Антисептический полимерный композиционный материал конструкционного назначения с заданным комплексом механических свойств Российский патент 2023 года по МПК A61K9/70 C08K3/105 C08K3/20 C08K5/53 C08L67/04 A61P31/00 

Изобретение относится к области конструкционных полимерных композиционных материалов с заданным комплексом и функциональных свойств, предназначенных для изготовления деталей, к которым предъявляются требования по антисептической активности, в том числе к деталям медико-биологических и медицинских приборов.

Одной из актуальных проблем современных медицинских и биологических приборов и устройств является необходимость наличия антисептических свойств и материалов конструкционного назначения с заданным комплексом механических свойств.

Традиционные конструкционные полимеры не обладают значимой антисептической активностью, в связи с чем для достижения указанных свойств в их состав вводят различные добавки. В настоящее время в качестве антисептических агентов могут выступать различные вещества как органической, так и неорганической природы. Причем использование антисептических агентов той или иной природы в медицине и фармации ограничено их безопасностью и стойкостью к условиям переработки композиционного материала. В этом отношении более предпочтительны неорганические соединения, например антисептическими свойствами обладают многие металлы и их соединения. Эти соединения, как правило, устойчивы к термическому воздействию при переработке в изделия традиционными методами переработки термопластов.

Перспективным материалом для матрицы конструкционных материалов является полилактид (ПЛА). ПЛА - является биоразлагаемым, биосовместимым, термопластичным алифатическим полиэфиром, структурная единица которого - молочная кислота. Природное сырье в составе PLA-пластика позволяет без угрозы для здоровья человека применять его для различных целей, включая антисептические материалы.

Известна водонепроницаемая и антибактериальная упаковочная пленка, которая содержит полиэтилен низкой плотности, полимолочную кислоту, модифицированные бамбуковые волокна, олеиновую кислоту, альгинат и антибактериальный агент, включающий фосфат циркония, цеолит, оксид меди, оксид серебра, карбонат кальция, наноразмерный диоксид титана и другие компоненты [1].

Недостаткам такого материала является сложный многокомпонентный состав, включающий в качестве полимерной основы, наряду с полилактидом, 100-110 весовых частей полиэтилена низкой плотности, на разрушение которого в природных условиях требуется не менее 80-100 лет.

Известно изобретение, относящееся к антимикробным агентам, обладающим антибактериальной активностью в отношении тест-культур грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов, которые представляют собой наночастицы меди и наночастицы оксида меди. Наночастицы оксидов меди имеют размер 33,8-103 нм и содержат 67-96% меди и 4-33% CuO. Наночастицы оксида меди имеют размеры 77-124 нм и содержат 3,3-23% кристаллической меди, 27,1-90% CuO и 9,05-69,5% Cu₂O. Изобретение обеспечивает получение антимикробных агентов, которые при введении в состав нетканого льняного полотна обеспечивают его антибактериальные и сохраняют его эстетические и эксплуатационные свойства [2].

Недостатком таких композитов является высокое содержание антибактериальных компонентов, что обуславливает существенное снижение механических свойств, затрудняет переработку и повышает стоимость изделий. Другим недостатком является то, что использование нетканого льняного полотна ограничивает функциональные возможности, а именно ограничивает формы и размеры материалов для медицинского назначения, исключая возможности формования высокопроизводительными методами литья под давлением и экструзии. Так для расширения форм, размеров требуется очень затратная подготовка производства.

В изобретении [3], предложен бактерицидный ультраволокнистый биополимерный нетканый материал на основе ПГБ, полилактида или их смеси с добавкой комплексов марганца(III) с тетрафенилпорфирином.

Известен биоразлагаемый пленочный материал из полилактида, содержащий в качестве антибактериальной добавки комплекс хлорида марганца (III) с тетрафенилпорфирином [4].

Общим недостатком материалов, описанных выше аналогов, является относительно невысокая антибактериальная активность металлопорфириновых комплексов в структуре полимерной матрицы.

Наиболее близким по технической сущности является бактерицидный полимерный композиционный материал на основе полилактида, включающий в качестве антибактериального агента производное тетрафенилпорфирина представляет собой 5,10,15,20-тетракис(4-н-гексилоксифенил) порфирин [5], являющийся прототипом для заявленного изобретения. Используемый в композите [5] в качестве основы композита полилактида является признаком, общим с признаками изобретения.

Недостатком прототипа являются высокая хрупкость (малые относительные удлинения) и невысокий бактерицидный эффект.

Целью настоящего изобретения является обеспечение высокого антисептического и увеличение относительного удлинения (уменьшение хрупкости) изделий, получаемых по технологии экструзии или 3D печати для медицинских изделий.

В предлагаемом изобретении решается задача увеличения антисептического эффекта в сочетании с повышением комплекса механических свойств, а именно разрушающее напряжение при растяжении относительное удлинение при разрыве полимерных изделий.

Для достижения технического результата антисептический полимерный композиционный материал конструкционного назначения с заданным комплексом механических свойств, состоящий из полилактида (ПЛА), отличающийся тем, что в качестве модификаторов механических свойств используют поликапролактон (ПКЛ) в количестве от 10 до 20% масс.и полиэтиленгликоль (ПЭГ-400) в количестве 5% масс.; в качестве антисептической добавки используют сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс., и сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс.с добавлением наночастиц оксидов меди в количестве от 0,05 до 1% масс.

Применение добавки в разных концентрациях позволяет получать композиты с разной степенью антисептического эффекта и различными механическими свойствами в зависимости от назначения получаемых изделий. Существенным преимуществом заявляемого изобретения является то, что для получения материала с выраженными антисептическим свойствами не требуются применять высокие концентрации антисептических добавок. Так как повышенная концентрация антисептических добавок снижает механические свойства композита, а именно (прочность). Благодаря высокой термостойкости используемых добавок изготовление медицинских изделий возможно традиционными методами переработки термопластов (литье под давлением, экструзия, горячее прессование).

Примеры реализации изобретения.

Пример 1. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (84,5 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (0,5 масс.%) Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10-15 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 2. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (84 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 3. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (75 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (10 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 4. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (70 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (15 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 5. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (83,95 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%), CuO/Cu₂O (0,05 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут.Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 6. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (83,99 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%), CuO/Cu₂O (0,1 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 7. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (83,5 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%), CuO/Cu₂O (0,5 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 8. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (73,5 масс.%), ПКЛ (20 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%), CuO/Cu₂O (0,5 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Пример 9. Композит содержит компоненты в следующем соотношении: ПЛА (83 масс.%), ПКЛ (10 масс.%), ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO4 (1 масс.%), CuO/Cu₂O (1 масс.%). Совмещение компонентов осуществляют при 190-200°С в поле действия высоких сдвиговых напряжений, реализуемых при смешении на вальцах в течение 10 минут. Технический эффект проиллюстрирован с таблицей 1.

Таблица 1 - Характеристики реализации изобретения Пример композиции Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Антисептический эффект (ширина зоны лизиса), мм Примечание Прототип
Патент RU №2752860 41,0 4,5 0,5 Пример 1
ПЛА (84,5 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (0,5 масс.%) 50,0 10,0 0,0 Недостаточный Антисептический эффект Пример 2
ПЛА (84 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%) 46,0 7,0 0,5 Удовлетворяет всем требованиям настоящего изобретения Пример 3
ПЛА (75 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (10 масс.%) 41,5 4,5 0,7 Удовлетворяет всем требованиям настоящего изобретения Пример 4
ПЛА (70 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (15 масс.%) 28,0 3,0 0,8 Низкие показатели механических свойств Пример 5
ПЛА (83,95 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%),
CuO/Cu₂O (0,05 масс.%). 45,0 6,5 0,8 Антисептический эффект соответствует составу, представленному в Примере 2, при этом механические свойства ниже Пример 6
ПЛА (83,99 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%),
CuO/Cu₂O (0,1 масс.%). 44,0 6,0 1,0 Высокий антисептический эффект соответствует составу, показатели механических свойств выше известных аналогов Пример 7
ПЛА (83,5 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%),
CuO/Cu₂O (0,5 масс.%). 43,0 4,7 2,0 Высокий антисептический эффект соответствует составу, показатели механических свойств выше известных аналогов Пример 8
ПЛА (73,5 масс.%),
ПКЛ (20 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%),
CuO/Cu₂O (0,5 масс.%). 42,0 15,0 2,0 Высокий антисептический эффект соответствует составу, показатели механических свойств выше известных аналогов Пример 9
ПЛА (83,0 масс.%),
ПКЛ (10 масс.%),
ПЭГ-400 (5 масс.%), CuSO₄ (1 масс.%),
CuO/Cu₂O (1,0 масс.%). 18,0 2,5 1,5 Низкие показатели механических свойств

ПЭГ-400 добавляли в качестве поверхностно активного вещества (для улучшения диспергирования антисептической добавки CuSO₄ и CuO/Cu₂O). Дополнительно ПЭГ-400 оказывал пластифицирующий эффект, улучшая перерабатываемость наполненного материала методом экструзии. Концентрация 5 масс.% - максимальная концентрация ПЭГ-400, которая обеспечивает удовлетворительные диспергирующий и пластифицирующий эффекты и не препятствует переработке методом экструзии.

Поликапролактон (ПЛК) был добавлен в концентрациях 10-20 масс.% для того, чтобы увеличить относительное удлинение композиционных материалов на основе ПЛА, наполненного дисперсными частицами и уменьшить хрупкость (увеличение ударных механических свойств) материала. Величина концентрации 10-20 масс.% обеспечивает высокий уровень вышеназванных параметров, не снижая при этом показатель прочности при разрыве.

Испытания по определению деформационно-прочностных свойств пленочных образцов при растяжении проводили на разрывной Devotrans DVT GP UG 5 (Турция) в соответствии со стандартами BS EN ISO 527-1 и BS EN ISO 527-3. Принцип ее работы состоит в растяжении пленочного образца, нижний конец которого через зажим связан с силоизмерителем. Верхний конец образца (закрепленный в зажиме) смещается вверх с постоянной скоростью (скорость растяжения составляла 100 мм/мин), ограниченной стандартом испытаний. Образец деформируется, и усилие, развиваемое при деформации, измеряется силоизмерителем.

Подготовка образцов: Образцы вырубались на пневматический вырубной пресс GT-7016-AR. GOTECH testing Machines Inc. согласно BS EN ISO 527-3:1996 (тип 1B). Рабочая длина составляла 40 мм. Количество исследуемых образцов для каждого вида композита составляло 7. Экстремальные значения были исключены из результатов.

Для измерения толщины образца с точностью до 0,01 мм применяется толщиномер с измерительным органом на основе индикатора часового типа.

Перед испытанием проверяют исправность разрывной машины, скорость движения верхнего зажима, точность установки. Образец закрепляют в зажимах строго по меткам так, чтобы ось образца совпадала с направлением растяжения.

Обработку результатов. На основе экспериментальных данных рассчитывают следующие показатели.

Относительное удлинение при разрыве, рассчитывается по формуле:

где l_o - расстояние между держателями,

Δl - приращение расчетной длины в момент разрыва, мм.

Прочность при разрыве определяется следующим образом:

где Р - нагрузка, при которой происходит разрушение образца,

b - ширина образца в узкой части (м),

h - толщина образца в узкой части.

Антисептическую активность образцов изучали стандартным методом с использованием штаммов кишечной палочки, Candida Guilliermondii и золотистого стафилококка. Зона лизиса рассматривалась как маркер антимикробной активности. Чашки Петри были засеяны стандартизированным инокулятом тестируемых микроорганизмов. Образцы были помещены в чашки Петри. Штамм выращивали при 37°C и оставляли с образцами, в течение 24 часов.

Таким образом, наибольшей антисептической активностью обладают добавки CuSO₄ 0,5%, 1%, 5%, 10%, микросферы CuO/Cu₂O, 0,1%, 0,5%, 1%, порошки Cu₂O/Cu, 0,1%, 0,5%, 1%, что обеспечивает длительность антисептического эффекта при сохранении высоких механических свойств изделий, получаемых по технологии экструзии или 3D печати и низких концентрации антисептических добавок.

Источники информации:

1. Патент CN №111138748.

2. Патент RU №2446819.

3. Патент RU № RU 2681319.

4. Ю.В. Тертышная, А.В. Лобанов, А.В. Хватов «Морфология и антибактериальные свойства композитов на основе полилактида и комплекса марганца(III) с тетрафенилпорфирином» [Химическая физика, 2020, том 39, №11, с. 52-57].

5. Патент RU №2752860 - прототип.

Настоящее изобретение относится к антисептическому полимерному композиционному материалу конструкционного назначения, состоящему из полилактида (ПЛА) в количестве 70% масс., 73,5% масс., 75% масс., 83% масс., 83,5% масс., 83,95% масс., 83,99% масс. или 84% масс., характеризующемуся тем, что в качестве модификаторов механических свойств используют поликапролактон (ПКЛ) в количестве от 10 до 20% масс. и полиэтиленгликоль (ПЭГ-400) в количестве 5% масс.; в качестве антисептической добавки используют сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс. или сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс. с добавлением наночастиц оксидов меди в количестве от 0,05 до 1% масс. Настоящее изобретение обеспечивает увеличение антисептического эффекта в сочетании с повышением комплекса механических свойств, таких как разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве полимерных изделий. 1 табл., 9 пр.

Антисептический полимерный композиционный материал конструкционного назначения, состоящий из полилактида (ПЛА) в количестве 70% масс., 73,5% масс., 75% масс., 83% масс., 83,5% масс., 83,95% масс., 83,99% масс. или 84% масс., характеризующийся тем, что в качестве модификаторов механических свойств используют поликапролактон (ПКЛ) в количестве от 10 до 20% масс. и полиэтиленгликоль (ПЭГ-400) в количестве 5% масс.; в качестве антисептической добавки используют сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс. или сульфат меди в количестве от 0,5 до 15% масс. с добавлением наночастиц оксидов меди в количестве от 0,05 до 1% масс.