Способ получения биополимерного гидрогеля Российский патент 2021 года по МПК C08B15/00 C08B15/10 C08B3/12 A61L15/28 C08J3/75 C08J9/00 

Изобретение относится к получению гидрогелей из поперечно-сшитых гидрофильных биополимеров, способных быстро поглощать количество воды, превышающее их сухую массу более чем в 10 раз, оставаясь при этом механически прочными и эластичными, сохранять и восстанавливать свою форму после сдавливании вплоть до 90%. Они могут найти применение в промышленности, сельском хозяйстве, садоводстве, быту, в косметике и медицине, при изготовлении упаковочных материалов, изделий личной гигиены и домашнего обихода, а также медицинских и гигиенических повязок, пластырей и ранозаживляющих покрытий в качестве материалов, абсорбирующих воду и растворы, а также материалов, контролируемо высвобождающих воду, питательные, ароматические, биологически активные и лекарственные вещества, предварительно включенные в их состав. На сегодняшний день востребованными являются гидрогели, полученные из компонентов природного происхождения и обладающие биосовместимостью и биоразлагаемостью, не токсичные по отношению к человеку и окружающей среде, не оказывающие раздражающего воздействия на кожу человека и не вызывающие у него аллергических реакций.

Известен способ получения рН-чувствительного гидрогеля, набухание которого зависит от рН раствора, предназначенного для использования в качестве трансдермального носителя лекарственного средства, содержащего комплекс гидроксиэтилцеллюлозы с гиалуроновой кислотой (KR101693753, опубл. 2017.01.06). Способ включает растворение гидроксиэтилцеллюлозы и гиалуроновой кислоты в предварительно подготовленном концентрированном водном растворе гидроксида натрия для активации гидроксильных групп с последующей обработкой дивинилсульфоном, выступающим в роли сшивающего агента. Гидрогель, полученный известным способом, и остатки сшивающего агента, не обладает необходимыми высокими потребительскими качествами, поскольку при сшивке в концентрированном растворе щелочи происходит частичный гидролиз биополимеров, а остающиеся следовые количества двинилсульфона оказывают сильное раздражающее и отчасти токсичное воздействие на кожу, к тому же помимо недорогого растворимого производного целлюлозы гидрогель содержит дорогостоящую гиалуроновую кислоту.

Известен описанный в документе РН 12017050130, опубл. 2019.07.24, способ получения гидрогеля с антимикробными свойствами и высокой поглощающей способностью для изготовления перевязочного материала, который не нуждается в антимикрокробных добавках. Согласно известному способу, физически сшитые гидрогели с различным содержанием гидроксиэтилцеллюлозы формируются при комнатной температуре путем смешения растворов мочевины (NH₂)₂CO и гидроксида натрия NaOH в дистиллированной воде при массовом соотношении (NH₂)₂CO: NaOH: H₂O=5: 6: 89 с добавлением 12-15% гидроксиэтилцеллюлозы. Максимальная поглощающая способность полученного гидрогеля составляет 173,8% при содержании гидроксиэтилцеллюлозы 13,75%, при этом он может поглощать воду в течение около 420 минут до полного распада в рабочей среде. Кроме того, в известном способе использована щелочь, вызывающая частичную деградацию биополимера в результате гидролиза, из-за которого полученный гидрогель не обладает достаточной стабильностью и механической прочностью, что является общим недостатком гидрогелей, в которых макромолекулы ассоциированы только за счет физических взаимодействий, а не ковалентных связей.

Известен способ получения биоразлагаемого гидрогеля медицинского назначения, описанный в патенте RU2493170, опубл. 2013.09.20, который включает приготовление водного раствора композиции, содержащей полисахарид, выбранный из группы, состоящей из водорастворимых производных целлюлоз, замещенных декстранов, замещенных крахмалов, глюкозаминоглюканов и полиуроновых кислот. В предпочтительных вариантах осуществления известного способа водный раствор включает смесь полисахаридов, преимущественно представленных бинарной смесью карбоксиметилцеллюлозы и гидроксиэтилцеллюлозы, взятых в массовом соотношении 3:1 и суммарно в количестве до 2% от массы исходного раствора, а также лимонную кислоту в качестве сшивающего агента в количестве 1,75-3,75% от суммарной массы упомянутой бинарной смеси биополимеров, что составляет примерно 0,02-0,04% в растворе. Для проведения сшивки из раствора удаляют воду, частично либо полностью, досуха, за счет испарения, например, путем нагревания при 30-40°С в течение двух суток, после чего сформированную пленку подвергают термообработке при температуре 50-120°С, преимущественно 80°С, в течение 10-24 часов, инициируя поперечную сшивку производных целлюлозы лимонной кислотой. При помещении в воду пленки, раздробленной на кусочки для ускорения поглощения растворителя, происходит ее набухание с образованием полимерного гидрогеля. Полученный полимерный гидрогель при необходимости промывают полярным растворителем, преимущественно водой, удаляя непрореагировавшие вещества. Способ может включать сушку. Известный способ обеспечивает получение гидрогелей с высокой степенью поглощения воды за счет небольшого числа ковалентных сшивок, образованных при использовании малых концентраций лимонной кислоты, однако, полученные в таких условиях гидрогелевые материалы являются механически очень непрочными, что резко ограничивает их применение, поскольку они сами по себе распадаются при поглощении избытка воды или при небольшом внешнем механическом воздействии. Однако увеличение степени сшивки, призванное обеспечить повышение механической прочности гидрогеля, приводит к ухудшению способности сшитых пленок к поглощению воды и набуханию, т.е., к потере способности образовывать гидрогель.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения биоразлагаемых полимерных гидрогелей медицинского назначения (RU2618329, опубл. 2017.05.03) сшивкой с помощью поликарбоновой кислоты природных полимеров, а именно, карбоксиалкилполисахарида и/или гидроксиалкилполисахарида, которые представлены соответствующими водорастворимыми производными целлюлозы: карбоксиметилцеллюлозой либо гидроксиэтилцеллюлозой, либо их комбинацией. Известный способ является многовариантным, но при этом включает следующие общие для всех вариантов стадии: (1) приготовление формирующего водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы и поликарбоновой, а именно, лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновой), кислоты; (2) перемешивание раствора в течение времени, достаточного для обеспечения его гомогенности; (3) удаление из раствора воды, преимущественно выпариванием в сушильном шкафу; (4) термообработку обезвоженного композита путем нагревания до температуры не менее 80°С, преимущественно до 80-150°С, в течение 8-24 часов для инициирования сшивки упомянутых карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы лимонной кислотой, что приводит к формированию сшитой полимерной пленки, в результате набухания которой в воде или водных растворах получают гидрогель. Согласно известному способу, исходный формирующий водный раствор содержит 5,0-7,0 масс. %, карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы и 0,15-0,35% лимонной кислоты от массы карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы либо их суммарной массы в растворе. Полученную в результате сшивки полимерную пленку тщательно промывают несколько раз большим количеством воды, после чего сушат, измельчают и калибруют кусочки по размеру. Для получения гидрогеля, предполагаемого к использованию, кусочки заливают водой для набухания.

Оценка параметров известного способа вызывает некоторые затруднения из-за их представления в описании либо неопределенным образом, например, (цитата): «любое сочетание времени и температуры, которое дает полимерный гидрогель, обладающий желаемой способностью поглощать рассматриваемую водную среду» либо в виде длинного ряда «предпочтительных» и «наиболее предпочтительных» значений конкретного параметра. Тем не менее, приведенные примеры показывают, что полученный известным способом гидрогель характеризуется высокой водопоглощающей способностью за счет использования сравнительно небольшого количества сшивающего агента -лимонной кислоты - в формирующем растворе, которое, однако, не может обеспечить образования достаточного числа поперечных сшивок на единицу объема для придания формируемому гидрогелю необходимой механической прочности и упругости, а, кроме того, может оказаться причиной частичного вымывания из полученного гидрогеля карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы, не подвергнутых сшивке. Однако увеличение числа сшивок, как известно из химии полимеров, приводит к уплотнению гидрогеля, снижению его водопоглощающей способности, затруднению и, как следствие, замедлению набухания. Для увеличения пористости гидрогеля, способствующей ускорению набухания, в его состав добавляют растворимый молекулярный разделитель - спейсер, в качестве которого в известном способе предусмотрено использование сахарида, полиола или сахароспирта, сорбита в количестве до 20 масс. % в формирующем растворе. При его растворении в объеме остаются поры, затем заполняемые растворителем. Формирование гидрогеля в присутствии спейсера ускоряется, но в недостаточной степени, поскольку растворение все равно требует значительного времени. Кроме того, упомянутые спейсеры в таких больших концентрациях значительно ухудшают потребительские качества гидрогелей, поскольку могут выходить на поверхность, делая ее липкой, а при контакте с кожей человека оказывать на нее негативное воздействие.

Задачей изобретения является создание способа получения гидрогеля из компонентов природного происхождения (биополимерного), биосовместимого и биоразлагаемого, с высокими потребительскими качествами, быстро поглощающего влагу и растворы, включая солевые, хорошо удерживающего их и при этом сохраняющего форму, эластичного, механически прочного и устойчивого при больших деформациях.

Технический результат способа заключается в увеличении механической прочности и эластичности получаемого биополимерного гидрогеля, повышении его устойчивости при деформации при одновременном обеспечении способности к быстрому поглощению и удерживанию большого объема влаги при одновременном сохранении высоких потребительских качеств за счет формирования основы в виде аэрогеля, представляющего собой высокопористую макромолекулярную конструкцию, обладающую способностью выдерживать большие деформации с сохранением формы.

Указанный технический результат достигают способом получения биополимерного гидрогеля, включающим приготовление водного раствора водорастворимого производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в качестве сшивающего агента, удаление воды из подготовленного раствора и термообработку обезвоженной композиции при температуре до 150°С, инициирующую поперечную сшивку макромолекул производного целлюлозы, в котором, в отличие от известного, готовят раствор, содержащий 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы, выбранного из ряда, включающего гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксибутилцеллюлозу, метилгидроксиэтилцеллюлозу, этилгидроксиэтилцеллюлозу, метилгидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и 0,5-3,0 масс. % поликарбоновой кислоты, представленной щавелевой, лимонной или бутантетракарбоновой кислотой, содержащих, соответственно две, три и четыре карбоксильные группы, при этом воду из раствора перед сшивкой удаляют путем лиофильной (сублимационной) сушки с формированием обезвоженной композиции в виде аэрогеля, термообработку полученного аэрогеля проводят при температуре от 50 до 150°С в течение 1-36 часов с его последующей конверсией в биополимерный гидрогель путем пропитки водой либо водным раствором, используя погружение.

В преимущественном варианте осуществления способа формирующий раствор подвергают лиофильной сушке под вакуумом при остаточном давлении 3-10 мбар и температуре не выше минус 45°С в течение 4 дней.

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят формирующий раствор композиции, содержащей выбранное водорастворимое производное целлюлозы в количестве 1,0-5,0 масс. % и сшивающий агент, представленный поликарбоновой кислотой в количестве 0,5-3,0 масс. %.

Водорастворимое замещенное производное целлюлозы выбирают из ряда, включающего:

гидроксиэтилцеллюлозу,

гидроксипропилцеллюлозу,

гидроксибутилцеллюлозу,

метилгидроксиэтилцеллюлозу,

этилгидроксиэтилцеллюлозу,

метилгидроксипропилцеллюлозу,

карбоксиметилцеллюлозу.

В качестве поликарбоновой кислоты используют щавелевую (этандиовую) НООС-СООН, лимонную (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновую) C₆H₈O₇ либо бутантетракарбоновую кислоту, которые обеспечивают поперечную сшивку макромолекул выбранного производного целлюлозы с формированием трехмерной сетчатой структуры.

Из расчетных количеств упомянутых выше производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в отмеренных объемах деионизированной (деминерализованной) или дистиллированной воды готовят отдельные растворы. После тщательного перемешивания их отставляют для достижения полного растворения введенных компонентов, затем смешивают в необходимом соотношении и снова тщательно перемешивают до гомогенного состояния.

Подготовленный таким образом формирующий раствор, содержащий композицию из 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы и 0,5-3,0 масс. % сшивающего агента, замораживают и удаляют из него воду в режиме вакуумно-сублимационной сушки с помощью лиофильной сушилки.

Лиофильная сушка, иными словами, удаление влаги вымораживанием (сублимацией) в вакууме, представляет собой сложный многоступенчатый процесс. На первом этапе проводится замораживание раствора, которое приводит к образованию микрокристалликов льда в объеме материала. На следующем этапе камеру с замороженным раствором вакуумируют. Вода при этом испаряется без плавления образовавшихся микрокристалликов льда, которые сублимируют, оставляя в материале вместо себя взаимосвязанные поры и промежутки, что способствует сохранению обрабатываемым материалом исходной формы и структуры, позволяет избежать усадки и уплотнения, происходящих при обычном высушивании. Когда после завершения процесса в камеру лиофильной сушки запускают воздух, он заполняет поры и промежутки, оставшиеся в материале после удаления замерзшей воды, что послужило основанием назвать полученный материал аэрогелем.

Обезвоженный таким образом материал - аэрогель - подвергают термообработке одним из известных способов, например, в термостате или муфельной печи, при температуре 50-150°С в течение 1-36 часов, Термообработка активирует поликарбоновую кислоту, инициируя образование поперечных сшивок между макромолекулами выбранного производного целлюлозы, и таким образом упрочняет сформированную фибриллами сетчатую структуру. В результате проведенной термообработки аэрогель остается без видимых изменений в виде сухой пористой массы с маленькой удельной плотностью, однако, при этом резко возрастает его механическая прочность, причем биополимер теряет способность растворяться в воде.

При погружении аэрогеля в воду она быстро - в считаные минуты -заполняет его поры, поскольку они связаны друг с другом, образуя структуру типа сообщающихся каналов. При этом восстанавливается структура раствора, которая была до проведения лиофильной сушки, но в материале уже находятся не свободные водорастворимые макромолекулы, а сшитые. Поэтому вместо раствора формируется гидрогель. Его свойства, в частности, количество абсорбированной воды (степень набухания) и механическая прочность, определяются степенью сшивки. Увеличение степени сшивки приводит к увеличению механической прочности гидрогеля, но при этом уменьшается набухание, т.е. влагопоглощение.

Получение гидрогеля через стадию аэрогеля, который по объему практически равен объему исходного раствора, является принципиальным отличием от известного способа, в котором раствор высушивают до состояния пленки, а гидрогель получается в результате ее набухания. Полученная известным способом пленка имеет плотную структуру. Она медленно абсорбирует воду, а при таком количестве поликарбоновой кислоты, которое используется для приготовления аэрогеля предлагаемым способом, практически потеряет способность набухать из-за сильно сшитой структуры.

Аэрогели имеют большой объем взаимосвязанных пор, переходящих одна в другую, а поэтому вода заполняет их быстро и без затруднений, даже при большом количестве сшивок. Сшивки необходимы для образования механически прочного каркаса - трехмерной сетчатой структуры из сшитых макромолекул биополимера, обуславливающего получение механически прочного гидрогеля. При такой степени сшивки, которой обладают пленки, полученные известным способом, аэрогель распадется из-за отсутствия необходимой механической прочности.

Предлагаемый способ обеспечивает получение биополимерного гидрогеля с применением только натуральных компонентов, не требует использования молекулярного разделителя для увеличения пористости, а также нерастворителя на этапе сушки либо каких-то других дополнительных реактивов, способных внести в получаемый материал нежелательный элемент (примесь), что могло бы отрицательно сказаться на таких его свойствах, как биосовместимость и биоразлагаемость, либо ухудшить его потребительские свойства. В качестве предпочтительного полярного растворителя используется только вода.

Помимо всего прочего, в производстве гидрогеля предлагаемым способом отсутствуют какие-либо экологически небезопасные сточные промывные воды и токсичные побочные продукты переработки.

Экспериментальная проверка показала осуществимость предлагаемого способа с достижением технического результата во всем заявляемом интервале значений для всех его параметров, однако при выборе параметров надо учитывать их взаимозависимость, например, тот факт, что время термообработки, необходимое для сшивки, зависит от температуры сшивки и от концентрации поликарбоновой кислоты.

Примеры конкретного осуществления способа

Было протестировано поведение образцов биополимерного гидрогеля, полученных предлагаемым способом, проверена их сорбционная емкость по воде и солевым растворам, изучены упругие свойства и механическая прочность в режиме сдавливания в сравнении с данными для образцов, полученных при том или ином нарушении условий предлагаемого способа.

Результаты тестирования наглядно представлены в графическом приложении, где на фиг. 1 показана зависимость сжимающего напряжения от деформации образца гидрогеля. Кривые 1 и 2 относятся, соответственно, к первому и повторному сдавливанию, а кривая 3 - к снятию нагрузки после первого сдавливания. Прямая пунктирная линия является касательной к начальному линейному участку кривой 1. Она служит для нахождения модуля Юнга из тангенса угла ее наклона.

На фиг. 2 представлены последовательные фотографии образца аэрогеля, помещенного на поверхность с разлитой водой. Под снимками указано время, отсчитываемое с момента начала его контакта с водой.

На фиг. 3 показаны степени набухания аэрогеля в воде, в 0,9% растворе хлорида натрия, растворе Рингера (физиологическом растворе) и желчи. Два последних раствора для проведения тестирования приобретены в аптеке.

На фиг. 4 представлены последовательные фотографии полученного гидрогеля: 1) до сдавливания, 2) сдавленного на 80% и 3) после сдавливания.

На фиг. 5 представлены микрофотографии образца полученного аэрогеля в вертикальном сечении, полученные на сканирующем электронном микроскопе при увеличении в 150 и 1500 раз.

На фиг. 6 показаны зависимости значения модуля Юнга от содержания в формирующем растворе лимонной кислоты для аэрогелей, сформированных при двух разных содержаниях гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ): кривая 1 соответствует 2 масс. % ГЭЦ и кривая 2-5 масс. % ГЭЦ.

На фиг. 7 показаны соответствующие кривые зависимости значения модуля Юнга от содержания в формирующем растворе лимонной кислоты для гидрогелей, полученных из указанных выше аэрогелей.

Пример 1

Приготовили раствор: 1,0 г гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ) залили 24,0 мл деионизированной воды и оставили для перемешивания на магнитной мешалке на сутки до полного растворения. Параллельно готовили второй раствор: 1,0 г лимонной кислоты растворили в 24,0 мл деионизированной воды и также перемешивали на магнитной мешалке в течение суток. Оба раствора слили вместе и перемешивали на магнитной мешалке еще в течение 1 часа при комнатной температуре. Получили 50 мл раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты.

Приготовленный раствор поместили в силиконовую ванночку с внутренними размерами 65×80×20 мм³ и перенесли в камеру лиофильной сушки для заморозки при минус 50°С. После заморозки камеру вакуумировали до остаточного давления 10^-3 мбар и выдерживали под вакуумом в течение 4 суток. За это время выкристаллизовавшаяся вода полностью сублимировала. В ванночке осталась сухая белая пористая масса объемом 65×80×9,5 мм³, представляющая собой аэрогель.

Полученный аэрогель, не вынимая из ванночки, переместили в термостат с температурой 80°С и выдержали при этой температуре в течение 24 часов. После проведенной термообработки аэрогель внешне не изменился; он по-прежнему имел вид сухой белой пористой массы размерами 65×80×9,2 мм³ с плотностью 0,093 г/см³.

После термообработки аэрогель поместили в емкость с водой. Быстро впитывая воду, аэрогель увеличился в размерах на 20-30%, погрузился в воду и через 2-3 минуты опустился на дно. Распада и растворения при этом не наблюдалось. Его сорбционная емкость по воде составила чуть более 1600% (фиг. 3).

Результаты механических испытаний аэрогеля в режиме сдавливания образца, находящегося между двумя параллельными пластинами, приведены на фиг. 1. Модуль Юнга, определенный из тангенса угла наклона касательной (пунктирная линия) на начальном линейном участке, составил 0,42 МПа. Показаны первое сдавливание до 80% (кривая 1), снятие нагрузки (кривая 3) и второе сдавливание (кривая 2), которое начиналось с того же исходного положения, что и первое сдавливание.

При таком проведении тестирования контакт пластины образца, показанный вертикальной стрелкой, позволяет определить степень его восстановления после первой деформации.

Сдавливание массива аэрогеля даже на 90% от исходной начальной толщины не привело к его разрушению, растрескиванию, расщеплению или отделению от него частей. Благодаря внутренней сетчатой структуре, образованной фибриллами, он оставался монолитным, но после снятия нагрузки восстанавливался не полностью, а частично. Как видно из кривой 2 (фиг. 1), восстановление его толщины после повторного сжатия составило примерно 75% от ее первоначального значения.

На фиг. 2 представлены последовательные фотографии образца изготовленного аэрогеля, помещенного на поверхность, залитую водой. Под каждым снимком указано время, отсчитываемое с момента начала контакта аэрогеля с водой. Из сопоставления начального и конечного снимков видно, что за несколько секунд аэрогель впитал примерно половину находящейся на поверхности воды, которая полностью заполнила все поры у него внутри.

На фиг. 3 показана степень поглощения аэрогелем 0,9% раствора хлорида натрия, физиологического раствора (раствора Рингера) и желчи. Как видно, степень поглощения во всех случаях получилась приблизительно одинаковой. Это означает, что содержание солей и органических веществ биологического происхождения не оказывает заметного влияния на впитывание аэрогелем растворов и формирование гидрогелей.

Испытание гидрогеля, сформированного путем пропитки водой описанного выше аэрогеля, показало, что при заполнении всего его внутреннего объема водой упомянутый гидрогель допускал сдавливание на 90-95% (до тонкой пленки), при этом практически вся вода выдавливалась из пор, но разрушения гидрогеля не наблюдалось. Непосредственно после прекращения сдавливания гидрогель немедленно возвращался в исходное состояние, поглощая назад выжатую из него воду, с сохранением формы, геометрических размеров и способности впитывать и отдавать влагу.

Приведенный на фиг. 4 ряд последовательных фотографий с изображением полученного гидрогеля: 1) до сдавливания, 2) сдавленного на 80% и 3) после сдавливания (после снятия нагрузки) является показательным для поведения как гидрогеля, так и аэрогеля, с той лишь разницей, что для последнего при снятии нагрузки восстановление происходит частично, а не на 100%.

Модуль Юнга полученного гидрогеля составил 0,028 МПа (у аэрогеля 0,42 МПа). В отличие от соответствующего ему исходного аэрогеля, гидрогель является высокоэластичным материалом. Хотя прочность гидрогеля несколько уменьшилась по сравнению с исходным аэрогелем, его потребительские качества, напротив улучшились: появились высокая эластичность и полное восстановление формы после сдавливания.

Гидрогель фактически представляет собой высокоэластичную губку, внутренний объем которой, как видно из СЭМ-снимков (фиг. 5), имеет оставленную аэрогелем сетчатую структуру, образованную фибриллами. За счет связанных между собой пор размером от десятков до сотен микрон вода легко и быстро впитывается внутрь гидрогеля без существенных гидродинамических ограничений потокам, полностью заполняя весь его объем за короткое время, причем поглощение осуществляется с его поверхности (фиг. 2). Это предполагает возможность его успешного использования в качестве осушающего материала, например, вместо применяемых в быту полимерных губок, недостаточно хорошо впитывающих воду из-за пониженной гидрофильности, в особенности, в сухом состоянии, а также в виде гигиенических повязок или медицинских пластырей, так как они хорошо впитывают и физиологические растворы.

Полученный гидрогель является достаточно стабильным: на всем протяжении тестирования, которое было ограничено двумя неделями, он оставался практически без изменений.

Пример 2 (для сравнения - без стадии аэрогеля)

По примеру 1 приготовили 50 мл формирующего раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты.

Приготовленный раствор вылили в полипропиленовый поддон и выдержали при 40°С в течение 48 часов для испарения воды. После ее удаления получили тонкую пленку толщиной менее 1 мм, которую подвергли термообработке в условиях примера 1, инициируя сшивку. После этого обработанную пленку погрузили в емкость с водой. Через сутки нахождения в воде, в течение которых видимых изменений пленки не наблюдалось, пленка впитала небольшое количество воды, при этом ее геометрические размеры увеличились приблизительно на 30%. Пленка оставалась оптически прозрачной и механически прочной, не распадалась, но перехода в гидрогелевое состояние в течение 3 дней наблюдений не произошло. Через сутки пленка перестала впитывать воду, что свидетельствует о ее ограниченном влагопоглощении.

Пример 3 (для сравнения - без термообработки, инициирующей сшивку) По примеру 1 приготовили 50 мл формирующего раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты. Приготовленный раствор поместили в силиконовую ванночку с внутренними размерами 65×80×20 мм³ и подвергли обработке в камере лиофильной сушки в условиях примера 1. После впуска в камеру воздуха извлекли полученную белую сухую пористую массу объемом 65×80×9,1 мм³, представляющую собой аэрогель, которую поместили в химический стакан и залили водой. Аэрогель быстро впитал воду и через несколько минут, после набухания, стал распадаться на части, которые постепенно растворялись. Спустя 1,5 часа аэрогель в стакане отсутствовал, но в объеме воды можно было видеть отдельные прозрачные кусочки, которые полностью растворились примерно через 8 часов. Пример 4

Для приготовления формирующего раствора брали 1,0 г гидроксипропилцеллюлозы (ГКПЦ) на 49,0 мл деионизированной воды и 0,5 г лимонной кислоты также на 49,5 мл деионизированной воды. Дальнейшее перемешивание и смешивание растворов проводили по примеру 1 с получением 100 мл раствора, содержащего 1 масс. % ГКПЦ и 0,5 масс. % лимонной кислоты. После лиофильной сушки с вымораживанием подготовленного раствора в условиях примера 1 обезвоженную композицию поместили в термостат. В результате выдержки при 150°С в течение 1 часа получили аэрогель в виде сухой белой пористой массы, аналогичной по виду полученной по примеру 1. Для получения гидрогеля аэрогель погрузили в емкость с водой.

Результаты тестирования аэрогеля и гидрогеля аналогичны результатам, полученным для образцов, изготовленных по примеру 1, за исключением некоторых отличий, выявленных в механических свойствах после испытаний в режиме сдавливания. Различие объясняется тем, что с уменьшением содержания сшивающего агента (лимонной кислоты) в формирующем растворе снижается механическая прочность как аэрогелей, так и гидрогелей.

Графики зависимости механических свойств (модуля Юнга) аэрогелей и полученных из них гидрогелей от концентрации сшивающего агента в формирующем растворе приведены на фиг. 6 (для аэрогелей) и 7 (для гидрогелей). Модуль Юнга для аэрогеля составил 0,17 МПа, для гидрогеля - 0. 007 МПа. Упругие свойства (результаты тестирования на сжатие до 80%) гидрогеля аналогичны свойствам гидрогеля, полученного по примеру 1.

Пример 5

Готовили 100 мл формирующего раствора, содержащего 1 масс. % гидроксибутилцеллюлозы (ГКБЦ) и 3 масс. % бутантетракарбоновой кислоты, путем смешения 1,0 г ГКБЦ, растворенной в 49 мл деионизированной воды, и 3,0 г бутантетракарбоновой кислоты, растворенной в 47 мл деионизированной воды. Обезвоженную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1 композицию выдерживали при 50°С в течение 36 часов с получением аэрогеля, по виду практически не отличающегося от образцов, изготовленных по примеру 1. Некоторое различие в свойствах, как показали механические испытания, объясняется увеличением содержания сшивающего агента в формирующем растворе, которое обеспечивает повышение механической прочности аэрогелей и, соответственно, гидрогелей (кривые 1 на графиках, приведенных на фиг. 6 и 7).

Экспериментально полученные результаты свидетельствуют о том, что повышению прочности аэрогелей и, соответственно, гидрогелей, получаемых предлагаемым способом, способствует также увеличение, в пределах заявляемого интервала, содержания замещенного производного целлюлозы, что, в совокупности с влиянием на этот показатель содержания поликарбоновой кислоты, дает возможность в определенной степени регулировать свойства получаемых гидрогелей.

Анализ графиков, приведенных на фиг. 6 и 7, показывает, что модуль Юнга на начальном участке экспоненциально возрастает с увеличением содержания поликарбоновой кислоты в формирующем растворе. С дальнейшим ростом ее содержания значение модуля Юнга увеличивается в заметно меньшей степени, чем ожидается из экспоненциальной зависимости, продолжение которой показано пунктиром. Верхний предел содержания поликарбоновой кислоты 3 масс. %, установленный тестированием, определяется ограниченным количеством сшивающего агента, которое может быть вовлечено в реакцию сшивки. Превышение этого количества приводит только к ухудшению потребительских характеристик продукта и его удорожанию. Гидрогель, полученный при содержании в формирующем растворе свыше 3 масс. % поликарбоновой кислоты, на ощупь оказался липким, при этом погружение его в воду выявило наличие потоков, указывающих на вымывание излишков упомянутой кислоты, не вовлеченной в реакцию сшивки. Пример 6

По образцу одного из примеров 1, 4 или 5 готовили 100 мл формирующего раствора, содержащего 5,0 масс. % этилгидроксиэтилцеллюлозы (ЭГЭЦ) и 0,5 масс. % щавелевой кислоты путем смешения 5,0 г ЭГЭЦ, растворенной в 45 мл деионизированной воды, и 1,0 г щавелевой кислоты, растворенной в 49 мл деионизированной воды. Обезвоженную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1 композицию выдерживали при 100°С в течение 18 часов с получением прочного аэрогеля. Полученный из него гидрогель обнаруживает сорбционные и механические свойства, аналогичные свойствам образца гидрогеля, полученного по примеру 1. Уменьшение содержания сшивающего агента, по всей видимости, компенсируется некоторым увеличением концентрации ЭГЭЦ. При этом механическая прочность гидрогеля не снижается.

Пример 7

50 мл раствора метилгидроксиэтилцеллюлозы (МГЭЦ) и 50 мл раствора лимонной кислоты приготовили в дистиллированной воде, смешали и получили 100 мл формирующего раствора, содержащего 3 масс. % МГЭЦ и 1 масс. % поликарбоновой кислоты. Пористую белую массу, приготовленную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1, представляющую собой аэрогель, поместили в термостат с температурой 120°С, в котором ее выдержали в течение 3 часов. Полученный аэрогель внешне и по свойствам практически не отличался от образцов, изготовленных по примерам 1, 5 и 6. При погружении в воду он также быстро ее впитал, сформировав механически прочный и высокоэластичный гидрогель.

Пример 8

Взяв 4 г метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) и 1 г бутантетракарбоновой кислоты, поместили их в коническую колбу с 95 мл деионизированной воды и перемешивали на магнитной мешалке в течение суток для полного растворения веществ. Обезвоживание полученного раствора, содержащего 4 масс. % МГПЦ и 1 масс. % поликарбоновой кислоты, в лиофильной сушилке и термическую обработку в сушильном шкафу проводили по примеру 1, за исключением температурного режима (90°С) и продолжительности (20 часов). В результате проведенной обработки получили аналогичного вида аэрогель, как в примерах 1 и 4-7, погружение которого в воду и ее быстрое впитывание привело к формированию устойчивого, механически прочного и высокоэластичного гидрогеля. Пример 9.

Приготовление формирующего раствора проводили по примеру 1, взяв 5 г карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и 3 г лимонной кислоты, которые растворили, соответственно, в 45 и 47 мл деионизированной воды, а затем их смешением получили 100 г раствора, содержащего 5 масс. % КМЦ и 3 масс. % поликарбоновой кислоты. Подготовленный раствор поместили в лиофильную сушилку, из камеры которой после лиофилизации достали обезвоженную массу и перенесли ее в термостат с температурой 100°С. Термическая обработка в течение 12 часов не привела к заметным изменениям - аэрогель, как и в примере 1, имел вид сухой белой пористой массы. Он также быстро впитывал воду, формируя механически прочный и высокоэластичный гидрогель. Некоторые отличия наблюдались в степени набухания, которая была на 10-20% больше, чем в примере 1, что может объясняться большим количеством карбоксильных групп в КМЦ, сохранившихся в материале после проведения сшивки.

Изобретение относится к получению гидрогелей из поперечно-сшитых гидрофильных биополимеров, способных быстро поглощать количество воды, превышающее их сухую массу более чем в 10 раз, и оставаясь при этом механически прочными и эластичными, сохранять и восстанавливать свою форму после сдавливании вплоть до 90%. Они могут найти применение в промышленности, сельском хозяйстве, садоводстве, быту, в косметике и медицине, при изготовлении упаковочных материалов, изделий личной гигиены и домашнего обихода, а также медицинских и гигиенических повязок, пластырей и ранозаживляющих покрытий в качестве материалов, абсорбирующих воду и растворы, а также материалов, контролируемо высвобождающих воду, питательные, ароматические, биологически-активные и лекарственные вещества. Способ предусматривает получения биополимерного гидрогеля, включающий приготовление водного раствора водорастворимого производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в качестве сшивающего агента, удаление воды из подготовленного раствора и термообработку обезвоженной композиции при температуре до 150°С, инициирующую поперечную сшивку макромолекул производного целлюлозы, отличающийся тем, что готовят раствор, содержащий 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы, выбранного из ряда, включающего гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксибутилцеллюлозу, метилгидроксиэтилцеллюлозу, этилгидроксиэтил-целлюлозу, метилгидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и 0,5-3,0 масс. % поликарбоновой кислоты, представленной лимонной, щавелевой либо бутантетракарбоновой кислотой. При этом воду из раствора перед сшивкой удаляют путем сублимационной сушки с формированием обезвоженной композиции в виде аэрогеля. Термообработку полученного аэрогеля проводят при температуре от 50 до 150°С в течение 1-36 часов с его последующей конверсией в биополимерный гидрогель путем пропитки водой либо водным раствором, используя погружение. Технический результат - увеличение механической прочности и эластичности получаемого биополимерного гидрогеля, повышение его устойчивости при деформации при одновременном обеспечении способности к быстрому поглощению и удерживанию большого объема влаги и сохранении высоких потребительских качеств за счет формирования основы в виде высокопористой макромолекулярной конструкции, обладающей способностью выдерживать большие деформации. 1 з.п. ф-лы, 9 пр., 7 ил.

1. Способ получения биополимерного гидрогеля, включающий приготовление водного раствора водорастворимого производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в качестве сшивающего агента, удаление воды из подготовленного раствора и термообработку обезвоженной композиции при температуре до 150°С, инициирующую поперечную сшивку макромолекул производного целлюлозы, отличающийся тем, что готовят раствор, содержащий 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы, выбранного из ряда, включающего гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксибутилцеллюлозу, метилгидроксиэтилцеллюлозу, этилгидроксиэтил-целлюлозу, метилгидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и 0,5-3,0 масс. % поликарбоновой кислоты, представленной лимонной, щавелевой либо бутантетракарбоновой кислотой, при этом воду из раствора перед сшивкой удаляют путем сублимационной сушки с формированием обезвоженной композиции в виде аэрогеля, термообработку полученного аэрогеля проводят при температуре от 50 до 150°С в течение 1-36 часов с его последующей конверсией в биополимерный гидрогель путем пропитки водой либо водным раствором, используя погружение.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирующий раствор подвергают сублимационной сушке под вакуумом при остаточном давлении 3-10 мбар и температуре не выше минус 45°С в течение 4 дней.