Способ получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров Российский патент 2023 года по МПК C08J3/09 C08L5/08 C08L67/04 A61L15/28 

Предлагаемое изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, точнее к термопластичным биосовместимым биодеградируемым смесевым композициям хитозана с полиэфирами и, в зависимости от соотношений компонентов, обладающих различным временем биодеградации и механическими свойствами, и к технологии их получения.

Изобретение может найти применение в медицине, ветеринарии, фармакологии, биотехнологии, пищевой промышленности. Заявляемые биосовместимые биодеградируемые композиционные материалы предназначены для использования в изделиях медико-биологического назначения, например, для регенерации поврежденных тканей, как твердых, так и мягких.

Поликатионный полисахарид хитозан, продукт деацетилирования хитина, представляет собой биосовместимый и биоразлагаемый полимер. Хитозан может использоваться в различных формах, таких как пленки, гидрогели, трехмерные пористые структуры, нановолокна, но для формирования данных структур хитозан предварительно растворяют в слабых растворах кислот, в результате чего, хитозан переходит в солевую форму. Несмотря на ряд своих положительных свойств, хитозан обладает низкими механическими свойствами и сложностью формования изделий из него. Одним из вариантов решения данных проблем, является совмещение хитозана с биоразлагаемыми полиэфирами, такими как полилактид (ПЛА) и поликапролактон (ПКЛ). Данные полимеры уже зарекомендовали себя в биомедицине, а также легко формуются, что позволяет использовать их в аддитивных технологиях. Однако продуктами ферментативного разложения данных полиэфиров, являются молочная кислота (для ПЛА) и капроновая кислота (для ПКЛ), что может приводить к локальному закислению тканей и как следствие воспалению.

В последние годы был разработан достаточно широкий спектр материалов и изделий медико-биологического назначения на основе хитозана и биоразлагаемых полиэфиров. Однако встает проблема плохой совместимости этих двух различных типов полимеров: гидрофильного хитозана и гидрофобных полиэфиров. Таким образом, физико-механические свойства композиций являются неудовлетворительными.

Известен метод (CN112999426A) получения смесевой композиции на основе хитозана и поликапролактона, основанный на совместном плавлении двух полимеров, однако поскольку хитозан не является термопластичным материалом, его распределение в полимерной смеси неоднородно, и как следствие не достигается полноценный эффект от совмещения полимеров, низкие механические свойства.

Известен способ (Claro, P.I., Neto, A.R., Bibbò, A., Mattoso, L.H., Bastos, M.D., &Marconcini, J.M. (2016). Biodegradable Blends with Potential Use in Packaging: A Comparison of PLA/Chitosan and PLA/Cellulose Acetate Films. JournalofPolymersandtheEnvironment, 24, 363-371.) создания смесей хитозана с полилактидом в двухшнековом экструдере, однако высокий температурный режим (180°C), может приводить к деградации хитозана при смешении полимеров. Авторы отмечают, что полученные пленки не обладают высокими механическими свойствами (максимальный достигнутый предел прочности 40 ± 7 МПа, а максимальное достигнутое удлинение 4.7 ± 0.5%).

Известен способ (Dorati, R., Pisani, S., Maffeis, G., Conti, B., Modena, T., Chiesa, E., Bruni, G., Musazzi, U. M., &Genta, I. (2018). Study on hydrophilicity and degradability of chitosan/polylactide-co-polycaprolactonenanofibre blend electrospun membrane. CarbohydratePolymers, 199, 150-160) электроформование нетканных материалов на основе хитозана с сополимером полилактида и поликапролактона. В данном способе используется суспензия хитозана в растворе сополимера, что не обеспечит равномерное распределение хитозана в структуре материала.

Известен способ (RU2540468C2) получения композиций на основе хитозана и полилактида в виде блок-сополимеров при обработке смеси ультразвуком. Однако при хороших механических свойств, материал не обладает термопластичностью.из-за невозможности ввести большие количества полилактида (максимально 50 мас.% от хитозана)

Наиболее близким к заявляемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является способ (Tylingo, R., Kempa, P., Banach-Kopeć, A., &Mania, S. (2022). Anovel method of creating thermoplastic chitosan blends to produce cell scaffolds by FDM additive manufacturing. CarbohydratePolymers, 280(119028), 119028.) получения термопластичной композиции на основе поликапролактона, поливинилового спирта и хитозана. Композицию получали совмещением хитозана с поливиниловым спиртом, с дальнейшей лиофилизацией, после чего совмещали с поликапролактоном в среде сверхкритического углекислого газа (CO₂ ).

Данный метод является энергозатратным, требует специального оборудования и принципиально важным является, что термопластичность достигается лишь при малом содержании (5 мас.% хитозана в смеси), что не сможет обеспечить материал необходимыми положительными биологическими свойствами, характерными для хитозана. Кроме того в композиции присутствует поливиниловый спирт, который не является ферментативно биодеградируемым.

Способ по прототипу является технически сложным, поскольку требует специализированного оборудования. Кроме этого, способ указанный в прототипе, предполагает получение композиций с использованием поливинилового спирта, поэтому они не являются биосовместимыми и ферментативно биоразлагаемыми.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, - создание эффективного способа получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров с высокими физико-механическими показателями.

Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении, расширении области применения композиции на основе биосовместимых и биодеградируемых полимеров - хитозана и полиэфиров за счет возможности регулирования соотношения компонентов и повышения прочностных свойств композиций.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров, включающем растворение хитозана и полиэфиров в растворителе, получают раствор салицилата хитозана, затем раствор салицилата хитозана в количестве 1-10 мас.%, полилактид или поликапролактон или смесь полилактида с поликапролактоном в соотношении 1:1 в количестве 1-10 мас.% растворяют в диметилсульфоксиде и после их полного растворения смесь сушат от растворителя.

Основой изобретения является получение биосовместимых и биодеградируемых смесевых композиций хитозана с полиэфирами путем растворения их в одном растворителе.

Предлагаемый способ получения композиции осуществляют следующим образом:

В растворе салициловой кислоты в диметилсульфоксиде растворяют хитозан, получают соль хитозана (салицилат хитозана), потом к раствору добавляют при постоянном перемешивании, при комнатной температуре, полилактид и/или поликапролактон. После полного растворения полимеров в диметилсульфоксиде, смесь сушат от растворителя. Полученная композиция характеризуется однородным распределением полимеров в смеси. Однородность доказана методом электронной микроскопии.(фиг. 1-3) и оптической прозрачностью( фиг. 4-6)

Изобретение иллюстрируется нижеследующими примерами получения композиционных материалов на основе хитозана, и/или полилактида с поликапролактоном с различными вариантами соотношений и фиг., на которых изображено:

На фиг.1 - Микроструктура пленки из смеси по примеру 1 (Хитозан 1% + ПЛА 10%);

Фиг.2 - Микроструктура пленки из смеси по примеру 4 (Хитозан 3% + ПЛА 3% + ПКЛ 3%);

Фиг.3 - Микроструктура пленки из смеси по примеру 9 (Хитозан 10% + ПКЛ 1%);

Фиг.4 - Фотография пленки из смеси по примеру 1 (Хитозан 1% + ПЛА 10%);

Фиг.5 - Фотография пленки из смеси по примеру 4 смеси (Хитозан 3% + ПЛА 3% + ПКЛ 3%);

Фиг.6 - Фотография пленки из смеси по примеру 9 (Хитозан 10% + ПКЛ 1%).

Ниже приведены примеры получения композиционных материалов на основе хитозана и/или полилактида с поликапролактоном с различными вариантами соотношений. Данные сведены в таблицу.

Пример 1

Готовят композицию на основе раствора хитозана (1мас.% в 0,5% салициловой кислоте) и полилактида (10 мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде. Из фиг.1 видно, что отсутствуют неоднородные включения, что свидетельствует об однородности пленок на основе смеси полимеров.

Пример 2

Готовят композицию на основе раствора хитозана (1 мас.% в 2% салициловой кислоте) и поликапролактона (10 мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 3

Готовят композицию на основе раствора хитозана (1 мас.% в 1% салициловой кислоте), полилактида (5 мас.%) и поликапролактона (5мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 4

Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 6% салициловой кислоте), полилактида (3мас.%) и поликапролактона (3 мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде. На фиг.2 видно отсутствие неоднородных включений, что свидетельствует об однородности пленки смеси данного состава, а на фиг.5 -прозрачность пленки смеси данного состава.

Пример 5

Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 3% салициловой кислоте), полилактида (1.5мас.%) и поликапролактона (1.5мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 6

Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 3% салициловой кислоте) и полилактида (3 мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 7

Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 6% салициловой кислоте) и поликапролактона (3мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 8

Готовят композицию на основе раствора хитозана (10 мас.% в 6% салициловой кислоте) и полилактида (1мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде.

Пример 9

Готовят композицию на основе раствора хитозана (10 мас.% в 6% салициловой кислоте) и поликапролактона (1мас.%) в общем растворителе - диметилсульфоксиде. На фиг.3 видно отсутствие неоднородных включений, что свидетельствует об однородности пленки смеси данного состава, а на фиг.6 -прозрачность пленки смеси данного состава.

Из полученных составов смесей полимеров готовили пленки, методом полива на тефлоновую подложку. Были исследованы физико-механические свойства пленок на разрывную прочность и деформацию на разрывной машине Roell/Zwick Z005. Испытания проводили при скорости растяжения 10 мм/мин на образцах толщиной 60±5 мкм в виде прямоугольников шириной 15 мм. Результаты представлены в табл.

Таблица Разрывная прочность (σ) и деформация (ε) пленок смесевых композиций Доля хитозана, мас.% Доля ПЛА, мас.% Доля ПКЛ, мас.% σ, МПа ε, % 1 10 0 53.8 ±2.6 33.1 ±1.8 1 0 10 32.3 ±1.5 45.9 ±2.0 1 5 5 45.1± 2.2 43.8±1.6 3 3 3 65.3 ±3.0 30.5 ±1.5 3 1.5 1.5 42.1 ±2.1 12.2 ±1.1 3 3 0 44.9 ±2.3 9.6 ±0.7 3 0 3 37.4 ±1.7 14.4 ±1.2 10 1 0 14.4 ±0.8 1.2 ±0.1 10 0 1 12.7 ±1.1 1.4 ±0.3

Высокие значение деформации, свидетельствуют о термопластичности композиций.

Максимально достигнутая прочность образцов для прототипа составляла 9.32 МПа, а максимально достигнутое удлинение 10.89%. В предлагаемом изобретении максимальное разрушающее напряжение составило 65 МПа, а максимальная деформации 45% .

Уменьшение количества хитозана меньше 1 мас.%, нивелирует положительные свойства (биосовместимость, гипоаллергенность) композиции и может приводить к развитию воспалительных реакций, увеличение количества хитозана более 10 мас.% приводит к низким механическим свойствам и потере термопластичности.

Уменьшение количества поликапролактона меньше 1 мас.% к низким механическим свойствам и потере термопластичности. увеличение количества поликапролактона более 10 мас.% приводит к закислению тканей при ферментативном разложении и возможному развитию воспалительных реакций .

Уменьшение количества полилактида меньше 1 мас.% к низким механическим свойствам и потере термопластичности. увеличение количества полилактида более 10 мас.% приводит к приводит к закислению тканей при ферментативном разложении и возможному развитию воспалительных реакций .

Уменьшение количества салициловой кислоты меньше 0,5 мас.% не обеспечивает растворение хитозана в диметилсульфоксиде, увеличение количества салициловой кислоты более 6.% приводит к тому что, наряду с салицилатом хитозана в растворе будет находиться свободная кислота, что негативно будет сказываться на свойствах

Оптимальные механические свойства композиций реализуются при соотношении полилактид : поликапролактон как 1:1 при количестве полиэфиров 1-10 мас.% .

Образцы пленок являются оптически прозрачными, что ещё раз свидетельствует об однородности композиций.

Смесевые композиции могут быть использованы в виде пленок, нетканых материалов, нитей, а также трехмерных пористых образцов для регенеративной медицины.

Изучены биологические свойства пленок, была исследована цитотоксичность пленок по результатам засева их культурой клеток фибробластов на 24 часа.( (T. Mosmann, Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival:Application to proliferation and cytotoxicity assays, J. Immunol. Methods 65(1) (1983) 55-63).

Результаты исследования показали, что все пленки не являются цитотоксичными.

Биодеградацию изучали в фосфатном буфере при pH=7.4 (A.S. Baikin et al 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 525 012100). Наименьшая скорость биоразложения наблюдается для смесевой композиции, сформированной из раствора содержащего 1% хитозана и 10% поликапролактона. Таким образом, варьируя состав полимерной композиции, можно управлять временем биодеградации.

Предлагаемый способ обеспечивает совмещение полимерных компонентов в любом их соотношении, что позволяет варьировать свойства композиций в зависимости от области применения. По сравнению с прототипом предлагаемый способ не требует специализированного оборудования, при этом получаемые композиции являются термопластичными биосовместимыми и биодеградируемыми и имеют повышенные прочностные свойства (разрушающее напряжение до 65 МПа и деформации до 45%) .

Настоящее изобретение относится к способу получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров. Способ включает растворение хитозана и полиэфиров в растворителе, причем в 0,5 или 1, или 2, или 3, или 6 мас.% растворе салициловой кислоты в диметилсульфоксиде растворяют хитозан в количестве 1-10 мас.%, потом к раствору добавляют полилактид или поликапролактон или смесь полилактида с поликапролактоном в соотношении 1:1 в количестве 1-10 мас.%, и, после полного растворения полимеров в диметилсульфоксиде, смесь сушат от растворителя. Технический результат - упрощение способа получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров, повышение прочностных свойств композиций, таких как разрушающее напряжение и деформация. 6 ил., 1 табл., 9 пр.

Способ получения термопластичных биосовместимых и биодеградируемых композиций на основе хитозана и полиэфиров, включающий растворение хитозана и полиэфиров в растворителе, отличающийся тем, что в 0,5 или 1, или 2, или 3, или 6 мас.% растворе салициловой кислоты в диметилсульфоксиде растворяют хитозан в количестве 1-10 мас.%, потом к раствору добавляют полилактид или поликапролактон или смесь полилактида с поликапролактоном в соотношении 1:1 в количестве 1-10 мас.%, и, после полного растворения полимеров в диметилсульфоксиде, смесь сушат от растворителя.