Биодеградируемый композиционный материал с антибактериальными свойствами Российский патент 2023 года по МПК A61K31/409 A61K31/765 A61P31/04 

Изобретение относится к области полимерных материалов, конкретно к биодеградируемым полимерным композиционным материалам с антибактериальными свойствами, и может быть использовано для изготовления защитных бактерицидных пленок, бактерицидных упаковочных материалов и предметов медицинского назначения с антибактериальными свойствами.

Источником распространения бактериальных инфекций часто являются незащищенные поверхности в общественных местах и медицинских учреждениях, материалы, используемые для изготовления упаковки, одноразовых предметов для ухода за больными и других товаров медицинского назначения. До 80% всех инфекций связано с бактериальными биопленками, которые формируются на различных поверхностях [L. Hall-Stoodley, J.W. Costerton, P. Stoodley, Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases, Nat. Rev. Microbiol. 2 (2004), 95-108]. Проблема усугубляется повышенной устойчивостью бактерий, входящих в состав биопленок, к антибиотикам. Таким образом, существует потребность в материалах, обладающих бактерицидными свойствами, способных уменьшить или предотвратить бактериальное загрязнение поверхностей и способствовать уменьшению распространения бактериальных инфекций. В соответствии с современными экологическими требованиями, в поиске таких материалов предпочтение традиционно отдается материалам, способным к биоразложению в окружающей среде.

Известны технические решения, описывающие композиционные биоразлагаемые полимерные материалы и изделия с антибактериальными свойствами, содержащие в качестве полимерной матрицы полимолочную кислоту - полилактид (ПЛА) и/или поликапролактон (ПКЛ). Бактерицидные свойства этих материалов обеспечены введением антибактериальных добавок различной химической природы.

В полезной модели [CN 212654009 U, опубл. 05.03.2021] описан композиционный биоразлагаемый упаковочный материал с высокими барьерными характеристиками, включающий слой растительного волокна (крафтовая бумага), биоразлагаемый барьерный слой, состоящий из комбинации растительного волокна, полибутилацетата и поликапролактона или полимолочной кислоты, содержащий антибактериальное покрытие, включающее полифенолы чая или хитозан, а также содержит слой известняковых нитей грубого денье, выполняющий функцию регулятора влажности. Недостатками данного технического решения являются сложная технология изготовления материала, требующая использования специального оборудования, и не поддающийся стандартизации состав антибактериальной добавки природного происхождения.

Патент Китая [CN 114573963 В, опубл. 03.06.2022] защищает биоразлагаемую воздухопроницаемую пленку, предназначенную для хранения пищевых продуктов и изготовления рулонных пакетов для супермаркетов. Пленка включает (в весовых частях): 80-100 частей полилактида, 15-25 частей поликапролактона, 20-30 частей PBSA (полимер на основе сложного эфира бутиленгликолевой кислоты и адипиновой кислоты), 3-8 частей антибактериального средства, включающего полифенолы чая, тимола и хитозана в массовом соотношении 2,4:1,7:5,2, а также 4-10 частей функционального наполнителя, состоящего из бентонита кальция, глицерина и диоксида титана, взятых в массовом соотношении 10:4:3, и другие функциональные добавки. Пленка обладает хорошими механическими, антибактериальными характеристиками, имеет хорошую прозрачность. Авторы отмечают, что антибактериальный эффект в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, обеспечен синергическим эффектом компонентов антибактериальной добавки и дополнительно - диоксидом титана, входящим в состав функционального наполнителя.

Нановолоконная двухслойная пленка с антибактериальными свойствами, предназначенная для изготовления биомедицинских повязок и других товаров медицинского назначения [CN 114164562 А, опубл. 11.02.2022], содержит первый слой, состоящий из поликапролактона и оксида цинка, и второй слой, представляющий собой полилактид, содержащий этилацетатный экстракт плодов Capparis spinosa L (дикий арбуз), обладающий антибактериальными, противовоспалительными, антиоксидантными и другими свойствами. Предложенный композитный материал обладает хорошими механическими и антибактериальными свойствами в отношении E. coil and и S. aureus, может быть получен по технологии электростатического формования. Общим недостатком описанных аналогов является не поддающийся стандартизации состав антибактериальной добавки природного происхождения.

Известны технические решения, в которых в качестве антибактериальной добавки используют неорганические оксиды и соли металлов. Полезная модель [CN 213618824 U, опубл. 06.07.2021] представляет собой биоразлагаемую антибактериальную полимерную обложку для книг, выполненную из чередующихся слоев полилактида и поликапролактона, при этом внешний антибактериальный слой основан на маточной смеси, содержащей сополимер бутиленадипината, а в качестве антибактериального агента взят нанооксид цинка (размер частиц 20-50 нм). Многослойную антибактериальную разлагаемую пленку получают совместной экструзией и отливкой с использованием пятислойной коэкструзионной ленточной формовочной машины.

В качестве прототипа взят антисептический полимерный композиционный материал конструкционного назначения [RU 2798568 С1, опубл. 23.06.2023], представляющий собой полимерную матрицу, состоящую из полилактида (70-84 масс. %), поликапролактона (10-20 масс. %) и ПЭГ-400 (5 масс. %), содержащую в качестве антисептической добавки соединения меди: сульфат меди в количестве 0,5-15 масс. % или сульфат меди с добавлением наночастиц оксидов меди в количестве 0,05-1 масс. %. Анализ приведенных в публикации данных показывает, что применение в качестве антибактериального агента сульфата меди даже в таких высоких концентрациях, как 10-15 масс. %, не позволяет добиться высоких бактерицидных свойств материала (ширина зоны лизиса не превышает 0,8 мм), при этом наблюдается значительное ухудшение его механических свойств. Повышение антибактериальной эффективности (увеличение зоны лизиса до 2 мм) обеспечивается введением в систему дополнительно к сульфату меди, взятому в количестве 1 масс. %, наночастиц CuO/Cu₂O в количестве 0,5 масс. %, т.е. для получения материала, сочетающего приемлемые механические свойства с выраженной антибактериальной активностью, общая концентрация медьсодержащей добавки должна составлять не менее 1,5 масс. %. Вызывает сомнение возможность применения материала, содержащего столь значительное количество токсичных медьсодержащих добавок, для изготовления конструкционных материалов медицинского назначения. В описании не приведено данных об антибактериальной активности заявленного материала относительно широко распространенных патогенных грамотрицательных микроорганизмов, клеточная оболочка которых имеет более сложное строение по сравнению с грамположительными бактериями.

Учитывая, что антисептические полимерные материалы, являющиеся предметом изобретения как прототипа, так и предлагаемого технического решения, предназначены, в том числе, для применения в изделиях медицинского назначения, при разработке таких материалов целесообразно отдавать предпочтение добавкам, которые, при минимальном содержании в материале, проявляют максимальный бактерицидный эффект в отношении различных групп бактериальных патогенов.

Проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в расширении спектра биодеградируемых бактерицидных полимерных материалов путем создания композиционного материала на основе полилактида и поликапролактона (ПЛА/ПКЛ), включающего новый антибактериальный агент, который при меньшем количественном содержании, чем в прототипе, придает материалу выраженную бактерицидную активность в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Проблема решена предлагаемым биодеградируемым полимерным композиционным материалом с антибактериальными свойствами, содержащим полимерную основу из полилактида и поликапролактона и антибактериальный агент, отличающимся тем, что в качестве антибактериального агента материал содержит 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин в количестве 0,2-0,5 масс. % от массы полимерной основы.

Технический результат изобретения состоит в том, что получен новый бактерицидный полимерный биоразлагаемый композиционный материал, обладающий выраженными бактерицидными свойствами в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий при меньшем в сравнении с прототипом, количественном содержании в нем антибактериального агента.

Иллюстрации, поясняющие сущность изобретения:

Фиг. 1. Микрофотографии (СЭМ) пленочных образцов ПЛА/ПКЛ массового состава 90/10:

а) без добавления 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирина;

б) и в) содержание 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирина составляет 0,3 и 0,5 масс. % соответственно.

В качестве антибактериального агента в изобретении использовано соединение порфириновой структуры, которая широко распространена в природных объектах.

Порфирины и их аналоги природного и синтетического происхождения обладают рядом свойств, представляющих интерес для различных областей науки и техники. Благодаря легкости функционализации порфиринового макроцикла, были синтезированы многочисленные химические производные, которые востребованы в качестве катализаторов, хемосенсоров, полупроводников, красящих пигментов, лекарственных препаратов. Особенности уникальной структуры тетрапирролов позволяют использовать эти соединения для включения в порфирин-полимерные системы с целью придания им специфических свойств. Порфирины и их производные при закреплении на полимере-носителе не только сохраняют свои свойства, но и усиливают их за счет кооперативных взаимодействий в полимерных цепях, разделения активных центров, повышения стабильности тетрапиррольного фрагмента [Койфман О.И., Агеева Т.А. Порфиринполимеры: синтез, свойства, применение. М: Ленанд, 2018, 300 с.]. Однако, ограниченная растворимость порфириновых производных в различных средах, приводящая к образованию неупорядоченных молекулярных агрегатов в растворах и осаждению компонентов гибридных наноструктур, значительно усложняет практическое использование соединений данного класса. Включение в макроцикл периферийных алкоксильных заместителей является простым и удобным способом решения проблемы низкой растворимости и неупорядоченной агрегации порфиринов. Данный подход был использован нами ранее при разработке антибактериального композиционного материала на основе полилактида: в качестве антибактериального агента в изобретении [RU 2752860 С1, опубл. 11.08.2021] использовано симметричное производное тетрафенилпорфирина 5,10,15,20-тетракис(4-н-гексилоксифенил)порфирин, содержащее четыре н-гексилоксифенильных заместителя, которое показало более высокую липофильность в сравнении с металлопорфириновым аналогом, не содержащим алкильных групп.

Предлагаемое в данном изобретении в качестве антибактериального агента соединение 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин (далее пиридилпорфирин) представляет собой несимметричное производное порфирина, содержащее три н-гексадецилфенильных заместителя и пиридил-радикал.

5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин

Замена алкильного радикала н-С₆ на н-С₁₆ повышает липофильность порфириновой структуры, что облегчает ее проникновение через клеточную мембрану микроорганизма. Замена одного гидрофобного заместителя на гидрофильный пиридиновый остаток придает структуре амфифильные свойства, что увеличивает ее сродство к водному клеточному содержимому, способствуя повышению антибактериального действия соединения.

5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин получают, как описано в работе [Ю.В. Тертышная, М.С. Захаров, К.А. Жданова, Н.А. Брагина «Спектральные характеристики и морфология композиционного материала на основе полилактида и алкоксизамещенных мезо-арилпорфиринов» Высокомолекулярные соединения. Серия Б, 2021, том 63, №6, с. 521-530]. Структура соединения подтверждена данными электронной спектроскопии, ЯМР и масс-спектрометрического анализа.

Для приготовления образцов композиционных пленочных материалов ПЛА/ПКЛ по изобретению взят полилактид 4032D (США): M_w=1,8×10⁵ г/моль, температура плавления 155-170°С и поликапролактон (Китай): M_w=6×10⁴ г/моль, температура плавления 60-65°С. Навески ПЛА и ПКЛ в требуемом массовом соотношении растворяют в хлороформе при нагревании до 53-55°С. Предпочтительно концентрация растворов составляет 5-10 масс. %. В полученные растворы добавляют требуемое количество пиридилпорфирина. Получают вязкие прозрачные растворы, которые могут быть использованы как для получения бактерицидных пленок, так и для получения методом электроформования антибактериальных волокнистых материалов, имеющих широкий спектр медицинских применений.

Для проведения испытаний готовят образцы пленок ПЛА/ПКЛ, содержащие 0,2-0,5 масс. % пиридилпорфирина в расчете на массу полимерной основы. Для этого, приготовленные, как описано выше, растворы поливают в чашки Петри и оставляют при температуре 22±2°С на 48 часов, затем высушивают в сушильном шкафу при температуре 40±2°С в течение 3 часов. Получают образцы в виде прозрачных полимерных пленок толщиной 90-100 мкм. Морфология полученных пленочных материалов охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе Philips SEM-500 (Нидерланды). В качестве примера на Фиг. 1 приведены микрофотографии пленочных образцов ПЛА/ПКЛ массового состава 90/10: а) без добавления пиридилпорфирина; б) содержание пиридилпорфирина составляет 0,3 масс. %; в) содержание пиридилпорфирина составляет 0,5 масс. %. На фотографиях отчетливо видны субмикронные включения антибактериального агента в полимерную матрицу, количество которых коррелирует с массовым содержанием пиридилпорфирина в материале.

Механические характеристики образцов определяют согласно ГОСТ 14236-81 (ISO 527-1:2012) на разрывной машине "ZE-40" (Германия) по 7 образцов в каждой серии измерений.

Относительное удлинение при разрыве е (%) рассчитывают по формуле:

ε=ΔI/I₀×100,

где I₀ - расстояние между держателями, ΔI - приращение расчетной длины в момент разрыва (мм).

Прочность при растяжении а определяют по формуле:

σ=P/b×h,

где Р - нагрузка, при которой происходит разрушение образца; b - ширина образца в узкой части (м); h - толщина образца в узкой части (м).

Состав полученных образцов и их механические характеристики приведены в Табл. 1.

Известно, что введение в полилактид поликапролактона позволяет увеличить эластичность полимерной матрицы. Так, по нашим данным, добавка 10 масс. % поликапролактона к полимолочной кислоте приводит к повышению показателя относительного удлинения при разрыве композитных пленок с 4,5 до 7,5%. Как показывают данные, приведенные в Табл. 1, ведение в состав композиционного пленочного материала 0,2-0,5 масс. % 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирина способствует дополнительному значительному увеличению показателя относительного удлинения при разрыве без существенного ухудшения прочностных свойств пленки.

Тестирование полученных пленок на антибактериальную активность проведено на культурах золотистого стафилококка S. aureus р 209, сальмонеллы S. Typhimurium и кишечной палочки Е. coli 1257. Готовят суспензию каждого микроорганизма в физиологическом растворе и устанавливают концентрацию микробных клеток по стандарту мутности 10⁴ м.к./мл. В стерильные чашки Петри помещают пленочные образцы размером 1×1 см, добавляют по 1 мл суспензии тест-культуры, выдерживают при комнатной температуре в течение 60 мин, после чего добавляют 10 мл стерильного физиологического раствора и выдерживают в течение 15 мин. Затем 100 мкл материала из чашек высевают на поверхность мясо-пептонного агара. Полученные посевы инкубируют в течение 48 ч при температуре 37°С. Для контроля концентрации жизнеспособных микроорганизмов осуществляют высев суспензий тест-культур, используемых в эксперименте. Количество выросших на поверхности агара колоний жизнеспособных микроорганизмов оценивают с помощью оптического микроскопа Olympus СХ43 (Япония). Величину антибактериальной эффективности рассчитывают в виде процентного соотношения количества клеток, погибших при контакте с пленочным образцом, к количеству жизнеспособных клеток в контроле. В Таблице 2 представлены результаты испытаний на антибактериальную активность образцов предлагаемых композиционных пленочных материалов.

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что все испытанные образцы пленок ПЛА/ПКЛ, содержащие антибактериальную добавку 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин в концентрации, ниже, чем в материале по прототипу, проявляют высокую антибактериальную активность в отношении взятых для тестирования грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. При этом антибактериальная эффективность относительно грамотрицательной бактерии кишечной палочки Е. coli 1257 достигает 100%.

Изобретение относится к области полимерных материалов, а именно к биодеградируемому композиционному материалу с антибактериальными свойствами. Биодеградируемый композиционный материал с антибактериальными свойствами содержит полимерную основу, включающую полилактид и поликапролактон, и антибактериальный агент 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис-(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин в количестве 0,2-0,5 масс. % от массы полимерной основы. Вышеописанный материал обладает выраженными бактерицидными свойствами в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий при меньшем количестве антибактериального агента. 1 ил., 2 табл.

Биодеградируемый композиционный материал с антибактериальными свойствами, содержащий полимерную основу, включающую полилактид и поликапролактон, и антибактериальный агент, отличающийся тем, что в качестве антибактериального агента материал содержит 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин в количестве 0,2-0,5 масс. % от массы полимерной основы.