CC BY
20УДК 541.182.64 В.А. Попов]
Ю.А. Игнатьева1, М.В. Успенская2, К.Н. Касанов3
СИНТЕЗ СОРБИРУЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики», Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49. Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова, Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, д. 6
В статье описана методика получения новых полимерных композиционных материалов медицинского назначения, которые могут быть использованы в современных раневых покрытиях. Изучена зависимость времени начала гелеобра-зования от рецептурных параметров системы. Показана эффективность новых полимерных сорбирующих медицинских покрытий при лечении различного вида ран и гнойных инфекций.
Ключевые слова: полимерные композиты, частицы серебра, раневые покрытия, бентониты, сорбирующая способность, набухание, повязки.
Введение
Пулевые ранения представляют собой рваные разрывы тканей, с участками первичного некроза и ожогов. В подобного типа ранениях возникает инфекция, что может привести к дальнейшему некрозу, а впоследствии и сепсису[1]. Пулевые и ожоговые ранения лечат медицинскими покрытиями и последующими перевязками, однако такие материалы, существующие в настоящее время, обладают рядом существенных недостатков, одним из которых является недостаточная сорбирующая способность повязками биологических жидкостей, скапливающихся в значительном количестве внутри раневой полости [2].
Атравматичные изделия, способные принимать необходимую форму, и при этом обладающие сорбирующей и лечебной способностью, позволяют ускорить процесс выздоровления инфицированных и гнойных ран. В условиях местного воспалительного процесса (гнойные раны, пролежни, трофические язвы и т.п.) происходит скопление и размножение различного рода бактерий, поэтому одним из необходимых характеристик создаваемых перевязочных материалов является их антисептическая активность. Такими частицами при создании полимерной композиции медицинского назначения могут служить частицы серебра [3, 4]. В нашем случае, в качестве наполнителя полимерной матрицы, а также носителя ионов серебра были использованы модифицированные частицы бентонита.
Как известно [5], бентонит представляет собой глинистый влагоабсорбирующий материал природного происхождения, способный поглощать и задерживать жидкости до десяти раз больше массы самого материала. Таким образом, кроме придания материалам бактерицидных свойств использование в полимерной матрице наполнителя - бентонита - улучшает физико-химические характеристики [6]. Именно поэтому создание полимер-
ной матрицы, используемой при получении раневых покрытий с улучшенными сорбирующими, механическими и бактерицидными характеристиками является насущной необходимостью.
Экспериментальная часть
В качестве полимерной матрицы нами был использован акриловый гидрогель, синтезированный радикальной полимеризацией в водной среде в температурном интервале 10°^60°С. Полимерная матрица была получена на основе натриевой соли акриловой кислоты и акриламида, взятых в различных соотношениях. Степень нейтрализации акриловой кислоты составляла а = 0,8. В качестве инициатора была использована система: персульфат аммония - тетраметилэтилендиамин, а в качестве сшивающего агента - К^-метиленбисакриламид (МБАА). Время синтеза составляло 1-6 ч. В качестве наполнителя был использован модифицированный ионами серебра бентонит двух фракций со степенью дисперсности > 0,25 мкм (фракция I) и 0,25-0,5 мкм (фракция II), который был предоставлен, кафедрой общей химии Белгородского государственного университета.
Обогащенный бентонит имел следующий минеральный состав: натрий-кальций-монтмориллонит, иле-ит, каолинит, кварц, мусковит, кальцит и полевые шпаты. Определение содержания монтмориллонита (ММТ) было выполнено методом адсорбционно-люминесцент-ного анализа, основанного на катионообменной адсорбции силикатом органических красителей люминофоров с образованием коагулята органосиликатного комплекса. Массовая доля монтмориллонита в обогащенном образце глины составляла 65-70% мас. Синтез Ад-ММТ производили методом химической обработки нативной формы силиката ^а-Са-ММТ) модифицирующим агентом - раствором нитрата серебра [7].
1 Игнатьева Юлия Андреевна, аспирант,. каф. информационных технологий топливно-энергетического комплекса НИУ ИТМО, e-mail: alissia87@mail.ru
2 Успенская Майя Валерьевна, д-р техн. наук, доцент, зав. каф. информационных технологий топливно-энергетического комплекса НИУ ИТМО, e-mail: mv_uspenskaya@mail.ru
3 Касанов Кирилл Николаевич, мл. науч. сотр. ВМА им. С.М. Кирова, e-mail: kasanovkirill@gmail.com
Дата поступления - 3 июля 2013 года
В ходе работы был получен ряд полимерных наполненных композиций с массовой долей бентонита 0^5% мас.
Среднее влагосодержание образцов варьировалось в пределах 30±5%, а значение золь фракции -10±3%.
Обсуждение результатов
В ходе работы были изучены особенности протекания радикальной полимеризации акриловых материалов в присутствии модифицированных ионами серебра частиц бентонита. При синтезе нами было исследовано влияние рецептурных параметров на время начала геле-образования (ВНГ). Постоянными оставались модуль ванны - 29%, и доля модифицированного ионами серебра бентонит (фракция I) - 1% мас.
На рисунке 1 представлена зависимость времени начала гелеобразования от доли акриловой кислоты (АК) в реакционной смеси. Как видно из рисунка 1, при увеличении концентрации акриловой кислоты в среде время начала гелеобразования увеличивается, что объясняется большей реакционной активностью акриламида (АА) в сравнении с акриловой кислотой (константы сополиме-ризации Гаа = 1,38; Гак = 0,36) [8].
ВНГ, мин
90 100
акриловая кислота, % мас.
Рисунок 1. Зависимость времени начала гелеобразования от доли акриловой кислоты при синтезе акрилового композита при температуре - 45 °С и концентрциях МБАА - 0,08% мас.; и ПСА - 0,25% мас.;
Зависимость времени начала гелеобразования от температуры синтеза новых акриловых компаундов представлена на рисунке 2. При увеличении температуры время начала гелеобразования уменьшается, согласно уравнению Аррениуса [9], а зависимость описывается степенным уравнением: т = 222,6Г2,45, где т - время начала гелеобразования, а I - температура, °С.
300 200 100
ВНГ, мин
10 20 30 40 50 Температура,0 С
действующих масс [10]. Уравнение зависимости времени начала гелеобразования от доли сшивающего агента можно записать следующим образом: т = 27е-7,55[мбаа], где т - время начала гелеобразования, мин, а [МБАА] - концентрация МБАА, % мас.
16 14 12 10 8
ВНГ, мин
0 0,05 0,1
0,15 0,2 0,25 МБАА,
0,3 0,35 % мас.
0,4 0,45 0,5
Рисунок 3. Зависимость времени начала гелеобразования от содержания сшивающего агента в реакционной смеси при соотношение АКАА = 70:30, температуре - 45 °С, концентрации ПСА - 0,25% мас.
Влияние количества персульфата аммония в реакционной смеси на время начала гелеобразования описывается экспоненциальным уравнением:
т = 23,3е-0'92[пса], где т - время начала гелеобразования, мин, а [ПСА] - концентрация персульфата аммония, % мас. Уменьшение времени начала гелеобразования при увеличении доли персульфата аммония объясняется увеличением в реакционной среде доли первичных радикалов и соответственно увеличением скорости инициации [11] (рисунок 4).
30 25 20 15 10
ВНГ, мин
0,5
1 1,5
ПСА, % мас.
2,5
Рисунок 4. Зависимость времени начала гелеобразования от доли ПСА в реакционной смеси при соотношении АК:АА = 70:30, температуре - 45°С, концентрации МБАА - 0,08 масс.%
Для определения эффективности полимерной системы нами были рассчитаны некоторые параметры сетки новых композиционных материалов, представленных в таблице 1.
Расчет параметров проводился по методикам, описанным в работе [12].
Рисунок 2. Зависимость времени начала гелеобразования от температуры синтеза при соотношении АК:АА = 70:30, концентрациях МБАА - 0,08% мас. и ПСА - 0,25% мас.
Влияние доли сшивающего агента К^-метилен-бис-акриламида представлено на рисунке 3. При увеличении концентрации К^-метилен-бис-акриламида время начала гелеобразования уменьшается, согласно закону
Таблица 1. Некоторые параметры сетки нового полимерного
композита
Фракция/ концетрация бентонита Степень сшивки Доля активных цепей Влагасо-держание, % Золь фракция, %
1/1% 0,19 0,765 36 3,5
1/2% 0,18 0,733 38 3,6
1/3% 0,19 0,765 32,6 3,5
1/5% 0,17 0,723 37,1 3,8
1/1% 0,16 0,708 34,3 4,2
1/2% 0,24 0,781 33,8 2,6
1/3% 0,21 0,755 34,7 3,1
1/5% 0,21 0,751 28,4 3,2
II/1% 0,20 0,746 34,6 3,3
II/2% 0,20 0,742 26,4 3,4
II/3% 0,20 0,742 41,7 3,4
II/5% 0,18 0,733 34,7 3,6
II/1% 0,17 0,720 33 3,9
II/2% 0,22 0,764 33,9 2,9
II/3% 0,17 0,723 24,5 3,8
II/5% 0,20 0,742 35,6 3,4
NaMMT2% 0,20 0,742 37 3,4
ГГ чист. 0,20 0,742 38,8 3,4
Как видно из таблицы 1, доля золь-фракции меняется незначительно в зависимости от количества наполнителя - модифицированного ионами серебра бентонита, используемого при создании полимерной композиции медицинского назначения. Степень сшивки варьируется в пределах от 0,20 ± 0,03, а доля активных цепей полимерной сетки закономерно уменьшается при увеличении концентрации бентонита до 5% мас.
Однако, эти изменения не носят кардинального характера, а сами значения демонстрируют наличие сети с малым количеством дефектов (зацеплениями, хвостами, петлями и т.п.).
В ходе работы было показано, что модифицированные ионами серебра полимерные материалы обладают биоцидной активностью в отношении референтных и госпитальных штаммов микроорганизмов, в частности золотистого стафилококка, уже при содержании мине-рал-содержащего наполнителя - 2% мас. Применение новой полимерной композиции при создании раневых повязок позволяет поддерживать уровень бактериального обсеменения раны ниже 103 (КОЕ) на протяжении 5-7 суток in vivo.
Заключение
В результате проведенной работы изучено влияние рецептурных параметров синтеза (температуры синтеза, доли наполнителя, модифицированного ионами серебра бентонита, доли мономеров) на время начала ге-леобразования новых полимерных бентонит-содержащих композиций медицинского назначения.
Показано, что использование полимерных раневых покрытий позволяет получить значительный бактери-остатический эффект.
Литература
1. Klasen H.J. A historical review of use of silver in the treatment of burns. II. Renewed interest for silver. // Burns. 2000. V. 26. Is. 2. P. 131-138/
2. Lansdown A.B. Silver. I: Its antibacterial properties and mechanism of action. // J. Wound Care. 2002. V. 11. Is. 4. P. 125-130.
3. Ahmad SM, Shameli K, [et al.]. Synthesis and antibacterial activity of silver/montmorillonite nanocomposites. // Res. J Biol Sci. 2009. V. 4(9). P. 1032-1036.
4. Magana S.M., Quintana P., Aguilar D.H., Toledo J.A., Angeles-Chavez C., [et al.]. Antibacterial activity of montmorillonites modified with silver. // J. Mol. Catal. A-Chem. 2008. V. 281. P. 192-199.
5. LiМ., Liu Y. Изучение модификации бентонитов и его применение. // Chag'an daxue xuebo . Diqiu kexue ban = J. Chan'an Univ. Earth Sci. Ed. 2003. Vol. 25/ № 2. P. 76-78.
6. Kang H., Xie J., Liu Y. Технология синтеза и абсорбционные свойства солеустойчивых полимеров // Polym. Mater. Sci. Technol. 2003. Vol. 19/ № 6. P. 84-87.
7. Штильман М.И., Остаева Г.Ю., Артюхов А.А. Эпоксидсодержащие пористые гидрогели акриламида: исследование влияния условий синтеза // Пластические массы. 2002. T. 3. С. 25-28.
8. Baker Pradhan A, Pakstis L, [et al.]. Synthesis and antibacterial properties of silver nanoparticles. // Nanosci Nanotechnol. 2005. V. 5. P. 244-249.
9. Dayal U., Mehta S.K., Choudhary M.S., Jain R.C. Synthesis of acrylic superabsorbents // J. Macromol. Sci. Part. C. 1999. V. 39, № 3. P. 507-525.
10. Евсикова О.В., Стародубцев С.Г., Хохлов А.Р. Синтез, набухание, и адсорбционные свойства композитов на основе полиакриламидного геля и бентонита натрия // Высокомол. соединения. 2002. Т. 44. № 5. С. 802808.
11. Zhao X., Zhu S., Hamielec A.E., Pelton R.H. Kinetics of рolyelectrolyte network formation in free-radical co-polymerization of acrylic acid and bisacrylamid // Macromol. Symp. 1995. № 92. Р. 253-300
12. Успенская М.В. Акриловые гидрогели в качестве полимерных связующих: дис. ... д-ра техн. наук. СПб, 2012. 318 с.
