Биоразлагаемый полимерный материал с антибактериальной активностью Российский патент 2025 года по МПК A61K31/409 A61L27/44 A61P31/04 C07D487/22 C08K5/3415 C08L67/04 C09B47/00 

Изобретение относится к области полимерных материалов с антибактериальными свойствами и может быть использовано для получения биоразлагаемых пленочных покрытий и нетканых материалов с антибактериальными свойствами.

В связи с распространением инфекций и повышением устойчивости микроорганизмов к антибиотикам существует растущая потребность в расширении ассортимента материалов, обладающих антибактериальными свойствами. Разработка полимерных композиционных материалов на основе биоразлагаемых полимеров - полилактида (ПЛА), полигидроксибутирата (ПГБ) и др. с использованием допирующих веществ бактерицидного действия является активно развивающимся научным направлением. Известно большое количество бактерицидных добавок для придания полимерным материалам антибактериальных свойств, в том числе описано применение в качестве антибактериальных добавок к полимерам некоторых синтетических производных порфирина, используемых в фотодинамической терапии онкологических и воспалительных заболеваний. Эти соединения сочетают такие свойства, как интенсивное поглощение в видимой и ближней ИК-области, флуоресцентные свойства, высокую химическую и термическую стабильность, со способностью генерировать активные формы кислорода и свободные радикалы, вызывающие окислительные деструктивные реакции в клетках. Антибактериальные свойства производных порфирина связаны с их воздействием на клеточные стенки микроорганизмов, вызывающем изменения их структурных свойств и нарушения гидрофильно-липофильного баланса клеточной стенки контактирующего с ними микроорганизма.

В серии работ, посвященных структуре и свойствам биоразлагаемых полимеров, содержащих добавки комплексов тетрафенилпорфирина с солями переходных металлов, сообщается о бактерицидных свойствах этих материалов. Так, в работе [А.А. Ольхов и др. «Ультратонкие волокна поли-3-гидроксибутирата, модифицированные комплексом железа(III) с тетрафенилпорфирином» Химические волокна. 2017. №3. С. 84-89] исследованы характеристики проявляющего антибактериальный эффект нетканого волокнистого материала на основе ПГБ, содержащего добавки комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином. Также описано применение комплексных соединений марганца(III) с тетрафенилпорфирином для придания бактерицидных свойств ультраволокнистым нетканым материалам на основе ПГБ, или ПЛА, или их смеси [RU 2681319 С1, опубл. 06.03.2019] и пленочным материалам из ПЛА [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]. Общим недостатком этих материалов является относительно невысокая антибактериальная активность металлопорфириновых комплексов в структуре полимерной матрицы, вследствие чего для получения материала с выраженными бактерицидными свойствами требуется применять высокие концентрации (до 2-5 масс. %) добавки. В изобретении [RU 2752860 С1, опубл. 11.08.2021], взятом за прототип, предложен новый бактерицидный биоразлагаемый композиционный материал на основе полилактида, включающий в качестве активной добавки 5,10,15,20-тетракис(4-н-гексилоксифенил)порфирин, обозначенный как (С₆-O)₄-ТФП, и проявляющий, в сравнении с аналогами, более высокую антибактериальную активность при меньшем количественном содержании антибактериального агента. В развитие этих разработок был предложен биодеградируемый полимерный композиционный материал с антибактериальными свойствами, содержащий полимерную основу из полилактида и поликапролактона и антибактериальный агент 5-(4-пиридил)-10,15,20-трис(4-н-гексадецилоксифенил)порфирин. Общим в этих технических решениях является то, что в качестве антибактериальных добавок в них использованы соединения химического происхождения, получение которых связано с проведением достаточно сложных химических превращений и процедур очистки, что отрицательно сказывается на стоимости и доступности этих продуктов.

Проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в том, чтобы предложить новую антибактериальную добавку, которая представляет собой доступный природный продукт или может быть получена из доступного природного продукта с использованием рутинных химических манипуляций, а также - в расширении спектра биоразлагаемых бактерицидных полимерных материалов путем введения указанной добавки в биоразлагаемую полимерную матрицу.

Проблема решена применением в качестве антибактериальной добавки соединения, известного под названием Пурпурин 18 (РР18), путем введения указанного соединения в биоразлагаемую полимерную матрицу в количестве от 0,6% от массы полимера. Название соединения Пурпурин 18 по номенклатуре IUPAC и другие известные синонимы приведены, например, в [https://www.guidechem.com/encyclopedia/purpurin-18-dic63739.html].

Технический результат изобретения состоит в расширении спектра биоразлагаемых бактерицидных полимерных материалов путем применения в качестве антибактериальной добавки к полимерному биоразлагаемому материалу соединения Пурпурин 18.

Иллюстрации, поясняющие сущность изобретения:

На Фиг. 1 показаны УФ спектры видимого диапазона пленки из полилактида, не содержащей Пурпурин 18 (кривая 1), и пленки, содержащей в матрице полилактида Пурпурин 18 в количестве 0,4 (кривая 2), 0,8 (кривая 3) и 1,2 (кривая 4) масс. %.

На Фиг. 2 показаны микрофотографии пленочных образцов полилактида, содержащих Пурпурин 18 в количестве 0,6 (А) и 1,0 (Б) масс. % (оптический микроскоп Olympus СХ43 (Япония), увеличение 100х).

Пурпурин 18, брутто-формула C₃₃H₃₂N₄O₅ (молекулярная масса 564.63) относится к классу хлоринов, имеет структуру

представляет собой производное природного пигмента хлорофилл а и является продуктом деградации хлорофилла. Молекула содержит три химически активные функциональные группы - винильную группу, конденсированное ангидридное кольцо и боковую цепь пропионовой кислоты, модификация которых позволяет получать производные фотосенсибилизаторы с различными физико-химическими свойствами. Продукт хорошо растворим в хлороформе, обладает антиокидантными свойствами. Пурпурин 18 встречается в природе, например, в листьях шпината, в некоторых съедобных водорослях, в морских организмах и бактериях и в некоторых других природных объектах [V.S. Pavlíčková, J. Škuník, М. Jurášek, S Rimpelova "Advances in Purpurin 18 Research: On Cancer Therapy" Appl. Sci. 2021, 11(5), 2254 DOI: 10.3390/app11052254]. Пурпурин 18 с хорошим выходом получают из природного сырья, например, из хлорофилла а, экстрагированного из синезеленых водорослей Spirulina platensis, окислением кислородом воздуха в щелочной среде с последующим подкислением [Н.В. Коновалова, B.C. Лебедева, Р.Д. Рузиев «Синтез молекулярных фотопреобразующих систем на основе тетра-фенилпорфирина и пурпурина 18». Тонкие химические технологии. 2010, 5(6), с. 52-57], или из цианобактерий Spirulina maxima [N. Drogat, M. Barriere, et al. "High yield preparation of purpurin-18 from Spirulina maxima" Dyes and Pigments Volume 88, Issue 1, January 2011, Pages 125-127]. Описано получение PP18 из клеток хлореллы [KR 101616485 В1, опубл. 28.04.2016] и из хлорофиллсодержащих отходов фармацевтической промышленности [RU 2054944, опубл. 27.02.1996].

Все известные в настоящее время применения Пурпурина 18 и его производных связаны с наличием в его структуре тетрапиррольного цикла, благодаря которому Пурпурин 18 обладает свойствами фотосенсибилизатора (ФС) - соединения, способного активироваться под действием света определенной длины волны и интенсивности с образованием активных форм кислорода и свободных радикалов, оказывающих разрушающее действие на клетки тканей, в которых он локализован. В медицинской практике РР18 и его производные применяются при лечении и диагностике онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии (ФДТ). В обзоре [V.S. Pavlíčková, J. Škubník, М. Jurášek, S Rimpelova "Advances in Purpurin 18 Research: On Cancer Therapy" Appl. Sci. 2021, 11(5), 2254 DOI: 10.3390/app11052254]. В [CN 110075298 А, опубл. 27.08.2019] и ряде других источников описано применение фармацевтических композиций на основе Пурпурина 18 для ФДТ рака молочной железы. В патенте [CN 103930108 В, опубл. 24.05.2017] предложено применять Пурпурин 18 в офтальмологии для лечения методом ФДТ воспалительных процессов, связанных с аномалиями роговицы или склеры. Во всех этих случаях патологические ткани, в которые предварительно вводят фотосенсибилизатор, подвергают дозированному воздействию лазерного излучения с длиной волны 670-700 нм, способного проникать в глубокие слои тканей организма. РР18 также применяют для получения гидрофильных производных с целью разработки новых эффективных ФС и мультимодальных препаратов для диагностики и ФДТ. [CN 108324958 В, опубл. 24.09.2021].

Известно, что особенности уникальной порфириновой структуры позволяют включать порфиринсодержащие соединения в полимерные системы с целью придания им специфических свойств. При закреплении на полимере-носителе они не только сохраняют свои свойства, но и усиливают их за счет кооперативных взаимодействий в полимерных цепях, разделения активных центров, повышения стабильности тетрапиррольного фрагмента [О.И. Койфман, Т.А. Агеева «Порфиринполимеры: синтез, свойства, применение» М.: Ленанд, 2018, 300 с.]. Описано применение Пурпурина 18 в качестве фотосенсибилизирующей добавки в акриловые сополимеры, предназначенные для изготовления интраокулярных оптических линз, позволяющих при необходимости проводить курсы ФДТ без повторного введения ФС средства [US 11318226 В2, опубл. 03.05.2022]. В заявке [US 2016205925 А1, опубл. 27.01.2016] описаны антимикробные композиции, состоящие из нерастворимого термопластичного полиолефина и 0,1-10,0 масс. % фотосенсибилизатора, выбранного из широкого спектра красителей различной химической природы, включая Пурпурин 18. Авторы отмечают, что для проявления изделиями, содержащими эти композиции, дезинфицирующего антибактериального эффекта, они должны быть подвергнуты воздействию, инициирующему образование активного кислорода, т.е. антибактериальные свойства этих композиций также детерминированы ФС активностью красителя.

В отличие от упомянутых известных применений Пурпурина 18, основанных на его известных фотосенсибилизирующих свойствах, в основе предлагаемого изобретения лежит не его ФС активность, а обнаруженная нами способность этого соединения проявлять темновую антибактериальную активность, реализуемую в отсутствие специального светового воздействия - в темноте или при естественном дневном освещении. Было обнаружено, что пленки из биоразлагаемых полимерных материалов, таких, как полилактид и его композиции с поликапролактоном, проявляют темновую бактерицидную активность в отношении грамм-положительных и грамм-отрицательных бактерий при содержании РР18 в полимере в количестве от 0,2 масс. %. Антибактериальная активность пленок нарастает с увеличением содержания продукта в полимерной матрице и при содержании РР18 в количестве 0,6 и более масс. % достигает высоких, практически значимых значений.

Также неожиданно было обнаружено, что введение Пурпурина 18 в полимерную матрицу в указанных количествах повышает гидрофильность поверхности полимерной пленки, что влияет на адгезию бактериальной микрофлоры с материалом и повышает эффективность его антибактериального действия.

Для приготовления образцов пленочных материалов для испытаний на смачиваемость и антибактериальную активность взят полилактид 4032D (США) MW=1,8×10⁵ г/моль, температура плавления 155-170°С и поликапролактон (Китай) MW=6×10⁴ г/моль температура плавления 60-65°С.

Пурпурин 18 получен из растительного сырья (крапивы) путем его обработки органическим растворителем для получения хлорофиллов а и b, из которых затем выделяют феофитины а и b. Феофитин а подвергают окислительному расщеплению и посредством экстракции с последующей очисткой получают Пурпурин 18, как описано в статье [G W Kenner, S W McCombie, K М Smith "Separation and oxidative degradation of chlorophyll derivatives" J. Chem. Soc. Perkin 1, 1973, p. 2517-2523]. Для приготовления пленок навески ПЛА или смеси ПЛА/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 такое количество Пурпурина 18, чтобы его концентрация в полимерной композиции составила 0,2-1,5 масс. %. Получают вязкие прозрачные растворы, которые 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, окрашенных в светло-зеленый цвет, полимерных пленок толщиной 90-110 мкм.

На Фиг 1. представлены УФ-спектры видимого диапазона пленки из полилактида, не содержащей добавки Пурпурина 18 (кривая 1), и пленок, содержащих Пурпурин 18 в матрице полилактида в количестве 0,4, 0,8 и 1,2 масс. % (кривые 2, 3, 4, соответственно). В отличие от чистого ПЛА, пленочные образцы, включающие РР18, имеют четкие рефлексы: полосу Соре (410 нм), характерную для всех порфиринов, и Q-полосы в диапазоне 500-800 нм, интенсивность которых повышается с увеличением концентрации добавки. На Фиг. 2. показаны микрофотографии пленок из полилактида, содержащих 0,6 (А) и 1,0 (Б) масс. % Пурпурина 18. При добавлении РР18 в матрицу полилактида тип структуры ПЛА не меняется - по-прежнему наблюдается образование характерных для ПЛА сферолитов, однако, с увеличением концентрации добавки размер сферолитов несколько уменьшается.

Смачиваемость поверхности пленок оценивают по величине краевого угла смачивания θ, величина которого определяет межмолекулярное взаимодействие поверхности твердых тел с жидкостями. Краевой угол смачивания определяют методом сидячей капли, как описано в [Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов «Физико-химические основы смачивания и растекания» - М: Химия, 1976, 232 с.]. В Табл. 1 показано изменение краевого угла смачивания θ деионизированной водой пленки из чистого полилактида и композиционной пленки, содержащей 90% полилактида и 10% поликапролактона, в зависимости от количественного содержания Пурпурина 18 в диапазоне 0,2-1,5 масс. %. Для сравнения в таблице приведены аналогичные данные для пленки по прототипу, содержащей те же количества добавки (С₆-O)₄-ТФП.

Как видно из таблицы, в отличие от материала по прототипу, гидрофильность (смачиваемость) которого слабо зависит от присутствия антибактериальной добавки (С₆-O)₄-ТФП (увеличение менее, чем на 7% при массовой доле добавки 1,5%), введение в полилактид или в полилактид в комбинации с поликапролактоном Пурпурина 18 в количестве до 1,5 масс. %, увеличивает смачиваемость поверхности пленки на 20%, что влияет на адгезию микроорганизмов и повышает эффективность бактерицидного действия материала.

Испытания образцов на антибактериальную активность проведены диско-диффузионным методом [Рекомендации. Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам Версия 2021-01] на клеточном материале тест-культур S. aureus р 209 (золотистый стафилококк) и Е. coli 1257 (кишечная палочка). В работе использован стерильный физиологический раствор (0,9% NaCl, НПЦ «Химиком»), мясо-пептонный агар (МПА, НПЦ «Химиком»), отраслевой стандарт мутности для определения общей концентрации микроорганизмов (набор БАК-10, ООО «Арт-Медика»). Из пленок ПЛА, полученных, как описано выше, содержащих 0,2-1,5 масс. % Пурпурина 18, стерильными ножницами вырезают фрагменты круглой формы диаметром 6 мм, которые помещают в центр чашек с посевами тест-культур и инкубируют в термостате при 37°С в течение 24 ч. В качестве меры антибактериальной активности испытуемых образцов используют эффективность ингибирования роста тест-культур, которую оценивают по величине диаметра зоны задержки роста (мм). В качестве контроля взяты образцы пленок из полилактида, не содержащие добавок Пурпурина 18. Результаты определения антибактериальной активности полученных образцов показаны в Табл. 2.

Пленки из полилактида, не содержащие Пурпурин 18 (контроль), рост микроорганизмов не подавляют. Бактерицидная активность пленок в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, выраженная величиной диаметра зоны задержки роста (мм). S. aureus и Е. coli, соответственно, монотонно возрастает с увеличением массового содержания Пурпурина 18 в полимерной матрице. Как видно из таблицы, при содержании РР18 в полимерной матрице в количестве от 0,6 до 1,5 масс. %, пленки проявляют выраженную антибактериальную активность в отношении как S. aureus, так и Е. coli, и могут быть использованы для придания поверхностям бактерицидных свойств. Волокна, получаемые электроформованием из растворов, содержащих биоразлагаемый полимер с добавкой Пурпурина 18, и получаемые из них нетканые материалы, также обладают антибактериальной активностью.

В зависимости от толщины пленки или волокон, верхний допустимый предел количественного содержания добавки в полимерной матрице определяют в каждом конкретном случае экспериментально на основе баланса между максимально достижимой бактерицидной активностью поверхности материала и сохранением приемлемых технологических и эксплуатационных характеристик материала.

Из приведенных данных следует, что наблюдаемый бактерицидный эффект полученных материалов является результатом синергизма двух факторов - собственной темновой антибактериальной активности Пурпурина 18 и его способности увеличивать гидрофильность поверхности материала, в котором он иммобилизован.

Таким образом, применение соединения Пурпурин 18 в качестве антибактериальной добавки к полимерным материалам на основе полилактида позволяет расширить спектр биоразлагаемых бактерицидных полимерных материалов.

Изобретение относится к химии, а именно к биоразлагаемому бактерицидному полимерному материалу. Предложенный материал включает полимерную матрицу и порфиринсодержащую антибактериальную добавку, где полимерная матрица выполнена из полилактида или смеси полилактида с поликапролактоном, а порфиринсодержащая антибактериальная добавка представляет собой соединение Пурпурин 18 и содержится в количестве 0,6 мас.% или более. Изобретение обеспечивает расширение арсенала биоразлагаемых бактерицидных полимерных материалов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Биоразлагаемый бактерицидный полимерный материал, включающий полимерную матрицу и порфиринсодержащую антибактериальную добавку, отличающийся тем, что полимерная матрица выбрана из полилактида или смеси полилактида с поликапролактоном, а порфиринсодержащая антибактериальная добавка представляет собой соединение Пурпурин 18 и содержится в количестве 0,6 мас.% или более.

2. Биоразлагаемый бактерицидный полимерный материал по п. 1, отличающийся тем, что указанная порфиринсодержащая антибактериальная добавка содержится в количестве 0,6-1,5 мас.%.

3. Биоразлагаемый бактерицидный полимерный материал по п. 1, отличающийся тем, что выполнен в форме пленки или нетканого волокнистого материала.