CC BY
153
УДК 677.469
Н. Р. Прокопчук, Ж. С. Шашок, К. В. Вишневский, Д. В. Прищепенко, В. Ф. Шкодич
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОВОЛОКОН ИЗ БИОПОЛИМЕРА ХИТОЗАНА
Ключевые слова: хитозан, нановолокно, формовочный раствор, электроформование, сканирующая электронная микроскопия,
нановолоконное покрытие.
В работе представлены результаты по получению нановолоконных покрытий из биополимера хитозана методом электроформования.С применением сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-5610 LV исследованы структуры и равномерность распределения волокон в полученных покрытиях. Выявлены оптимальные концентрации хитозана в формовочном растворе, которые обеспечивают формование нановолокон с меньшим количеством дефектов. Полученные данные используются для разработки технологии получения кровоостанавливающих и ранозаживляющих перевязочных материалов медицинского назначения с целью организации их производства на ОАО «Завод горного воска».
Keywords: chitosan nanofibers, spinning solution, electrospinning, scanning electron microscopy, nanofiber coating.
The paper presents the results of the preparation of the nanofiber coatings from chitosan biopolymer by electro-spinning.Structure and uniformity distribution of the fibers in the resulting coatingsare investigatedby a scanning electron microscope JEOL JSM-5610 LV. The optimum concentration of the chitosan solution in the mold, which provide forming nanofibers with fewer defects, was determinated. The obtaineddataare used for the development of the technology for production of hemostatic and wound-healing dressings for medical purposes in order to organize their production at OJSC "Mineral Wax Plant."
Введение
Особая роль в развитии «лечебных нанотех-нологий» принадлежит химии и технологии нановолокон из хитозана [1-3], поскольку установлена его выраженная противовирусная активность [4-6]. Он обладает высокими сорбционными свойствами - способен к адсорбции небольших полярных молекул, пептидных и белковых лекарственных веществ, таких как факторы роста и также фрагментов ДНК, и может служить средством их доставки через слизистую оболочку носа и гастроэнтерального тракта [7]. Хитозан сочетает в себе химическую, биологическую и радиационную стойкость [8, 9], совместим с различными веществами - антисептиками, антибиотиками, сульфаниламидами, местными анестетиками и др. [10, 11]. Доказано, что хитозан в организме разлагается специфической группой ферментов на нетоксичные мономеры и достаточно быстро выводится [7, 12].
Хитозан - активная субстанция хитина (рис. 1), аморфно-кристаллический биополимер. Высокомолекулярный хитозан легко растворяется в растворах как минеральных, так и органических кислот. Некоторые исследователи считают, что лучшим растворителем являются растворы муравьиной кислоты с концентрацией от 0,2 до 100% [13]. Снижение молекулярной массы позволяет хитозану растворяться при нейтральных значениях рН [14, 15]. Способен сорбировать значительное количество воды - от 2 до 5 молекул на 1 мономерное звено [8, 16].
Натуральный хитозан в природе обнаружен только у маток термитов (в брюшной стенке) и у грибов зигомицетов (перегородках клеток) [17, 18]. Поэтому хитозан производят из хитина, который, напротив, довольно широко распространен и возобновляем. Сосредоточен в панцирях ракообразных (омары, крабы, креветки, раки), а также в насекомых (мухи, пчелы, жуки).
Хитин природный полисахарид (рисунок 1), представляет собой структурный аналог целлюлозы, линейный полимер (1-4)-2-ацетамидо-2-дезокси-р-Б-глюкозы [19]. В природном полимере небольшая часть М-ацетилглюкозных звеньев гидролизована до глюкозаминных. По распространенности в природе вполне конкурирует с целлюлозой, занимая второе место [20]. Хитин не растворим в воде, разбавленных кислотах, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот. При растворении хитин частично деполимеризуется. Он, как неразветвленный полисахарид, образует фибриллярные структуры, для которых характерно линейная конформация макромолекул, закрепленная водородными связями [21].
Рис. 1 - Молекулярная структура хитина
Композиционная неоднородность, присущая хитину, сохраняется и в хитозане. Несмотря на жесткие условия обработки в полученном хитозане имеются остатки белка, которые ухудшают молекулярно-массовое распределение и механические свойства волокон и пленок их хитозана. Поэтому механические свойства в хитозане могут не воспроизводиться. Содержание остаточных ацетильных групп в хитоза-недостигает 30% и характер распределения этих
групп по цепи полимера заметно влияет на некоторые физико-химические свойства волокон. Распределение остаточных ацетильных групп в хитозане может иметь преимущественно блочный характер, а длина блоков зависит от размера и расположения аморфных областей хитина (реакция деацелирования преимущественно протекает именно в аморфных областях, а кристаллические области будут содержать остаточные ацетильные группы) [21].
Полагают, что именно этим блочным строением макромолекул хитозана объясняется неустойчивость разбавленных растворов хитозана во времени, выражающаяся в снижении его вязкости. Это блочное строение способствует компактизации (сегрегации) макромолекул хитозана в растворе за счет образования внутримолекулярных водородных связей, в результате чего вязкость раствора снижается. Это подтверждается тем, что в присутствии акцепторов водородной связи (мочевина, ди-хлоруксусная кислота) вязкость растворов хитозана не меняется длительное время. Отсюда следует: хито-зан не деструктирует в растворах, хотя вязкость его снижается.
Блочное строение хитозана может влиять и на реологическое поведение его умеренно концентрированных растворов. В отличие от регулярных полимеров, на кривых течения растворов хитозана практически нет областей наибольшей и наименьшей ньютоновской вязкости, что не позволяет характеризовать эти растворы по величине динамической вязкости по одной скорости сдвига. Другими словами, для реологического поведения хитозана, характерно псевдопластическое течение его растворов, при котором падение вязкости происходит уже при малых значениях скорости сдвига. Можно предположить, что это обусловлено разрушением различных по устойчивости ассоциатов макромолекул хитозана с ацетильными блоками различной длины. Как и для разбавленных растворов, стабильное поведение растворов хитозана достигается в результате разрушения внутримолекулярных водородных связей, при этом одновременно повышается вязкость системы за счет усиления межцепных контактов в полимере [21, 22].
Экспериментальная часть
В Республике Беларусь на ОАО «Завод горного воска» имеется электроформовочная установка NS LAB 500S производства фирмы «ELMARCO» (Чешская Республика). Данная установка позволяет получать широкий спектр нановолоконных материалов, в том числе и из растворов хитозана. Электроформовочная установка NS LAB 500S работает по методу безкапиллярного формования - образование волокон происходит с поверхности раствора полимера, смачивающего волокнообразующий электрод [23].
По своему аппаратурному оформлению и характеру техпроцесса электроформование волокон относится к сухому безфильерному методу, в котором деформация исходного полимерного раствора, последующий транспорт отверждаемых при испарении растворителя волокон и формирование волок-
нистого слоя осуществляются исключительно электрическими силами и в едином рабочем пространстве [24].
Электрическое напряжение от единиц до ста киловольт (в большинстве случаев - 10-60 кВ [25]) прикладывается к раствору (расплаву) полимера, который при помощи дозатора подается через капилляр или сразу на волокнообразующий электрод. Высокое напряжение индуцирует в растворе полимера одноименные электрические заряды, которые, в результате кулоновского электростатического взаимодействия, приводят к вытягиванию раствора полимера в тонкую струю. В процессе электростатического вытягивания полимерной струи она может претерпевать ряд последовательных расщеплений на более тонкие струи при определенном соотношении значений вязкости, поверхностного натяжения и плотности электрических зарядов (или напряженности электростатического поля) в волокне. Полученные струи отверждаются за счет испарения растворителя или в результате охлаждения, превращаясь в волокна, и под действием электростатических сил дрейфуют к заземленной подложке, имеющей противоположное значение электрического потенциала. Следует отметить, что полярность при электроформовании может быть и обратной, когда капилляр заземлен, а на осадительную подложку подается высокое напряжение [26]. Осадительный электрод (коллектор) должен иметь хорошую электрическую проводимость, но может иметь различную форму: в виде стержня, плоскости или цилиндра, так же он может быть сплошным или в виде сетки, твердым, или жидким, стационарным, или движущимся [27-29].
Несмотря на сложность понимания и исследования физических процессов электроформования этот метод отличается аппаратурной простотой, высокой энергетической эффективностью производства нановолокон, широкой универсальностью к формуемым материалам и гибкостью в управлении параметрами процесса [30].
Целью данного исследования было определение влияния концентрации хитозана в формовочном растворе на структуру образующихся нано-волокон. В качестве растворителя использовалась 70%-ная уксусная кислота. Для приготовления формовочного раствора использовался животный хито-зан производства «БелРосБиоТех» с молекулярной массой 100-200 кДа. Диапазон концентраций хитозана в формовочном растворе составлял 1,0-4,0% масс. и был выбран с учетом имеющихся патентных данных [31-33].
Структура и равномерность полученных нановолоконных покрытий исследовалась на сканирующем электронном микроскопе ШОЬ 18М-5610 ЬУ (Япония).
На рисунке 2 представлены снимки поверхности материала с нановолокном при различных концентрациях формовочного раствора.
г
Рис. 2 - Поверхность материала с нановолокном, полученным из формовочного раствора с концентрацией хитозана: а) 1,0 % масс.; б) 2,0 % масс.; в) 3,0 % масс.; г) 4,0 % мас.
Обсуждение результатов
Анализ поверхности текстильного материала «Спанбонд» с нановолокном показал, что при концентрации хитозана в формовочном растворе 1,0 % масс.на поверхности материала практически не образуется сплошное покрытия из на-новолокон. Получаемые нановолокна имеют малую длину и диаметр и в связи с этим частично рассеиваются в камере электроформования, что может быть обусловлено недостаточной концентрацией хитозана в формовочном растворе. Увеличение содержания биополимера в формовочном растворе до 2,0 % масс. (рис., 2б) приводит к улучшению равномерности и сплошности образования наново-локонного покрытия на поверхности подложки. Однако и при данной концентрации хитозана в уксусной кислоте также не наблюдается образование сплошной структуры покрытия. Формуемые нано-волокна, вероятно обладают недостаточными межмолекулярной сольвотацией для обеспечения равномерного адгезионного взаимодействия с поверхностью текстильного материала. При содержании хитозана в растворителе в количестве 3,0 % масс. (рис. 2в) на поверхности подложки образуется сплошное нановолоконное покрытие, которое, однако, содержит дефекты в виде капель и веретенообразных утолщений на волокнах. Появление данных дефектов, возможно, обусловлено превышением сверх оптимального значения концентрации хитозана в растворителе. Повышение концентрации природного биополимера в растворителе до 4,0 % масс. приводит как к улучшению сплошности и равномерности покрытия, так и к увеличению количества дефектов. Наличие множественных дефектов в виде капель и веретенообразных утолщений в волокнистом слое будет приводить к существенному ухудшению медико-фармацевтических свойств нанопокрытия.
Выводы
Выявлено, что при минимальных концентрациях хитозана (1-2 % масс.) в формовочном растворе не наблюдается образование равномерного сплошного покрытия из нановолокон. В процессе электроформования происходит вытягивание из раствора макромолекул хитозана в наново-локна. В данном случае недостаток природного биополимера определяет низкие межмолекулярные взаимодействия между небольшим количеством образующихся нановолокон, что и приводит к их частичному разрыву и получению неравномерного покрытия с низкой плотностью. Повышение содержания в формовочном растворе природного биополимера до 4,0 % масс. обуславливает увеличение плотности наново-локонного покрытия, но приводит к появлению дефектов нановолокон в виде капель и веретенообразных утолщений на волокнах. Избыток хитозана в формовочном растворе частично препятствует расщеплению образующихся полимерных струй на более тонкие струи под действием электрического напряжения. Нерасщепившиеся струи оседают на подложке в виде дефектов.
Полученные данные используются в настоящее время для разработки технологии получения кровоостанавливающих и ранозаживляющих перевязочных материалов медицинского назначения с целью организации их производства на ОАО «Завод горного воска».
Литература
1 Ю.А. Дмитриев. Автореф. дисс. канд. техн. наук, МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Москва, 2011. 23 с.
2 S. Agawal, H. Wendorff, A. GreinerPolymer, 49. P. 5603-5621 (2008);
3 N. Bhardwaj, S. Kundu Biotechnologi advances, 28. P. 325-347 (2010);
4 С.Н. Чирков Прикладная биохимия и микробиология, 38, 1, С. 5-13 (2002)
5Zakrzewska Anna, Boorsma Andre, Brul Stanley, Hellingwerf Klaas J., KlisFrans M. Eukaryot. Cell, 4, 4, P. 703-715 (2005);
6 S.Santhosh, T. K.Sini, R.Anandan, P. T.Mathew Toxicology, 219, 1-3, P. 53-59 (2006);
7 Л.В. Боброва, И.Н. Большаков, Р.В. Михальков Сибирское медицинское обозрение, 1, С. 21-25,
8 А.М. Дубинская, А.Е. Добротворский Хим.-фарм. Журнал, 5,С. 623-628 (1989);
9G. Kumar ,P. J. Smith, G.F.Payne
BiotechnolBioeng.2, P. 154-165 (1999);
10H. Kas Chemical Abstracts..128. 2, P. 622 (1998);
11 Т.М.Сафронова, С.Н.Максимова, Е.В.Ситникова, О.В.Сахарова 4 Съезд Общества биотехнологов России им. Ю.А.Овчинникова (Пущино, 67 дек., 2006).Материалы. Москва, 2006.С. 228.
12 K. Tomihata, Y. IkadaBiomaterials. 18, 7, P. 567575 (1997);
13 С.А. КривошеевХим.-фарм. Журнал, 37, 6, С. 50-53 (2003);
14 Г.А. Вихорева, С.З. Роговина, О.М. ПчелкоВМС. 43, 6, С. 1079-1084 (2001);
15 A.V. Hyina, V.E.Tikhonov, A.I Albulov, V.P. Varlamov Process Biochemistry,35, 6, P. 563-568 (2000);
16 Lin Xiao-min, Guan Shui, Ge Dan, Liu Tian-qing, Ma Xue-hu, Cui Zhan-fengJ. Chem. Eng. Chin. Univ.26, 2, С. 265-271 (2012);
17. К.С. Рысакова, В.Ю. Новиков, В.А. Мухин, С.И. Овчинникова Вестн. МГТУ9, 5,С. 786-791 (2006);
18Hartl Lukas, Zach Simone, Seidl-Seiboth Verena Appl. Microbiol. andBiotechnol.93, 2, С. 533-543 (2012);
19 Н.П. Новоселов Биологически активные вещества в растворах. Наука, Москва, 2001. - С. 363-397.
20 N. Kubota, Y. Kikuchi. Structural diversity and functional versatility polysaccharides Ed. Dumitin S.N.Y.: Marcel Dekker Inc. 1988. Chapt. 18. P. 595-628.
21 К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение. Наука, Москва, 2002. - 368 с.
22 А.А. Riccardo Carbohydrate Polymers. 76. P. 167-182 (2009).
23 Ю.Н.Филатов Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, Москва, 2001.
24 А.Н. Сонина Химические волокна.6, С.11-17
(2010);
25 А.А. Шутов. Автореферат дисс. док. физ.-мат. наук, НИФХИ им. Л.Я. Карпова, Москва, 2008 - 46 с.
26 Пат. США2,048,651 (1936);
27 Пат. США 2,077,373 (1937);
28 В.И. Коженков, Н.А. ФуксУспехи химии, 45, С. 2274 (1976);
29 Пат. США2,109,333 (1938);
30 Пат. США 2,116,942 (1938);
31 Пат. РФ 2 487 701 (2006);
32 Пат. РФ 2 258 103 (2005)
33 Пат. РФ 2 522 216 (2006)
© Н. Р. Прокопчук - доктор хим. наук, член.-корр. НАН Б, профессор, зав. каф. технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов Белорусского государственного технологического университета; Ж.С. Шашок - канд. тех. наук, доц. каф. технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов Белорусского государственного технологического университета, zhanna-shashok@mail.ru; К. В. Вишневский - канд. тех. наук, ст. препод. каф. технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов Белорусского государственного технологического университета,vik@belstu.by; Д.В. Прищепенко - магистрант каф. технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов Белорусского государственного технологического университета, bdv91@list.ru В. Ф. Шкодич - доцент каф. ТСК КНИТУ.
© N. R. Prokopchuk, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing, Professor, Belarusian state technological university, tnsippm@belstu.by; Zh. S. Shashok, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing, Associate Professor, Belarusian state technological university, shashok@belstu.by; K. V. Vishnevskii, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing, Senior Lecturer, Belarusian state technological university, vik@belstu.by; D. V. Prishhepenko, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing, graduate student Belarusian state technological university, bdv91@list.ru; V. F.Shkodich, Associate Professor, KNRTU.
