СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМОГО ОРГАНО-НЕОРГАНИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ GLUCONACETOBACTER XYLINUS И ГИДРОКСИАПАТИТА
METHOD FOR PRODUCING BIOCOMPATIBLE ORGANIC-INORGANIC COMPOSITES BASED ON CELLULOSE GLUCONACETOBACTER XYLINUS AND HYDROXYAPATITE

Способ относится к области биотехнологических материалов медицинского и технического применения и может найти использование прежде всего в качестве прекурсора костной ткани, косметики или при создании керамических изделий.
В настоящее время известны методы получения органо-неорганических композитов для медицины и технических применений, из которых наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются следующие.
Известен способ получения композиционного материала на основе бактериальной целлюлозы и гидроксиапатита (ГАП) путем проведения синтеза ГАП в присутствии бактериальной целлюлозы [Хрипунов А.К., et al., Исследование нанокомпозитов на основе гидратированных фосфатов кальция и целлюлозы Acetobacter xylinum // Физика и химия стекла, 2008. Т. 34. N 2. С. 192-200].
К недостаткам указанного способа следует отнести отсутствие механических характеристик получаемого материала и данных по биосовместимости.
Известен также способ получения композиционного материала на основе предварительно дезинтегрированной бактериальной целлюлозы и пастообразного ГАП [Баклагина Ю.Г., et al., Взаимодействие между наноразмерными кристаллическими компонентами композита на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция // Высокомол. соед. 2010. Т. 52 А. N 4. С. 615-627].
Изделия из указанного композита имеют существенный недостаток - низкие механические характеристики в увлажненном состоянии.
Известны нанокомпозиционные материалы на основе биоактивного ксерогеля гидроксиапатита (ГА) [Романов Д.П., et al., А.К. Формирование органо-неорганических композитных материалов медицинского назначения на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция // Физика и химия стекла, 2010, т. 36, N 4, с. 604-615]. На основе ксерогеля ГА получены твердеющие кальций-фосфатные материалы, пленочные композиты полимер-ГА, ГА биопокрытия на эластичных волоконных носителях (целлюлоза, углерод) и металлических подложках.
Полученные материалы рассматриваются авторами как альтернатива пористой керамике в челюстно-лицевой хирургии и ортопедии. Но конкретные данные по характеристикам указанных материалов и их применению отсутствуют.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения биосовместимого прекурсора костной ткани (ПКТ) на основе целлюлозы Glucon-acetobacter xylinus (ЦGX) в качестве скаффолда и гидроксиапатита (ГАП), осуществляемого методом совместного дезинтегрирования нано-гель-пленки ЦGX (НГП ЦGX) и пастообразного ГАП [Хрипунов А.К., et al., Композиты на основе целлюлозы и аморфных фосфатов кальция - перспективные материалы для медицины // Всерос. совещ. «Биокерамика в медицине». Москва. 21-22 ноября 2006 г. Сборник тезисов докладов. С. 55-56].
Указанный способ позволяет получать биосовместимый ПКТ в виде блока любой формы или пленочного материала. Но недостатком этого способа является малая прочность изделий при их увлажненном состоянии.
Технической задачей и положительным результатом изобретения является получение биосовместимого органо-неорганического нанокомпозита, обладающего удовлетворительными механическими свойствами во влажном состоянии.
Указанная задача и технический результат достигаются в способе получения органо-неорганического биосовместимого нанокомпозита на основе целлюлозы Gluconacetobacter xylinus и гидроксиапатита, при этом способ характеризуется тем, что получение нанокомпозита осуществляют в процессе биосинтеза нано-гель-пленки целлюлозы Gluconacetobacter xylinus штаммом N 1629 CALU с включением гидроксиапатита в питательную среду.
Биосинтез НГП ЦGX проводили, как описано ранее [1], в условиях статического культивирования на средах, содержащих глюкозу, дрожжевой экстракт с включением этанола или без него, а также ГАП и контрольные опыты без ГАП, как указано ниже в примерах. По завершении биосинтеза НГП ЦGX необходимой толщины, пленки освобождались от клеток Acetobacter xylinum кипячением в 1% водных растворах NaOH с многоразовой сменой раствора до отсутствия азота, тщательно промывались дистиллированной водой до нейтральной реакции. Указанная обработка, а также данные рентгеноструктурного анализа методам просвечивания (см. рисунок) свидетельствуют о химическом связывании органического и неорганического компонентов в нанобиокомпозите.
Примеры, показывающие сравнительные механические свойства сухих или после набухания в течение 24 часов в воде нано-гель-пленок (НТП), содержащих химически связанный гидроксиапатит (ГАП) или без него:
Пример N 1 НТП ЦGX (контроль), синтезируют по предлагаемому способу получения органо-неорганического биосовместимого нанокомпозита на основе целлюлозы Gluconacetobacter xylinus штаммом N 1629 СALU с включением ГАП в питательную среду, содержащую глюкозу, дрожжевой экстракт, этанол. НГП ЦG имеет прочность на разрыв:
p
p
в сухом состоянии σ≈325-375 МПа, удлинение ε(%)≈3.5-4.7,
p
p
после набухания в воде в течение 24 часов σ≈156-174 МПа, удлинение ε(%)≈3.0-3.6.
p
p
Пример N 2 НГП ЦGX (контроль), синтезированная в условиях Примера N 1, но без этанола, имеет прочность на разрыв: в сухом состоянии σ≈417-468 МПа, удлинение ε(%)≈21.0-25.0,
p
p
после набухания в воде в течение 24 часов σ≈168-194 МПа, удлинение ε(%)≈7.0-9.0.
p
p
p
p
Пример N 3 НГП ЦGX, синтезированная в условиях Примера N 1 с добавкой в питательную среду 5 мл 5% суспензии ГАП, имеет прочность на разрыв: в сухом состоянии σ≈210-280 МПа, удлинение ε(%)≈3.3-4.1, после набухания в воде в течение 24 часов σ≈81-89 МПа, удлинение ε(%)≈17.0-21.0.
p
p
p
p
Пример N 4 НГП ЦGX, синтезированная в условиях Примера N 2 с добавкой в питательную среду 5 мл 5% суспензии ГАП, имеет прочность на разрыв в сухом состоянии σ≈220-330 МПа, удлинение ε(%)≈2.0-3.4, после набухания в воде в течение 24 часов) σ≈141-189 МПа, удлинение ε(%)≈6.0-8.0.
p
p
p
p
Пример N 5 НГП ЦGX, синтезированная в условиях Примера N 1 с добавкой в питательную среду 10 мл 5% суспензии ГАП, имеет прочность на разрыв: в сухом состоянии σ≈210-310 МПа, удлинение ε(%)≈2.2-5.5, после набухания в воде в течение 24 часов σ≈109-133 МПа, удлинение ε(%)≈10.0.-16.0.
p
Пример N 6 НГП ЦGX, синтезированная в условиях Примера N 2 с добавкой в питательную среду 10 мл 5% суспензии ГАП, имеет прочность на разрыв: в сухом состоянии σ≈290-295 МПа, удлинение
p
ε(%)≈2.2-2.7, после набухания в воде в течение 24 часов
p
p
σ≈162-190 МПа, удлинение ε(%)≈7.0-9.0.
p
p
p
Синтезированный нанобиокомпозит в форме нано-гель-пленки может найти применение в качестве прекурсора костной ткани (ПКТ) или косметике в форме достаточно прочной нано-гель-пленки (после удаления клеток Acetobacter xylinum) с прочностью на разрыв как минимум в сухом состоянии σ≈210-230 МПа, удлинением ε(%)≈2.0-3.4 или в набухшем в воде в течение 24 часов состоянии σ≈81-89 МПа, с удлинением
p
ε(%)≈6.0-8.0.
Литература
1) Хрипунов А.К., Синяев В.А., Баклагина Ю.Г., Смыслов Р.Ю., Ткаченко А.А., Парамонов Б.А., Сазанов Ю.Н., Шустикова Е.С. Композиты на основе целлюлозы и аморфных фосфатов кальция - перспективные материалы для медицины // Всерос. совещ. «Биокерамика в медицине». Москва. 21-22 ноября 2006 г.
Сборник тезисов докладов. С. 55-56.
Хрипунов А.К., Баклагина Ю.Г, Синяев В.А., Шустикова Е.С, Парамонов Б.А., Романов Д.П., Смыслов Р.Ю., Ткаченко А.А. Исследование нанокомпозитов на основе гидратированных фосфатов кальция и целлюлозы Acetobacter xylinum // Физика и химия стекла, 2008. Т. 34. N 2. С. 192-200.
Баклагина Ю.Г., Лукашева Н.В., Хрипунов А.К., Клечковская В.В., Архарова Н. А., Романов Д.П., Толмачев Д.А. Взаимодействие между наноразмерными кристаллическими компонентами композита на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция // Высокомол. соед. 2010. Т. 52 А. N 4. С. 615-627.
Романов Д.П., Баклагина Ю.Г., Губанова Г.Н., Уголков В.Л., Лаврентьев В.К., Ткаченко А.А., Синяев В.А., Суханова Т.Е., Хрипунов А.К. Формирование органо-неорганических композитных материалов медицинского назначения на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция // Физика и химия стекла, 2010, т. 36, N 4, с. 604-615.
2) Wan Y.Z., Hong L., Jia S.R., Huang Y., Zhu Y., Wang Y.L., Jiang H.J. Synthesis and characterization of hydroxyapatite-bacterial cellulose nanocomposites // Comp. Sci. Technol. 2006. V.66. P. 1825-1832.
Wan Y.Z., Huang Y., Yuan C.D., Raman S., Zhu Y., Jiang H.J., He F. Gao C., Biomimetic synthesis of hydroxyapatite-bacterial cellulose nanocomposites for biomedical application // Mater. Sci. Eng. 2007. С 27. P. 855-864.
3) Северин A.B., Хрипунов А.К., Баклагина Ю.Г., Романов Д.П., Ткаченко А.А., Клечковская В.В., Архарова Н.А. Иерархия композитных наноструктур, образующихся при взаимодействии гидроксиапатита с бактериальной целлюлозой // V Международная научная конференция. Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании. Иваново, Россия 2010 г., 21-24 сентября. С. 327.
4) Мусская О.Н., Кулак А.И., Крутько В.К., Лесникович Л.А., Уласевич С.А. Нанокомпозитные биоматериалы на основе ксерогеля гидроксиапатита // Тезисы докладов Первой всероссийской конференции "Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем". Санкт-Петербург 22-24 ноября 2010 г. С. 238. // Физика и химия стекла 2011. Т. 37. N 5. С. 702-713.
Крутько В.К., Кулак А.И., Лесникович Л.А., Мусская О.Н., Трофимова И.В. Композиционные биоматериалы и покрытия на основе нанокристаллического гидроксиапатита.// Весцi нацыянальнай акадэми навук Беларусi. серия хiмiчных навук. N 4. 2008. С. 100-105.