СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАССАСЫВАЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И ПОЛИЛАКТИДА
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE BIODEGRADABLE MATERIALS BASED ON CHITOSAN AND POLYLACTIDE

Изобретение относится к области биотехнологии и медицины, а именно к способу получению пленочных и композитных материалов на основе хитозана и полилактида, обладающих биоразлагаемостью, биосовместимостью, гипоаллергенностью и, в зависимости от соотношений компонентов, различным временем биодеградации. Заявленные материалы могут найти применение в изделиях биомедицинского назначения, в том числе как материалы для остеосинтеза и носители лекарственных препаратов пролонгированного действия. Материалы обладают ранозаживляющим эффектом при лечении повреждений кожных покровов, способностью к восстановлению трофики тканей, а продукты биоразложения хитозана обладают иммуностимулирующим и общеукрепляющим эффектами.
В последние годы был разработан достаточно широкий спектр материалов и изделий медицинского назначения на основе природных и синтетических полимеров.
В медицине хитозан применяется как энтеросорбент, антацидное и обволакивающее средство при болезнях желудочно-кишечного тракта, в качестве раневого покрытия, является основным компонентом различных биологически активных добавок к пище для нормализации веса, т.к. активно связывает и выводит из организма жиры и избыточный холестерин. Хитозан применяется для улучшения растворения и всасываемости некоторых лекарственных форм, способствует пролонгации их действия. Установлено, что хитозан обладает и иммуномодулирующими свойствами благодаря способности активизировать выработку белков иммунного ответа.
Для полномасштабного использования хитозана и материалов на его основе в различных отраслях необходима его модификация, что, в частности, связано с нерастворимостью в водных средах и хрупкостью этого полимера.
С целью получения материалов биомедицинского назначения на основе хитозана в настоящее время проводят его химическую модификацию полилактидом. Сочетание свойств композиций хитозана и полилактида перспективно для создания ряда многофункциональных материалов. Наиболее удобным способом для их совмещения является получение привитых блок-сополимеров полилактида и хитозана и создание смесевых композиций на основе гомополимеров.
Однако встает проблема плохой совместимости этих двух различных материалов: гидрофильного хитозана и гидрофобного полилактида, т.к. между этими полимерами плохая адгезия. Таким образом, физико-механические свойства композиций являются неудовлетворительными.
Совмещение хитозана с синтетическими полимерами - это интересный альтернативный метод разработки новых гибридных материалов на основе хитозана с лактидом по производству новых биосинтетических полимеров и композитов биомедицинского назначения.
Известно изобретение «Материал для остеосинтеза» (п. РФ №2059405, опубл. 10.05.1996).
Данное изобретение относится к материалам для остеосинтеза, например пластин, брусков, стержней, штифтов, винтов, шпилек, скобок и др. Целью изобретения является увеличение прочности и сроков сохранения прочности при биодеградации изделий для остеосинтеза из рассасывающихся полимерных материалов. Материал для остеосинтеза состоит из рассасывающейся полимерной матрицы, армированной волокнами или нитями из того же полимера, и покрытия из этого же полимера. В качестве полимера для изготовления изделий для остеосинтеза используют полигликолид, полилактид, сополимер гликолида с лактидом, поли-β-оксимасляную кислоту, полиэфирамид, полидиоксанон и др. Наличие покрытия на матрице позволяет повысить исходную прочность изделий для остеосинтеза и сроки сохранения их прочности при биодеградации.
Недостатком данной композиции является то, что входящие в ее состав полигликолид, полилактид, сополимер гликолида с лактидом, хотя и являются наиболее широко применяемыми биоразрушаемыми полимерами и разрешенными уже в течение ряда лет в клинической практике, имеют ряд недостатков: непредсказуемая деградация в условиях организма, которая зависит от ряда параметров, например плотности и размера, формы и пористости полимерного изделия; изменение pH окружающих тканей при биодеградации, вызывающая токсическую реакцию со стороны окружающих имплантат тканей; недостаточная механическая прочность. Это ограничивает их применение и использование в качестве биомедицинского материала широкого назначения.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является изобретение «Способ получения композиционных рассасывающихся матриц на основе хитозана и коллагена для выращивания клеток кожи человека» (патент РФ №2431504, опубл. 20.11.2011), в котором предлагается композиция на основе хитозана и коллагена для получения пленочных и губчатых материалов, пригодных для выращивания на них клеток кожи человека и их трансплантации на раны. Способ получения композиционных рассасывающихся матриц на основе хитозана и коллагена для выращивания клеток кожи человека включает приготовление растворов полисахарида - хитозана и белка - коллагена, смешивание их в заданных соотношениях и формование из растворов смесей полимеров пленочных и губчатых матриц. Для этого предварительно готовят растворы хитозана и коллагена концентрации 1,0-4,0% (мас.) в общем растворителе (водном 2%-ном растворе уксусной кислоты), смешивают их в заданных пропорциях и формуют из приготовленных растворов пленочные и губчатые матричные материалы. Количество коллагена в смесях полимеров составляет 2,5-10% (от массы хитозана). Далее пленки и губки подвергают прогреву в интервале температур 50-100°C в течение 1,0-5,0 часов в атмосферной среде. Использование заявленного способа позволяет получать на основе природных полимеров пленочные и губчатые рассасывающиеся композиционные материалы, пригодные для выращивания клеток кожи человека.
Недостатком данной композиции является то, что коллаген служит питательной средой для бактерий, что приводит к возможности развития гнойных процессов и, соответственно, препятствует быстрому очищению ран и повышает риск вторичного инфицирования. Недостатком коллагена как компонента раневого покрытия является его сенсибилизирующая способность.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания и расширения спектра материалов и изделий медицинского назначения, в том числе и для остеосинтеза, на основе природных и синтетических полимеров, продукты деградации которых исключают возможность развития токсических, воспалительных, аллергических реакций в тканях за счет использования биополимера - хитозана, обладающего такими свойствами, как высокая сорбционная емкость, нетоксичность, гипоаллегенность, способность к ранозаживлению, антикоагулянтная, бактериостатическая и противоопухолевая активность.
Поставленная задача решается следующим образом: способ получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида включает приготовление растворов полисахарида и полилактида, используя смешанный растворитель, при этом в раствор хитозана добавляют от 10 до 50% раствора полилактида от массы хитозана при непрерывном перемешивании, полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке до получения блок-сополимера хитозана с полилактидом. Для получения блок-сополимеров хитозана с полилактидом при ультразвуковой обработке растворов используют гомополимеры с различным временем биодеградации. В качестве смешанного растворителя используют разбавленный раствор минеральной, например соляной, или органической, например уксусной, кислоты для растворения хитозана и один или несколько органических растворителей, например тетрагидрофуран, диоксан, для растворения полилактида.
Ниже приведены примеры получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида (их блок-сополимера) с различными вариантами мешанных растворителей.
Пример 1
3
Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 1,2-2% CHCOOH) и раствора полилактида в органическом растворителе - тетрагидрофуране.
Пример 2
3
3
2
4
Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 1,2-2% CHCOOH и 1% CH(СН)COOH) и раствора полилактида в органическом растворителе - диоксане.
Пример 3
3
Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 1,2-2% CHCOOH) и раствора полилактида в смеси органических растворителей - тетрагидрофурана и диоксана, объемные доли которых 25 и 75% соответственно.
Пример 4
3
3
2
4
Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 1,2-2% CHCOOH и 1% CH(CH)СООН) и раствора полилактида в смеси органических растворителей - тетрагидрофурана и диоксана, объемные доли которых 40 и 60% соответственно.
Пример 5
3
3
2
4
Готовят композицию на основе раствора хитозана (3 мас.% в 1,2-2% CHCOOH и 1% CH(СН)COOH) и раствора полилактида в смеси органических растворителей - диоксана и диметилформамида, объемные доли которых 80 и 20% соответственно.
В раствор хитозана добавляют от 10 до 50% раствора полилактида от массы хитозана при непрерывном перемешивании. Смесь гомополимеров в смешанном растворителе или нескольких растворителях подвергают ультразвуковой обработке в течение 30 мин при ν=21,5 кГц. Образование блок-сополимера также было доказано методом ИК-спектроскопии.
Физико-механические свойства пленок были исследованы. Результаты представлены в табл.1.
Для образцов блок-сополимера достигнуто увеличение деформации в 5 раз при увеличении разрывной прочности, по сравнению с исходным полисахаридом, в 2 раза (см. табл 1).
Таблица 1
Разрывная прочность и деформация пленок блок-сополимеров хитозана и лактида
№ опыта
Композиции с Rac-полилактидом
σ, МПа
ε, %
1
Смешанный растворитель №1
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=10%
51.2
12.5
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=20%
48.4
14.2
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(Р1А)=30%
17.2
18.7
2
Смешанный растворитель №2
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=10%
51.3
10.7
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)-20%
47.3
20.6
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)-30%
40.3
14.8
3
Смешанный растворитель №3
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=10%
44.9
8.3
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=20%
52.5
11.2
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=30%
50.0
4.5
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=50%
43.8
4.5
4
Смешанный растворитель №4
Композиции с L-полилактидом
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=10%
54.0
3.5
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=20%
32.7
3.2
поли(хитозан-блок-полилактид), ω(PLA)=30%
33.5
2.2
Изучены бактерицидные свойства хитозана и блок-сополимеров по отношению к культурам ряда бактерий: Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Escherichia coli. Выявлено, что блок-сополимер с содержанием полилактида 50 мас.% оказывает угнетающее действие на все виды культур бактерий.
Блок-сополимеры были исследованы на биостойкость. В качестве биодеградантов были использованы гостированные штаммы микромицетов: А. oryzae, A. terreus, P. chrysogenum. Все композиции оказались биодеградируемыми. Скорость биодеградации зависит от состава композиции и природы микромицета. Наименьшая скорость биоразложения наблюдается для блок-сополимеров, содержащих 10 мас.% полилактида, для всех изученных микромицетов. Наиболее активно биодеградация протекает под действием А. terreus, в случае которого, для блок-сополимеров, содержащих 20 и 30% полилактида, степень обрастания составила 5 баллов. Таким образом, варьируя состав полимерной композиции, можно управлять временем биодеградации.
Из блок-сополимера хитозана с лактидом были изготовлены стержни длиной 2 см и шириной 0.5 см и исследованы их биодеградация in vivo на экспериментальных животных. Лабораторным животным были сделаны разрезы в бедренной части и под кожу введены и зашиты стержни-импланты. Длительность опыта составляла 3 недели. Оказалось, что имплант полностью рассосался под кожей без признаков воспаления. Таким образом, можно предположить, что данный имплант перспективен для использования в качестве матрицы для наращивания ткани.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о том, что заявляемый материал отвечает требуемым критериям патентоспособности и обладает значительными преимуществами по сравнению с известными композициями того же назначения. Полученные композиции на основе смесей и блок-сополимеров хитозана с лактидом являются биоразлагаемыми и обладают достаточно хорошим уровнем физико-механических характеристик с регулируемым временем биодеградации.