Способ получения гидрогеля Советский патент 1983 года по МПК C08H1/02 

Изобретение относится к высокомолекулярным соединениям природного происхождения, а именно к получению гидрогеля из белковых полимеров животного происхождения, предназначенного для изготовления различных изделий, использующихся в контакте с водными жидкостями.

Известен способ получения гидрогеля, включающий растворение белка животного происхождения ( желатина в воде при нагревании и обработку формальдегидом fl .

В этом способе, предназначенном для получения оптически чувствительных материалов, желатину растворяют В воде при б5-8(ГС, из полученного геля формуют изделия., которые обрабатывают раствором формальдегида при .

Цель изобретения - получение гидрогеля медицинского назначения с улучшенными физико-химическими свойствами.

Указанная цель достигается тем, что в способе получения гидрогеля, включающем растворение белка животного происхождения в воде при нагревании и обработку формальдегидом, в качестве белка используют желатину или смесь желатины с ги ;ролизованным бычьим коллагеном молекулярной массы 50000-100000, при этом водный раствор белка с концентрацией 5-10 весД подкисляют до рН t-6,5 соляной или фосфорной кислотой при 55-6р С, добавляют формальдегид в количестве 1,,3 от веса белка и сшат при 20-35°С до остаточной влажности, не превышающей 10%, с последующей промывкой водой, обработкой этиловым спиртом, повторной промывко водой и сушкой в тех же условиях.

При этом, в отдельных случаях, перед подкислением и/или после первой сушки гель обрабатывают разбавленным раствором перекиси водорода.

Из полученного гидрогеля могут быть получены различные изделия медицинского назначения, например, оптические контактные линзы, оболочки, используемые при ожогах и ранах, костные протезы, волокна и др. изделия, которые в настоящее время полу.чают на основе синтетических полимеров .

Известные гидрогели желатины и агар-агара не пригодны для получения контактных линз, так как обладают неудовлетворительными физическими свойствами во влажном состоянии.

В зависимости от желаемой формы конечного продукта изменяются величина рН, температура, концентрация твердого вещества и последовательность дегидратации этиловым спиртом. Существенным параметром является также сушка при температуре, не превышающей 35 С до содержания влаги в высушенной форме не выше 10 и предпочтительно 1% или менее. Если не выполнять эти условия, а нагревать продукт до 40 С или более перед окончательной сушкой на воздухе до содержания влаги не превышающей 10 и без дегидратации этиловым спиртом, то конечный продукт будет нестабилен а воде. Вместо того, чтобы быть чрезвычайно гибким и упругим и обладать хорошей физической устойчивостью, в частности, высоким сопротивлением на разрыв во влажном состоянии, продукты, которые высушивают Кс1ким-либо образом до содержания

5 влажности, не превышающей 10 и предпочтительно ниже 1%, не подвергая обработке путем дегидратации этиловым спиртом, обладают.рыхлой структурой и имеют чрезвычайно ломкую и хрупкую

0 физическую форму, когда они насыщаются водой. Отсутствие физической стойкости во влажном состоянии, делает . эти продукты совершенно непригодными для получения, например, гибких контактных линз, офтальмологических обо- лочек, искусственной роговицы, стекловидного тела, новых белковых волокон, используемых в текстильной промышленности и в хирургии, для получения протезов, таких как хрящи или искусственные кости, оболочек, материалов для швов, оболочек, используемых при ожогах и ранах и т.д.. Одним из существенных преимуществ -изобретения является то, что оно позволяет приготовить широкую гамму дешевых продуктов, обладающих набором полезных свойств из первичйых материалов, исходя из природных белков со сравнительно низким молекулярным весом.

Продукты приготавливают из раствора натураль-ного белка, содержащего 5-10 вес.% белка или смеси белков. Раствор нагревают до 55 65С с тем, чтобы cnoco6ctBOBaTb растворению белка и получить прозрачный раствор. После растворения белка, устанавливают рН раствора до .величины ,5 для того, чтобы образовать кислый водный раствор белка. Поддерживают кислый раствор в этом интервале температур и добавляют к раствору агент структу рирования, который вводят при энергичном помешивании. Продажный формаЛИН, который содержит 37% формальдегида используется как агент структурирования. Выливают .раствор или формуют в объемную трехмерную форму, затем высушивают на воздухе при температуре, не превышающей 35, до достижения влажности, не превышающей 10, предпочтительно меньше 7%. Когда желают получить прозрачный как вода продукт высушенную структуру отбеливают окис лительным агентом - перекисью водорода. Просветленную или непросветлен ную структуру основательно промывают водой, затем ее подвергают дегидратации путем погружения в органичес кий растворитель, смешиваемый с водой, денатурированный или не денатурированный этиловый спирт. После обработки этиловым спиртом структуру основательно промывают водой и высушивают на воздухе при температуре, не превышающей , для того, чтобы понизить содержание влаги до величины, не превышающей 10% и предпочтительно меньше 7%, Так как исходный материал является белковым, продукты, приготовленны согласно изобретению, годятся для одноцветной или многоцветной окраски с рисунком согласно обычной технике, используемой для полимерных ма териалов, содержащих группы NH, NH и СООН. Следовательно,.можно путем добавки соответствующего красителя или пигмента придать этим продуктам какой-либо цвет, диктуемый эстетическими или другими соображениями. П р и м е р . 1. Нагревают до 60 С 400 мл прозрачного геля, содержащего ,400 мл 10% желатины (имеющей молекулярную массу около 50000 и опалесценцию 225). К этой прозрачной смеси, которая медленно и постоянно пе/ремешивается, добавляют k капли 10W соляной кислоты для получения рН 4,3 Немедленно после этого добавляют 8 мл формалина, или около 7,5% формальдегида по otнouJeнию к желатине, энергично перемешивая смесь и поддерживая ее при 60i5 С. Для получения продукта, стабильного по отношению к воде, сразу после добавки агента структурирования. осуществляют отливку или формирование, а затем сушку в спокойной состоянии на воздухе при отливке полимеру или сушку в форме при центрифужном формовании. Выбрасываемые гибкие контактные с помощью бюретки или калиброванной пипетки вводят Ц капли вышеупомянутой смеси в стандартную полиметакрилатную форму диаметром 11 мм при обычной температуре. Толщина контактной линзы 5также как ее преломляющие свойства определяется вогнутостью этих форм и числом капель, которые вводятся туда при заданной концентра ции. Гидрогель медленно сушат при обычной температуре (около 25°С в течение по крайней мере 2 ч, в течение которых реакция структурирования осуществляется практически до своего завершения. В конце этого цикла сушки линзу, когда она еще находится в форме, подвергают дополнительной сушке в сушильной печи с воздушной циркуляцией в течение минимум 4 ч при максимальной температуре 30-35 0 или при эквивалентной температуре в вакууме для того, чтобы быть уверенным, что содержание влаги в-продукте не будет превышать 10% и предпочтительно ниже 7%. Затем линзы легко удаляют из форм и немедленно погружаются в разбавленный водный раствор перекиси водорода, обычно используемый для домашних целей 3 об.% на час, минимум при обычной температуре ( 25°Г, ). Эта стадия особенно эффективна для удаления желто-коричневой или светло-коричневой окраски, характерной для естественных белков с низким молекулярным весом, будь они структурированы или нет. .. I Затем линзы подвергают энергичной и основательной промывке водой, предпочтительно дистиллированной водой, для того чтобы обеспечить полное удаление небольших остаточных количеств агента структурирования и перекиси водорода. После проведения этой промывки линзы, насыщенные водой, вводят в денатурированный или в неденатурированный продажный этиловыйспирт (95 об.%) где оставляют их в течение, по крайней мере, 2ч.

510

По окончании дегидратации путем замачивания в этиловом спирте, линзы снова основательно промывают дистиллированной водой для того, чтобы вымыть любые остатки этилового спирта и компоненты денатурации в случае, когда используется денатурированный этиловый спирт. Повторная промывка, предпочтительно в дистиллированной воде, на этой стадии важна.

Затем медленно высушивают на воздухе прозрачные линзы, которые основательно промывались согласно описанной выше процедуре, которая состоит в сушке на воздухе в течение 2k ч при обычной температуре (25°с|, затем в течение минимум 2k ч в сушильном шкафу с воздушной циркуляцией при максимальной температуре 30-35 С так, чтобы остаточное содержание влаги не превышало 10 и предпочтительно было ниже 7%.Можно сушить линзы, полученные после последней промывки водой в форме, где они перед этим отливались, хотя этот способ является не обязательным. Можно также осуществлять стерилизацию путем сухой сушки при температуре, достигающей 120 С.

Таким образом, завершается последовательность изготовления (затем можно осуществи ть проверку,в случае необходимости, гранение краев, упаковку и стерилизацию и т.д.) пои получении гибких контактных линз, прозрачных как вода, имеющих физические свойства и такую же замечательную проницаемость по отношению к газу во влажном состоянии как и в сухом со- . стоянии. Среди этих преимуществ можно отметить почти немедленную гидротацию в воде (.-3 мин по сравнению с 1-2 или более часами в случае контактных гибких линз из синтетических полимеров) также как высокую величину проницаемости по отношению к газообразному кис-лороду.

Пример 2. Нагревают до AGO мл прозрачного геля, состоящего из 300 мл 0% желатины и 100 мл пищевого, частично гидролизованного бычьего коллагена (.молекулярная масса около 100000) с концентрацией 1%. К этой смеси , когда она медленно и постоянно перемешивается, добавляется k капли Юн. соляной кислоты для получения рН равного ,65. Немедленно после этого добавляют при энергичном перемешивании 8 мл формалина или око052«

ло формальдегида по отношению к белку, поддерживая температуру 6.0±5 С.

Осуществляют начальную отливку 5. гидрогеля, предварительно обработанного в соответствии с вышеизложенным, для получения продукта стабильного по отношению к воде, сразу после добавления агента структурирования.

О Обычные гибкие контактные линзы

С помощью бюретки для- калиброванной пипетки с предосторожностями вводят k капли вышеупомянутой смеси в полиметакрилатную стандартную форму

5 диаметром 11 мм п,ри обычной температуре. Толщина контактной линзы также как ее преломляющие свойства ,определяются вогнутостью формы и числом капель ,.: вводимых при заданной концентрации.

Осуществляют воздушную сушку, осветление, промывку, дегидратацию, промывку,и окончательную воздушную сушку, как в примере 1.

5 Получают прозрачные как вода контактные линии, которые образуют гибкие контактные линзы, которые можно носить непрерывно. Изготовить эти линии серией достаточно экономично, так что их можно использовать как выбрасываемые линзы после того как они покроются осадком и т.д. Эти контактные линзы позволяют проводить повторное использование дорогостоящего раствора для очистки и подавлять риск по явления инфекции, связанный с дополнительным манипулированием, которому они подвергаются каждый день, когда удаляются для очистки.

П р и м е р 3. Нагревают до 60°С

400 мл прозрачного геля, состоящего из kOO мл раствора 10 желатины ( имеющей молекулярную массу около 50000 и опалесценцию 225). К этой прозрачной смеси при медленном постоянном

5 перемешивании добавляют k капли соляной 10 н. кислоты для того, чтобы установить рН равное 4,76. Немедленно после этого при энергичном перемешивании добавляют 80 капель - t мл

формалина или около 3,7 формальдегида- по отношению к желатине, поддерживая температуру .

Гибкие контактные линзы, образую Цие удаленные роговые оболочки С помощью бюретки или калиброванной пипетки с предосторожностями вводят k капли вышеупомянутой смеси в специальные стеклянные формы диа- ;

710

метром мм при-обычной температуре. Толщина контактных линз, а также их преломляющие свойства зависят от вогнутости формы и числа капель, вводимых при заданной концентрации.

Осуществляют вопдушную сушку, осветление, промывку, дегидратацию, промывку и окончательную воздушную сушку как в примере 1 .

Таким образом завершается последовательность изготовления { затем осуществляют проверку, в случае необходимости гранение краев, упаковку, стерилизацию и т.д.) гибких прозрачных как вода линз, которые обладают во влажном состоянии свойствами, которые делают их идеальными в

Сравнительные данные для протеиновых линз, получаемых предлагаемым способом и обычных линз на основе синтетических полимеров

2 .8

качестве удаляемых офтальмологических роговых оболочек. Например, приготовленные таким образом линзы обладают низкой абразивностью, когда

их помещают на глаз вместе с лекарством, движение век по оболочке постепенно разъедает оболочку так, что она смывается слезами за 10-16 ч, К тому же эти линзы из гидрогеля или из плен.

ки гидрогеля, когда они насыщены лекарством для лечения глаукомы таким как пилокарпин или состава .на основе тималола, могут заменить очень вязкие капли, которые наносят на глазное

яблоко.

Физико-химические свойства полученных линз приведены в таблице.

Показатель преломления (вода)

Краевой угол (гидратированный)

Проницаемость (видимая область 100-600, гидратированный), %

Натяжение, г/мм

Модуль,

Растяжение,

Прочность на разрыв, г/мм

начальная

распространенная

Температура стеклования (дегидратирован в левой установке) ,€

Гидратная вода, %

Толщина 0,25 мм

, 50-60

96-98

30-50

2ijO-280

6-6,6, ,8-5,2

105-112 45-50

да,

СС (STP): см

с .- см мм

6) Скорость кажущегося переноса,

сс(8тр)

с ч см Т ( воздух

Толщина 0,12 мм Проницаемость кислорода (подвергнут дальнейшему превращению)

Толщина 0,075 мм Проницаемость кислорода (подвергнут дальнейшему превращению Пример . Нагревают до бОС 00 мл прозрачного геля, состоящего из 10% раствора желатины (имеющего молекулярную массу около 50000 и опа лесценцию 275) и 200 мл пищевого час тично гидролизованного бычьего коллагена 2% имеющего молекулярную мас су около ЮОООО). К этой смеси при медленном и постоянном перемешивании добавляют k капли coля4 oй 10 н. кисл , ты для получения рН 5,Ю. Немедленно после этого к смеси при энергичном, перемешивании добавляют 8 мл {160 ка пель) формалина или около 12,3% форм альдегида по отношению к белку, поддерживая температуру на уровне 60±5С. первичную отливку натурального гидрогеля, предварительно обработан-ного для получения продукта стабильного по отношению к воде, необходимо осуществлять сразу после добавления агента структурирования, т.е. до того как реакция структурирования сделает гель необратимо твердым и не возможным для отливки. Офтальмологические оболочки и роговые оболочки длительного действия С помощью бюретки или калиброванной пипетки, с предосторожностями, вводят 3 капли вышеупомянутой смеси „

25-30

5-6

-7

4,0-t,2« 10

12-20

-:

i 0-50

8,0-8,5 10

1

60-65

10-12- 10 в стандартные формы из полиметакрилата диаметром 11 мм при обычной температуре. Толщина контактной линзы также как ее преломляющие свойства определяются вогнутостью форм и числом капель, которые вводятся туда при заданной концентрации. Осуществляют воздушную сушку, осветление, промывку, дегидратацию, промывку и окончательную воздушную сушку как в примере 1. Пример 5. Нагревают до 60 С 00 мл прозрачного геля, состоящего из jOO мл 10% раствора желатины ( имеющего молекулярную массу около 50000 и опалесценцию 225) . К этой светлой смеси при регулярном помешивании добавляют k капли 10 н. соляной кислоты, чтобы получить рН равное ,35- Немедленно после этого при энергичном перемешивании добавляют kQ капель (2 мл) формалина или около 1,85% формальдегида по отношение к желатине, поддерживая температуру 60±5 С Гидрогели с подбираемой вязкостью Оставляю-т этот продукт при обычной температуре (), в течение по крайней мере 15. мин подвергая его перемешиванию для получения максимальной однородности в процессе структурирования. Затем гидрогель подвергают сушке, предпочтительно мгновенной сушке путем распыления для того, чтобы пре обоазовать его в мелкие частицы. Или можно разлить гидрогель по плоской поверхности и медленно высушить на воздухе. Каков бы ни был используемый способ сушки, необходимо понизить содер жание влаги на стадий сушки, используя максимальную температуру 30-3 С при атмосферном давлении, до величины, не превышающей 10 и предпочтительно ниже 1%. Затем высушенные частицы гидрогел из натурального белкового полимера погружают в обычный разбавленный водный раствор перекиси водорода 3 обД на минимум 1 ц при обычной температуре 25°С ). Эта стадия особенно эффективна для удаления естественного желто-коричневого или светло-коричневого цвета естественных белков со сравнительно малым молекулярным весом, будь они структурированы или нет. Затем набухшие час тицы гидрогеля подвергают энергичной основательной промывке водой, предпочтительно дистиллированной водой, для того, чтобы удалить любые малые остатки структурирования и перекиси водорода. После основательной вышеупомянутой промывки, частицы гидрогеля, насыщенные водой, вводят в денатурированный или нeдeнiaтypиpoвaнный продажный этиловый спирт 95 об.% , где оставляют его минимум на 2 ч. В конце дегидратации путем промыв ки в этиловом спирте частицы гидроге ля основательно промывают дистиллиро ванной еодой для удаления следов этилового спирта и компонентов денат рации, в случае использования денату рированного спирта. На этой стадии важно осуществить тщательну з промывку, предпочтительно с повторной промывкой, в дистиллированной- воде. Затё1к медленно высушивают на воздухе массу прозрачного сильно набухшего гидрогеля, который основательно промыт, согласно последовательным операциям сушки описанным выше, которые состоят либо в их сушке путем пульверизации, либо сушке в воздухе до octaTO4Horo содержания влаги, не превышающем 10% и предпочтительно ниже 7.Полученный продукт особенно полезен, когда он набух в офтальмологическом водном растворе (например, в растворах хлоргидрата пилокарпина для лечечия глаукомы) для того, чтобы подобрать вязкость и свойства истечения. Значительно насыщенная внутренняя структура частиц гидрогеля позволяет продолжить действие составляющих лекарства, с которым она соединена. Пример 6. Нагревают до 800 мл прозрачного геля, состоящего из 600 мл раствора 10 желатины и 200 мл пищевого частично гидролизованного бычьего коллагена (имеющего молекулярную массу около 100000) на 1%. К этой смеси при медленном и постоянном перемешивании добавляют 10 капель 10 н. соляной кислоты для получения рН t,8. Немедленно после этого к смеси при энергичном перемешиваний добавляют 18 мл формалина или около 10,7% формальдегида по отношению к белку, поддерживая темпе-, оатуру eotB C. Пленка и обблочка для ожогов и ран Немедленно после тщательного перемешивания вышеуказанного состава его обезгаживают в эксикаторе при вакууме 710-736 мм рт. ст. для того, чтобы удалить пузыри. Затем смесь промывают в плоской посуде из.пирекса, размеры которой соответствуют желаемым размерам пленок. Например, для приготовления круглой пленки или оболочки можно использовать чашку Петри, тогда как для приготовления прямоугольной пленки можно использовать прямоугольную стеклянную посуду. Гидрогель оставляют медленно суижться при обычной температуре около 20С в течение, по крайней мере, 2 ч, в течение которых реакция структурирования практически достигает своего завершения. Согласно толщине ж.елаемой пленки можно продолжить мед-, ленное высушивание на воздухе в течение недели или более до того, чтобы общее содержание влаги не превышало 10% и предпочтительно меньше 7%. Для того, чтобы уменьшить продолжительность сушки можно после ч поместить форму, содержащую заготовку, в печь с воздушной циркуляцией. Если желают получить плеКку, плакированную ткань или включенную в ткань с таким гидрогелем, равномерно накладывают трикотажную ткань в форму перед заливкой туда ж 1дкого гидрогеля. Затем отлитую пленку подвергают последовательной обработке, состоящей из окисления окислительным агентом СН2Р2., затем дегидратации этиловым спиртом и т.д., как описано при получении контактных линз в примере 1. Трубки, артерии и другие структур Пример 7. Обезгаженный гидрогель, имещий состав, описанный в примере 6, вливают в концентрическую фопму для образования, трубки (или артерии , содержащую или не содержащую тканевую матрицу. Проводят реакцию структурирования при обычной температуре 25С и при относительной влажности 58% в течение, по крайней мере, 2 ч до того, как содержание влаги не будет превышать 10%. Удаляют твердый гидрогель из концентрической формы, для получения трубкиJ удобной для использовани в качестве артериального протеза. Затем трубки подвергают осветлению, промывке, дегидратации, промывке и окончательной сушке на воздухе, как описано в примере 1. Костные протезы Пример 8. Исходный материал, используемый для изготовления .сетчатых и корковых протезов из стабилизированных белковых натуральных гидрогелей, имеет состав очень близкий описанному в примере 6. Одним из основных отличий является использова ние фосфорной кислоты вместо соляной для того, чтобы подогнать кислотност гидрогеля до добавления агента струк турирования. Тщательно перемешивают частицы или кристаллы фосфата кальция, ассоциированные или неассоциированные с другими ионами, обычно присутствующи ми в костях и хрящах,.с раствором натуральных некристаллических, растворимых в воде белков. Полученный пр дукт является весьма тонкой и однородной смесью различных составляющих и туда можно ввести различные ио для увеличения поочности поолукта до добавки агента стоуктуоиоования белков, как описано в предыдущих примерахМожно образовать фосфат кальция путем смешения растворимой соли каль ция, такой как ацетат, и растворимого фосфата такого как фосфат натрия В случае, когда добавляют другие соли и/или другие ионы такие как ионы фтора или карбоната, можно ввести а солевой раствор, вовремя образования фосфата кальция, растворимые соли, такие как фториды кальция или кар бонат натрия. Точная формула соединения типа фосфата кальция сложна и в настоящем описании термин фосфат кальция охватывает дикальций фосфат, трикальций фосфат, октакальций фосфат, гидрокси-апатит, карбонатапатит, хлорапатит, фторапатит и их смеси. Модификацией примера 6, Которая оказывается желательной для получении сетчатые высокопористых сетчатых продуктов, является замена воды, исполь зуемой в качестве растворителя белков, разбавленным водным раствором перекиси водорода, например 1% по объему„ После растворения белка в разбавленном водном растворе перекиси водорода, в белковый раствор вводят 25%-ную водную суспензию фосфата кальция в Количествах достаточных для получения примерно одинаковых количеств белков и фосфата кальция. Затем рН подгоняют с помощью фосфорной кислоты и добавляют агент структурирования, потом энергично перемешивают смесь, поддерживая ее при 6№5°С. Использование раствора перекиси водорода в качестве растворителя вызывает образование малых равномерно рассеянных пузырей во время подгонки рН и добавки агента структурирования, что вызывает во время структурирования и сушки получение однородно пористой структуры, в некоторых случаях может быть предпочтительным осуществлять вакуумную сушку гидрогеля, полученного на основе фосфата кальция, вместо того, чтобы осуществлять воздушную сушку, как это описано в предыдущих примерах. Во всех последующих случаях начальной сушки содержание влаги не превышает 10%, предпочтительно 7% и менее, по крайней мере, при сушке, следуюьцей за зама,чиванием в перекиси водорода ( 3 вес.%) и дегидратацией этиловым спиртом, как описано в примерах 1,2 и 3, остается желательным получить костную структуру, обладающую достаточными прочностными механическими свойствами во влажном состоянии Например, когда эти структуры помещают в воду, они набухают, но остаются связанными и не распадаются , 1510 Эти продуктй образуют новые соста вы, позволяющие получать структуры подобные хрящу, кости или слоновой кости.. Волокна, текстильные материалы и шовные нити ПримерЧ. Состая растворимого в воде белкового гидрогеля; описанного в примере 6, является исходным веществом для получения новых волокон, которые могут быть преобразованы для получения разнообразных текстильных изделий таких как ткани, листы и т.д. Перед тем как добавить агент стру турирования, гель нагнетают в камеру связанную с механизмом, способным экструди|эовать гидрогель через фильт ры для получения ультратонких волокон или даже моноволокон;эта аппаратура часто используется для получения вискозных волокон. 2 .16 Температуру волокон поддерживают на уровне перед тем как они будут введены в насос для смешивания, где к ним добавляется определенное количество агента структурирования. Нити непрерывно экструдйр т в длинную цилиндрическую вертикальную камеру сушки, гдеони высушиваются до влажности, не превышающей 0% и предпочтительно 7% и менее, и потом их собирают в бобины или в мотки. После начальной стадии сушки, опописанной выше, нити подвергают окислению (H()j, дегидратации этиловым спиртом, окончательной промывке и конечной сушке, согласно стадиям, которые приведены в предшествующих примерах. Эти волокна удобны для различных применений в медицине и при производстве одежды. Когда их экструдируют в виде нитей с малым диаметром, их можно использовать как хирургические нити для швов.