CC BY
115
УДК615.4
Мочалова М.С., Сидорок О.В., Прокофьев Е.В., Ловская Д.Д., Меньшутина Н.В.
ПОЛУЧЕНИЕ БИОПОЛИМЕРНЫХ АЭРОГЕЛЕЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ФАРМАЦЕВТИКЕ И МЕДИЦИНЕ
Мочалова Мария Сергеевна студентка 2 курса кафедры кибернетики химико-технологических процессов, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Сидорок Олеся Витальевна студентка 2 курса кафедры кибернетики химико-технологических процессов, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Прокофьев Евгений Васильевич студент 2 курса кафедры кибернетики химико-технологических процессов, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Ловская Дарья Дмитриевна аспирантка кафедры кибернетики химико-технологических процессов, факультета ИТУ, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, МосквахтаП: daria. [email protected] Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н.,профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов, факультета ИТУ, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Исследован процесс получения частиц аэрогеля на основе биополимера. Показано, как влияет концентрация исходных веществ на характеристики получаемых образцов. Проведена серия экспериментов по сорбции дистиллированной воды. Полученные результаты показали перспективность использования частиц аэрогеля на основе биополимера в качестве сорбентов жидкости.
Ключевые слова: сверхкритические флюиды, аэрогель, биополимеры, фармацевтика, медицина
BIOPOLYMER AEROGELS OBTAINMENT FOR PHARMACEUTICS AND MEDICINE
Mochalova M.S., Sidorok O.V., Prokofiev E.V., Lovskaya D.D, Menshutina N.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The process of biopolymer aerogels obtainment was investigated. It is shown how the concentration of the initial substances affects the characteristics of the final samples. A number of experiments on sorption of distilled water was carried out. The obtained results showed the prospects of using biopolymer aerogel particles as sorbents of liquids.
Keywords: supercritical fluid, aerogel, biopolymer, pharmaceutics, medicine.
Аэрогель - это уникальный материал, который имеет широкий спектр применения в различных областях промышленности.Одним из преимуществ аэрогелей является возможность их получения из биоразлагаемых органических веществ, к примеру, биополимеров, таких как альгинат, хитозан, пектин и другие [1]. Структуры данных биополимеров изображены на рисунке 1. Аэрогели на основе биополимеров обладают такими свойствами как высокая пористость (до 98%), низкая плотность (до 0.2 г/см3) и высокая удельная площадь поверхности (до 600 м2/г).Наибольший интерес аэрогели на основе биополимеров представляют для использования в медицине и фармацевтике. Процесс получения аэрогелей на основе биополимеров включает в себя следующие основные стадии: приготовление растворов исходных веществ, получение геля, многоступенчатая замена
растворителя, который находится в порах геля на соответствующий растворитель, который
растворяется в среде сверхкритического флюида [2]. Заключительная стадия получения аэрогелей -сверхкритическая сушка в специальных реакторах высокого давления. Подобные материалы могут быть получены только с использованием сверхкритических технологий, поскольку
сверхкритические флюиды не создают поверхностного натяжения в порах высушиваемого тела и при их удалении пористая структура остается неповрежденной. Особенно актуальными на данный момент являются исследования по получению биополимерных аэрогелей в форме частиц, поскольку производственные линии, которые на данный момент организованны зарубежными компаниями, направлены на получение только монолитов аэрогелей определенных размеров.
ОН
-о
он
о=( он
да^о-
0-"Х1Н]„ Ш. ' ш, ш, он СООСНз
а б в
Рис. 1. Химическая структура биополимеров на основе которых, могут быть получены аэрогели:
а - альгинат, б - хитозан, в - пектин
Для многих потенциальных областей применения, требуются формы, отличные от монолитов, поэтому особый интерес представляют исследования процессов получения частицы аэрогелей (микрочастицы, гранул) определенного размера [3].Создание частицбиополимерных аэрогелей с заданными свойствами является сложной задачей, поскольку не установлены точные зависимости процесса получения таких аэрогелей. Поэтому целью данной работы являлось исследование процессов получения частиц аэрогелей на основе биополимера и оценка возможности их применения в медицине и фармацевтике.
Экспериментальная часть
Для исследования процесса получения частиц аэрогелей на основе биополимеров был выбран аминосахар, а именно катионный полисахарид, который представляет собой производное хитина. Данный биополимер содержит протонированные аминогруппы, что позволяет провести процесс его гелеобразования с помощью ионных сшивающих агентов (анионов или полианионов) за счет электростатических взаимодействий. Процесс получения частиц аэрогеля на основе выбранного аминосахара включает в себя следующие стадии: приготовление исходного раствора аминосахара; приготовление раствора гидроксида натрия, который является сшивающим агентом; получение частиц геля; пошаговая замена растворителя (изопропиловый спирт);
сверхкритическая сушка. В рамках
экспериментальных исследований варьировалась концентрация исходного раствора аминосахара, которая составила 1% и 2%.
Для приготовления исходного раствора аминосахара его растворяют в 0.5М растворе уксусной кислоты заданного объема в течение 24 часов при комнатной температуре и постоянном перемешивании. Далее готовится 4М раствор щелочи, для чего растворяютнавеску гидроксида натрия в необходимом количестве дистиллированной воды. Для получения частиц геля раствор аминосахара капельно вводят в раствор щелочичерез иглу. Гелеобразование происходит за счет того, что после растворения аминосахара в кислоте амино группа КН2 под действием катионов водорода Н+ переходит в протонированную форму КН3+. После капельного введения раствора аминосахара в щёлочь, протонированная форма снова переходит в КН2 группуза счет чего происходит образование частиц геля. Стадия замены растворителя на изопропиловый спирт проводится пошагово с целью минимизации усадки образовавшихся частиц геля с шагами 30%-60%-90%-100%-100%.
Сверхкритическая сушка частиц геля проводится при температуре 40 °С, давлении от 120 до 140 атм, расходе диоксида углерода 0.2 кг/ч. Время сушки 6 часов.
Результаты аналитических исследований
Аналитические исследования полученных частиц аэрогеля на основе биополимера проводилисьв ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева. Для всех образцов получены снимки сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для оценки внутренней структуры аэрогелей (рисунки 2 и 3) и получены результаты азотной порометрии для определения удельной площади поверхности, объема пор.
^¿ЕР* * У
'и V ' ■ ш
£
V V. х^к Т
^э- Г ■ I
М> ПВИтт жЦОйв ' __
миеге * п»? «17
5Е1 1»У ПОШИЛ!
■ист
«1040 |цт ■
71« 21Лр>»17
Рис. 2 Снимки СЭМ частиц аэрогеля на основе биополимера (концентрация исходного раствора 1%)
»1 1МЛГ НОМШол $$»
мостя
71« »1
ЗЕ1 14кУ Ж»тА1 5ЭЮ ж1.00й 9|П< -
УиСТР ЛН >'11А|>Г»17
Рис. 3 Снимки СЭМ частиц аэрогеля на основе биополимера (концентрация исходного раствора 2%)
Результаты азотной порометриичастиц аэрогеля на основе биополимера (концентрация исходного раствора 1%):
• площадь удельной поверхности (определенная методом BET): 184 м2/г,
• средний диаметр пор (определенный методом BJH): 27 нм.
Результаты азотной порометриичастиц аэрогеля на основе биополимера (концентрация исходного раствора 2%):
• площадь удельной поверхности (определенная методом BET): 292 м2/г,
• средний диаметр пор (определенный методом BJH): 23 нм.
Результаты аналитических исследований показали, что у частиц аэрогеля, полученных при концентрации 2% площадь удельной поверхности больше в 1.59 раз, по сравнению с частицами аэрогеля, полученных при концентрации 1%. Показано, что для частиц, полученных при концентрации 2% средний диаметр пор составил 23 нм, что в 1.17 раз меньше по сравнению с частицами
Полученные результаты показали, что максимальная величина сорбированной воды (10.6 г воды на 1 г частиц аэрогеля) соответствует частицам аэрогеля, полученным при концентрации исходного раствора 1%, что в 1.16 раз больше по сравнению с максимальной величиной сорбированной воды в случае частиц аэрогеля, полученных при концентрации 2%.
Показано, что частицы аэрогеля на основе биополимера обладают высокой сорбционной емкостью и могут быть использованы в качестве медицинских сорбентов. В рамках дальнейших исследований планируется провести исследования для оценки возможности использования частиц
аэрогеля, полученных при концентрации 1%. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при большей концентрации исходного раствора аминосахара, получаются частицы аэрогеля с большей удельной площадью поверхности и меньшим средним диаметром пор.
Исследование сорбционной емкости
Для того, чтобы оценить влияние структурных характеристик аэрогеля на их сорбционные свойства, была проведена серия экспериментальных исследований по сорбции дистиллированной воды. Эксперимент проводится в чашках Петри, в которые помещают 10 предварительно взвешенных частиц аэрогеля. После чего в чашку Петридобавляют 2 мл дистиллированной воды, чашку закрывают крышкой и выдерживают в течение 10 минут. После заданного времени частицы снова взвешивают. Изменения для каждого образца повторяют 3 раза. Результаты приведены в таблице 1.
аэрогеля на основе биополимеров систем доставки лекарственных средств.
Список литературы
1. Меньшутина Н.В., Смирнова И.В., Гуриков П.А. Аэрогели - новые наноструктурированные материалы: получение, свойства и биомедицинское применение - учеб.пособие - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, - 2012.
2. García-González C.A., Alnaief M., Smirnova I. Polysaccharide-based aerogels—Promising biodegradable carriers for drug delivery systems.//Carbohydrate Polymers. - №86. - с.1425-1438. - 2011.
3. K.P. Lee, G.L. Gould, Aerogel Powder Therapeutic Agents, Aspen Aerogels, Inc. - 2001.
Таблица 1. Результаты исследования сорбционной ёмкости
Концентрация исходного раствора при получении частиц аэрогеля Масса частиц до сорбции, г Масса частиц после сорбции, г Разница масс, г Средняя сорбционная емкость, г/г Среднее значение
1% 0.0035 0.0203 0.0168 4.8 7.0
0.0028 0.0326 0.0298 10.6
0.0029 0.0194 0.0165 5.7
2% 0.0062 0.0315 0.0253 4.1 6.2
0.0051 0.0319 0.0268 5.3
0.0030 0.0303 0.0273 9.1
