24 апреля 2016г.
Аминополисахарид хитозан широко используется в различных областях [2, 5], в частности, плёнки на его основе нашли применение в медицине и фармакологии [1]. Их получают, растворяя полимер в водных растворах различных кислот и поливая на подложку. При этом кислоты-растворители должны быть безопасными для организма, фармакопейными, а лучше всего, если и биологически активными, то есть выполнять две роли: растворителя хитозана и активного компонента.
Молочная кислота обладает антибактериальной активностью, и плёнки лактата хитозана высокоэластичны и бактерицидны. Известен способ получения плёночного покрытия толщиной 50–250 мкм с относительным удлинением при разрыве 42–470% [3].
Аскорбиновая кислота является мощным антиоксидантом и витамином C, полезным для иммунной системы организма. Плёнки из аскорбата хитозана в чистом виде в литературе не описаны, но известно «Раневое покрытие на основе коллаген-хитозанового комплекса» [4] для восстановления дефектов кожи в виде губки, геля, коллоидного раствора, плёнки; содержащее хитозан со степенью деацетилирования 0,95–0,99 и молекулярной массой 100–1000 кДа, при содержании аскорбиновой кислоты 1,8 г/г сухого хитозана.
По отдельности названные кислоты реагируют с хитозаном, протонируя аминогруппы и образуя соответствующие соли (лактат и аскорбат хитозана). Однако совместно эти кислоты ещё не использовались.
Целью настоящей работы являлось получение и изучение физико-механических свойств плёнок на основе хитозана с применением смешанного растворителя молочная кислота – аскорбиновая кислота – вода.
Воздушно-сухую навеску хитозана (средневязкостная молекулярная масса 200 и 700 кДа, далее ХТЗ-200 и ХТЗ-700) растворяли в смешанном растворителе молочная кислота – D-аскорбиновая кислота – вода в течение 1 сут, периодически встряхивая. Суммарная концентрация кислот-растворителей поддерживалась равной 2 мас. %. Затем проводили перемешивание на магнитной мешалке.
Полученный формовочный раствор (20 мл) выливали на инертную пластиковую подложку в чашке Петри и давали летучим компонентам растворителя испариться в течение 2–3 сут. Полноту испарения контролировали визуально, по лёгкости открепления готовой плёнки от подложки.
Полимер в свежесформованных плёнках находился в солевой форме. При попытках перевода его в основную форму (водный 0,1 н раствор NaOH) плёнки уменьшались в размерах (примерно в 1,5 раза), теряли эластичность и становились ломкими. Дальнейшее их исследование оказывалось невозможным. Вероятно, это связано с тем, что анионы кислот, особенно анион аскорбиновой кислоты, соразмерный мономерному звену хитозана, выщелачиваясь из структуры материала, оставляли в ней пустоты, вызывали усадку и больше не играли роли пластификаторов.
Плёнки испытывали на разрывной машине S-серии фирмы Tinius Olsen. Сорбцию проводили в эксикаторе на специальных ситах над парами сорбата. Набухание регистрировали во времени, взвешивая набухший образец на аналитических весах (точность ±0.0001) через каждые 15 минут в течение 2 ч.
По мере замены молочной кислоты на аскорбиновую прочностные свойства плёнок на основе хитозана значимо менялись: относительное удлинение при разрыве уменьшалось, то есть плёнка становилась более хрупкой и быстрее рвалась. Это, вероятно, связано с тем, что молекула аскорбиновой кислоты гораздо больше, чем молочной, к тому же, обе кислоты были взяты в избытке. Молекулы низкомолекулярных кислот «раздвигают» макромолекулы хитозана, образуя хрупкие прослойки, и макромолекулы при растяжении образца не успевают конформационно развернуться, прежде чем произойдёт разрыв по хрупким участкам. Большая молекулярная масса хитозана (700 против 200 кДа) смягчает этот эффект (Рисунки 1 и 2).
Механическое напряжение при разрыве проходит через максимум для ХТЗ-200; возможно, такой максимум существует и для ХТЗ-700, но он не наблюдался, поскольку при концентрациях аскорбиновой кислоты выше 0,5 мас. % плёнки не изготавливались. Плёнки с высоким разрывным напряжением получались из формовочных растворов с концентрацией аскорбиновой кислоты 0,1–0,3% (молочной, соответственно, 1,9– 1,7%) для ХТЗ-200 и 0,3–0,5% (1,7–1,5%) для ХТЗ-700. Как и следовало ожидать, при увеличении молекулярной массы хитозана плёнки становились более прочными, их разрывное напряжение увеличивалось (ср. Рисунки 1 и 2).
При сорбции в парах соляной кислоты или воды (модели физиологических сред) образцы коробились и теряли форму, их взвешивание становилось невозможным. Видимо, сорбируемая вода просто растворяла кислотные прослойки, делая образец
очень неоднородным по структуре и механическим свойствам.
Поскольку кислоты-растворители были взяты в избытке, далее изучали сорбцию в парах водного раствора аммиака.
Кинетические кривые сорбции паров водного раствора аммиака плёнками хитозана немонотонны, вероятно, из-за несовершенства процедуры контроля массы (образцы приходилось каждый раз вынимать из паровой среды и после взвешивания возвращать), но
с течением времени выходят на плато. Равновесная степень сорбции монотонно росла с содержанием аскорбиновой кислоты в смешанном растворителе (Табл.1). Это, вероятно, связано с тем, что эта двухосновная кислота присоединяет к себе больше аммиака. С ростом молекулярной массы хитозана равновесная степень сорбции также возрастает.
Таблица 1 Сорбционные свойства плёнок ХТЗ-200 и ХТЗ-700, отлитых из растворов в смешанном растворителе
Конц. кислоты, мас. %
|
Равновесная
степень сорбции, мас. %
|
Молочная
|
Аскорбиновая
|
ХТЗ-200
|
ХТЗ-700
|
2,0
|
0,0
|
21
|
29
|
1,9
|
0,1
|
26
|
32
|
1,8
|
0,2
|
27
|
34
|
1,7
|
0,3
|
34
|
46
|
1,5
|
0,5
|
36
|
48
|
Список литературы
1. Алексеева Т.П., Рахметова А.А., Богословская О.А. и др. Новые ранозаживляющие средства на основе производных хитозана //
Вестник «Здоровье и
образование в XXI веке». — 2012. — Т. 14, № 5. — С. 48– 49.
2. Гальбрайх
Л.С.
Хитин и хитозан: строение, свойства, применение // Соросовский образовательный журнал. – 2001. — Т. 7, № 1. — С. 51–56.
3.
Пат. 2461575 РФ, МПК C08B37/08, C08J5/18. Способ получения плёночного покрытия на основе хитозана и плёночное покрытие на основе хитозана / Фомина В.И., Шиповская А.Б., Юсупова К.А., Бузинова Д.А.; 2010132162/10; заявил. 02.08.2010, опубл. 20.09.2012, Бюл. № 26. – с. 1–10.
4.
Пат. 2254145 РФ, МПК A61L15/28, A61L15/32, A61L26/00. Раневое покрытие на основе коллаген- хитозанового комплекса / Большаков И.Н., Горбунов Н.С., Шамова Е.С., Еремеев А.В., Сизых А.Г., Сурков Е.В., Насибов С.М., Малый В.П., Сетков Н.А.; 2003130390/15; заявил. 14.10.2003; опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17. – 5 с.
5. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. – М.: Наука, 2002. – 368 с.