Твердофазный синтез сополимеров хитозана с олиго(l,l-/l,d-лактидами) и получение материалов на их основе Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:547

А. Ю. Порицкая1*, Ю. С. Сотникова2, Т. С. Демина3, В.В. Киреев1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 2Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия 3Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected]

ТВЕРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ СОПОЛИМЕРОВ ХИТОЗАНА С ОЛИГО(Ь,Ь-/Ь,Б-ЛАКТИДАМИ) И ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Методом твердофазного синтеза получены привитые сополимеры хитозана с олиго(Ь,Ь-/Ь,Б-лактидами). В зависимости от условий проведения процесса и характеристик исходных компонентов степень прививки составляет 4-44 мас.%. Прививка на хитозан гидрофобных цепей олиголактида во всех случаях приводит к появлению амфифильных свойств: сополимеры образуют стабильные дисперсии в хлороформе и опалесцирующие растворы в уксуснокислом водном растворе - традиционном для хитозана растворителе. Полученные сополимеры использовали для формования как дву-, так и трехмерных материалов.

Ключевые слова: хитозан, олиголактид, твердофазный синтез, привитые сополимеры, материалы.

Хитозан - продукт деацетилирования природного полисахарида - хитина, выделяемого из панциря ракообразных, членистоногих , грибов и т.д. Хитозан биосовместим, способен к биодеградации, обладает плёнко- и волокнообразующими свойствами, может проявлять бактериостатическую и антивирусную активности. Применяют хитозан в фармакологии, медицине, косметологии, биохимии и биотехнологии, в т.ч. для получения биодеградируемых матриксов для тканевой инженерии [1]. Модифицирование химической структуры хитозана позволяет расширить диапазон доступных методов формования материалов на его основе и регулировать их свойства. Однако плохая растворимость хитозана затрудняет его модифицирование по растворным технологиям, а неплавкость - по расплавным. Поэтому, в работе был реализован другой подход к получению привитых сополимеров хитозана - твердофазный синтез. Он основан на механохимических процессах при одновременном воздействии давления и сдвиговых деформаций на твердые смеси сореагентов. Механохимический подход к модифицированию и синтезу различных соединений обеспечивает возможность созданий технологий нового экологического уровня, так как все процессы проходят в твердой фазе и не требуют присутствия растворителей. Ранее методом твердофазного синтеза уже были получены сополимеры хитозана с короткими привитыми цепями олиголактидов (степень полимеризации (СП) ~ 3-10) [2]. Эти сополимеры растворялись в кислых водных средах, что характерно для нативного хитозана, но проявляли сродство к органическим растворителям. Также были синтезированы сополимеры хитозана с высокомолекулярными полиэфирами (СП < 2000) [3]. Они образовывали стабильные дисперсии в

хлороформе, но теряли свою растворимость в кислых водных средах.

Целью данной работы являлось исследование возможности прививки на хитозан цепей олиго(Ь,Ь-/Ь,Б-лактидов) со СП < 70, а также оценка их свойств и возможности применения для получения материалов на их основе с использованием различных технологических приемов.

Синтез сополимеров хитозана с олиголактидами проводили методом твердофазного реакционного смешения компонентов в двухшнековом экструдере "ВегеШгЕТ 2Б-40" (Германия), который оснащен не только транспортными, но и силовыми элементами, обеспечивающими условия для протекания механохимических реакций. В ходе исследования варьировалось соотношение исходных компонентов хитозана/олиголактид, стереохимический состав олиголактида (Ь,Ь/Ь,Б) и характеристики исходного хитозана (таблица 1). Использовали хитозан (Х-300) с молекулярной массой (ММ) 300 кДа и степенью деацетилирования (СД) 0.85 ("Сонат", Россия) и хитозан (Х-60) с ММ 60 кДа и СД 0.9, полученный методом твердофазного синтеза из хитина в ИСПМ РАН. Олиго(Ь,Ь-лактид) и олиго(Ь,Б-лактид) с ММ 5 кДа синтезированы из соответствующих молочных кислот. Полученные продукты соэкструдирования очищали от непрореагировавшего олиголактида ацетоном; оценивали их растворимость в хлороформе и кислых водных растворах, в т.ч. методом динамического светорассеяния и УФ-спектроскопии. Пленочные образцы (толщина ~100 мкм) получали методом сухого формования из 2%-ных растворов полимеров в 2%-ной уксусной кислоте. Также в работе исследовали возможность использования синтезированных сополимеров для получения клеточных микроносителей и макропористых гидрогелей, в т.ч. наполненных нанокристаллическими хитином и целлюлозой.

Таблица 1. Условия синтеза и выход продуктов реакции

Образец Соотношение компонентов (г/г) Температура соэкструдирования, °С Степень прививки*, %

СЬЬ с 1 Х-300 / олиго(Ь,Ь-лактид) 50/50 55-60 5.4

СЬЬ с 2 Х-300 / олиго(Ь,Ь-лактид) 50/50 65-70 3.9

СЬЬ 8 1 Х-60 / олиго(Ь,Ь-лактид) 40/60 50-60 35.1

СЬЬ 8 2 Х-60 / олиго(Ь,Ь-лактид) 40/60 60-65 43.5

СЬБ 8 2 Х-60 / олиго(Ь,Б-лактид) 40/60 50-55 36.7

*Степень прививки рассчитывали как отношение разницы веса сополимера и хитозана в сополимере к весу полисахарида в образце.

Оценка количества прореагировавшего олиголактида показала, что степень прививки как олиго(Ь,Ь-лактида), так и олиго(Ь,Б -лактида) на хитозан Х-60 существенно выше, чем на хитозан X-300. Полученные образцы в отличие от немодифицированного хитозана обладают сродством к органическим растворителям и образуют стабильные дисперсии в хлороформе. В то же время, их растворимость в уксуснокислом водном растворе снижается, и доля нерастворимой в 2%-ной СН3СООН фракции составляет 12-21 мас.%. Растворимые в кислоте фракции образуют стабильные опалесцирующие растворы.

Исследование 0.1%-ных растворов сополимеров в 2% уксусной кислоте методом динамического светорассеяния показало, что размер ассоциатов исходного хитозана меньше, чем размер ассоциатов. образуемых сополимерами (рис. 1). Это может быть связано как со стерическими затруднениями при упаковке макромолекул сополимеров в растворе, так и с наличием липофильных межмолекулярных взаимодействий привитых гидрофобных цепей олиголактида.

Х-60 (а) и СЬБ_8_2 (б)

Исследование деформационно-прочностных характеристик пленок из немодифицированных образцов хитозана и сополимеров на их основе показало, что прививка на хитозан Х-60 аморфно-кристаллического олиго(Ь,Ь-лактида) приводит к незначительному снижению прочности при разрыве, в то время как прививка аморфного олиго(Ь,Б-лактида) повышает ее на 40% (рис. 2). Прививка олиго(Ь,Ь-лактида) на хитозан Х-300 также приводит к увеличению прочности пленочных образцов.

100

а'

Х-60 СИ $ 1 СП, 8 2 СШ 5 1 Х-300 ОХ с 101 С 2

Рис. 2. Диаграмма напряжения при разрыве образцов сополимеров

Синтезированные сополимеры использовали для получения трехмерных матриксов для тканевой инженерии в виде сферических микрочастиц и макропористых гидрогелей, в т.ч. наполненных нанокристаллическими полисахаридами.

Методом "масло-в-воде" были получены «самостабилизирующиеся» сферические

микрочастицы, содержащие в "масляной" фазе 70 мас-% поли(Ь,Б-лактида) и 30 мас.% сополимеров, без использования какого-либо эмульгатора в фазе водного растворителя. Выход микрочастиц сопоставим с выходом, получаемым по классической технологии с применением ПВС в качестве эмульгатора (рис. 3).

Рис. 3. Выход и распределения микрочастиц по размерам (а) и электронная микрофотография микрочастицы, полученной с использованием 30 мас-% CLD_s_2 в "масляной" фазе (б)

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (15-02-06233 А). Авторы выражают благодарность Университету г.Лъеж (Бельгия) за помощь в проведении работ по получению сферических микрочастиц.

Порицкая Александра Юрьевна, студентка 1 курса магистратуры кафедры химической технологии пластмасс РХТУим. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Сотникова Юлия Сергеевна, студентка 4 курса института материаловедения и технологий материалов МАИ, Россия, Москва.

Демина Татьяна Сергеевна, к.х.н., старший научный сотрудник ИСПМРАН, Россия, Москва.

Киреев Вячеслав Васильевич, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии пластических масс РХТУим. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Скрябин К.Г. Хитин и Хитозан: Получение, свойства и применение / К.Г. Скрябин, Г.А. Вихорева, В.П. Варламов. - М: Наука, 2002. - 368 с.

2. Demina T.S., Akopova T.A., Vladimirov L.V., Zelenetskii A.N., Markvicheva E.A., Grandfils Ch. Polylactide-based microspheres prepared using solid-state copolymerized chitosan and D,L-lactide // Materials Science and Engineering: C. - 2016. . - V. 59. - P. 333-338.

3. Akopova T.A., Demina T.S., Shcheqolikhin A.N., Kurkin T.S., Grandfils Ch., Perov N.S., Kechekyan A.S., Zelenetskii A.N. A Novel Approach to Design Chitosan-Polyester Materials for Biomedical Applications // International Journal of Polymer Science: V. - 2012. Doi: 10.1155/2012/827967.

Poritckaia Aleksandra Urievna1 *, Sotnikova Julia Sergeevna2, Demina Tatiana Sergeevna3, Kireev Vyacheslav Vasilievich1

1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. 2Moscow Aviation Institute, Russia, Moscow.

3Enikolopov Institute of Synthetic Polymer Materials, Russian Academy of Sciences, Russia, Moscow. * e-mail: [email protected]

SOLID-STATE SYNTHESIS OF CHITOSAN/OLIGO(L,L-/L,D-LACTIDE) COPOLYMERS AND FABRICATION OF BASED ON MATERIALS

Abstract

Graft copolymers of chitosan and oligo(L,L-/L,D-lactides) were prepared by solid-state synthesis. As a function of process conditions and characteristics of initial components the grafting degree were varied in a range of 4-44 wt-%. Grafting of hydrophobic oligolactide chains onto chitosan led to amphiphilic properties of the copolymers: they possessed an ability to form stable dispersions in chloroform and opalescent solutions in aqueous acetic solvents, a traditional solution for chitosan. The prepared copolymers were used for fabrication of 2D and 3D materials.

Key words: chitosan; oligolactide, solid-phase synthesis, graft-copolymers; materials.