БИОДЕГРАДИРУЕМЫЙ И БИОСОВМЕСТИМЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2011 года по МПК C08J3/18 C08K3/34 C08K5/53 C08L67/04 

Изобретение относится к области полимеров, а именно к области создания биодеградируемых и биосовместимых нанокомпозиционных полимерных материалов и может быть использовано в медицине (шовная нить, имплантаты, тары для хранения и перевозки, например, крови и др.) и в пищевой промышленности для изготовления упаковочного материала

Одним из наиболее перспективных направлений развития современной химической технологии является производство и использование материалов, содержащих наночастицы, - нанокомпозитов на основе органического полимера и неорганического нанонаполнителя - слоистого силиката. При уменьшении размеров частиц вещества до нанометрового диапазона изменяются его свойства, что объясняется высокой удельной поверхностью наночастиц.

Однако высокая поверхностная энергия частиц, позволяющая в принципе получить уникальные материалы, является препятствием для их равномерного распределения в полимерной матрице и проникновению полимеров в межслоевое пространство слоистых силикатов. Поэтому важнейшей задачей при получении полимерных нанокомпозитов, формирующихся за счет раздвижения силикатных пластин, является создание условий для интеркаляции полимерных цепей в межслоевые пространства.

Кроме того, «чистый» полигидроксибутират имеет высокую степень кристалличности, а его температура плавления практически совпадает с температурой деструкции, что делает невозможной переработку полимера на стандартном оборудовании по расплавной технологии. К недостаткам этого полимера так же можно отнести то, что он разрушается при небольших деформациях (около 10%), а при его наполнении образуется еще более хрупкий материал.

Для преодоления этих недостатков при получении нанокомпозитов используют различные способы.

Так, в патенте США 2006/0020266 от 26.01.2006 г. описана биоабсорбируемая полимерная матрица из сополимера гидроксибутирата и гидроксивалерата, в которой в качестве наполнителя используют гидроксиапатит. Композицию используют для получения имплантата, применяемого в ортопедической и челюстно-лицевой хирургии.

Описанная композиция применяется в виде покрытия для штифтов, способствующая вживлению имплантата.

Из патента ЕР 1721624 от 15.11.2006 известна матрица полимера, состоящая из гидроксибутирата, в которую добавляют наполнитель - полигидроксиапатит.

Получаемый материал используют в качестве имплантата в ортопедии.

В патенте KR 900005904B от 16.08.1990 описывается органический полимер, например полиимид, триэтиленгликоль, коллаген, при добавлении в который наполнителя - гидроксиапатита - получают материал, применяемый как заменяющий материал (имплантат) для костей в области хирургии и ортопедии, а также при лечении зубов и челюстно-лицевой хирургии.

Общим недостатком является то обстоятельство, что только очень тонкие пленки и волокна, изготовленные из описанных композиций, сохраняют гибкость. При большей толщине пленки и волокна материалы становятся хрупкими.

Другой общий недостаток описанных композиций заключается в способе их приготовления, а именно в получении композиций в водных растворах в лабораторных условиях и в относительно небольших количествах. Невозможно получить эти композиты простым экструдированием, что делает проблематичным производство этих материалов промышленным способом на стандартном оборудовании.

Известна биодеградабельная композиция, получаемая из плавящейся смеси, состоящей из пластификаторов - алкенолов/енолов (алканов с гидроксильными группами в цепи) и модифицированного крахмала в соотношении, необходимом для достижения удовлетворительного смешения (патент США 53393804, февраль 1995 г. «Биодеградабельные композиции, состоящие из крахмала и алкенолов»). Модифицированный крахмал подвергают гидролизу, в результате которого точка желатинизации полимера снижается тем более, чем выше концентрация крахмала в композиции. При этом одновременно увеличивается хрупкость композиции.

Известна смесь биодеградируемых полимеров, получаемая способом, описанным в патенте США 7094817 В2 от 22 августа 2006 г., согласно которому для получения композиции, способной смешиваться в экструдере, в полимерную матрицу, состоящую из полигидроксибутирата и 20-80% крахмала, добавляют глину.

Эта композиция и способ ее получения наиболее близки по сути и техническому результату к предлагаемому нами и поэтому выбраны за прототип.

Недостатком композиции является получение недостаточно пластичного, хрупкого композита, что связанно с содержанием крахмала в композиции и невозможностью его использования для изготовления прочных конструкционных изделий.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение хрупкости биодеградируемых биосовместимых нанокомпозитов на основе полигидроксибутирата и возможность их получения на стандартном промышленном оборудовании.

Решение поставленной задачи обеспечивается прежде всего тем, что разработан и предложен к использованию биодеградируемый биосовместимый композиционный материал, выполненный из композиции, содержащей полимерную матрицу и нанонаполнитель, отличающийся тем, что полимерная матрица дополнительно содержит пластификатор - глицерин, а в качестве нанонаполнителя материал содержит слоистый силикат, предварительно обработанный поверхностно-активным веществом, в качестве которого используют четверичную аммониевую соль структурной формулы

,

где НТ (~65% С₁₈; ~30% С₁₆; ~5% С₁₄)

при следующем соотношении компонентов, мас.%:

слоистый силикат 1-5 пластификатор - глицерин 1,3-5 полигидроксибутират - остальное

Причем в качестве слоистого силиката он содержит глину класса Na⁺-монтмориллонита.

Получаемый технический результат заключается в уменьшении хрупкости композиции, которую оценивают по способности композита к деформации, и в возможности получения материала на промышленном оборудовании.

Нижеследующие примеры иллюстрируют, но никоим образом не ограничивают область его применения.

Примеры

Примеры 1-9

Берут 4,75 г полигидроксибутирата и растворяют в хлороформе. В полученный раствор 1 добавляют 0-5% глицерина по отношению к массе полигидроксибутирата, перемешивают и получают раствор 2, из которого испаряют растворитель. Полученный пластифицированный образец полигидроксибутирата загружают в экструдер марки Haake Minilab. Туда же добавляют глину класса Na⁺-монтмориллонита, предварительно модифицированную четвертичной аммониевой солью (получают глину типа Cloisite 25A).

Смешение и получение композитов проводят в экструдере при температуре 140°С, скорость вращения шнеков 200 об/мин, при времени смешения 10 мин.

Получают 5 г нанокомпозита.

Полученный образец нанокомпозита оценивают на его хрупкость, для чего на универсальном динамометре фирмы «Instrom» модель 1121 снимают кривую нагружения, по которой рассчитывают деформацию при разрыве и делают вывод о хрупкости исследуемого образца композита: чем выше значение деформации при разрыве, тем ниже хрупкость материала.

Результаты исследований образцов по примерам 1-9 приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что композиции, полученные по примерам 1-4 без пластификатора, являются хрупкими и могут быть получены только в условиях смешения в «общем» растворителе.

Получение их на стандартном оборудовании невозможно.

Таблица 1 Механические свойства полученных композитов Пример Содержание пластификатора, мас.% Содержание наполнителя Модуль Юнга, МПа Напряжение при разрыве, МПа Деформация при разрыве, % Способ приготовления композита 1 0 0 735 23,6 11 - 2 0 Cloisite 25A, 1,3% 750 16.5 5 Смешение в «общем» растворителе 3 0 Cloisite 25A, 3% 505 17.5 5 4 0 Cloisite 25A, 5% 565 18,5 3 5 5 0 380 18 128 - 6 1,3 Cloisite 25A, 5% 835 25 19 Смешение в экструдере 7 3 Cloisite 25A, 5% 720 25 23 8 4 Cloisite 25A, 5% 670 23 25 9 5 Cloisite 25A, 5% 650 23 30

В то время как внесение пластификатора в количестве не более 5 мас.% позволяет получать композиты на стандартном оборудовании с высокими механическими свойствами: модуль упругости возрастает в 2 раза, прочность в 1,5 раза и деформируемость в 15 раз (по сравнению с чистым ПГБ), что свидетельствует о снижении хрупкости предложенных композиционных материалов, полученных в условия экструдирования, в 2 раза по сравнению с прототипом («чистым» полимером). Полученные образцы были исследованы на способность к биодеградации, результаты которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 Рост и деградация биополимеров грибом Aspergillus caespitosus на среде с агаром Состав материала Количество испытанных образцов, шт. Деструкция за 6 суток, % ПГБ, 180 кДа 5 60 ПГБ, 180 кДа, 5% глины 2 100 ПГБ, 180 кДа, 5% глины + 5% глицерина 2 100

Полученные образцы прошли скрининговые испытания в «тромбоцитарном тесте» - методе, позволяющем определить количество тромбоцитов на поверхности исследуемого образца при кратковременном контакте с нативной протекающей кровью. Испытания были произведены на собаке в НЦССХ им. Бакулева, ПГБ - показатель тромбоцитарного теста (ТТЕСТа) равен 15,2, величина показателя ТТЕСТа достоверно не отличается от показателя ТТЕСТа на контрольном образце - фторопласт-4 (Ф-4) (верхняя граница нормы). Показатель ТТЕСТа на Ф-4 составил 12,1.

Изобретение относится к биодеградируемым биосовместимым нанокомпозиционным полимерным материалам и используется в медицине для изготовления шовной нити, имплантатов, тары для хранения и перевозки крови и др. и в пищевой промышленности для изготовления упаковочного материала. Материал содержит полимерную матрицу - полигидроксибутират и наполнитель. Матрица дополнительно содержит глицерин в качестве пластификатора, а наполнителем является модифицированный поверхностно-активным веществом слоистый силикат при соотношении компонентов, мас.%: слоистый силикат 1-5, глицерин 1,3-5 и полигидроксибутират - остальное. Содержание пластификатора в матрице составляет не более 5 мас.%. Слоистый силикат представляет собой глину класса Na⁺-монтмориллонита. Изобретение позволяет получать биодеградируемый материал упрощенным способом с высоким модулем упругости, прочностью и деформируемостью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Биодеградируемый биосовместимый композиционный материал, выполненный из композиции, содержащей полимерную матрицу и нанонаполнитель, отличающийся тем, что полимерная матрица дополнительно содержит пластификатор - глицерин, а в качестве нанонаполнителя материал содержит слоистый силикат, предварительно обработанный поверхностно-активным веществом, в качестве которого используют четверичную аммониевую соль структурной формулы:
,
где НТ (~65% С18; -30% С16; -5% С14)
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
слоистый силикат 1-5 пластификатор - глицерин 1,3-5 полигидроксибутират остальное

2. Биодеградируемый биосовместимый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоистого силиката он содержит глину класса Na⁺-монтмориллонита.