглощать воду.
ЛИТЕРАТУРА
1. Muzzarelly R. Chitin. London: Pergamon Press, 1977.- 309 p.
2. Зоткин М. А., Вихорева Г. А., Кечекьян А. С. //Высокомолек.соед. 2004. Б.46. №2. С. 359-363.
3. Кильдеева Н. Р., Бабак В. Г., Вихорева Г. А., Агеев Е. П., Голуб М. А., Гальбрайх Л. С. , Меркович Е. А. //Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41. №6. С. 423.
4. Николаев А. Ф., Прокопов А. А., Шульгина Э. С.
//Пластмассы. 1987. №7. С.40-41.
Рис. 5. Зависимость степени набухания пленочных образцов хитозана (1,2), смесей ХЗ-ПВС состава 80 % ХЗ-20 % ПВС (3) и 50 % ХЗ-50 % ПВС (4), необработанных (1-4) и обработанных ДСН (5), и прошедших термомодификацию (2) парах воды от времени набухания. Толщина пленок 0.01 мм.
Поступила в редакцию 21.04.2007 г.
