СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОГЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА
METHOD OF OBTAINING CHITOSAN-BASED HYDROGELLING AGENT

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способу получения гидрогелеобразователя на основе хитозана, а именно к способу поперечной ковалентной сшивки макромолекул хитозана с получением продукта, образующего при смешивании с водой высоковязкие гидрогели, применяемые в качестве перспективных материалов биотехнологического, биомедицинского и фармакологического назначения.
Наибольшее распространение для получения хитозановых гидрогелей получила реакция аминогрупп макромолекул хитозана с альдегидами различного строения, такими как формальдегид, ацетальдегид, глиоксаль, глутаровый и терефталевый альдегиды [Masri М. Chemical modifications unsoluble polymers, Polymer. Prepr. 1975, т. 16, N 2, с. 70]. Известны способы получения хитозановых гидрогелей путем сшивания макромолекул хитозана по аминогруппам глутаровым альдегидом (ГА) [R.A.A. Muzzarelly, G. Barontini, R. Rocehetti. Cross-linked modification of chitosan with glutaraldehyde, Biotechnol. Bioeng. 18, 1445, 1976], а также ГА с последующим восстановлением азометиновых групп в среде электролитов NaF, NaBr или NaSCN [G.A.F. Roberts, K.E. Taylor. The formation of gels by reaction of chitosan with glutaraldehyde, Macromol. Chem. 190, 951, 1989].
Однако в приведенных публикациях лишь фиксируется образование вязко-аморфных, окрашенных в темно-коричневый цвет препаратов и не приводятся данные о выделении, очистке и идентификации продуктов, способных образовывать гели при смешивании с водой.
В работе Н.Р. Кильдеева, Т.В. Смотрина, В.В. Никоноров, В.И. Лозинский, Р.В. Иванов, П.А. Перминов. Гидрогели на основе ковалентно-сшитого хитозана, 9-ая Международная конференция «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана», Старополь, 13-17 октября 2008 г.; Материалы ВНИРО, 2008. С. 23-27 описано получение гидрогелей хитозана из его 2% раствора в 2% уксусной кислоте при pH 5,6 в результате ковалентной сшивки ГА при мольном отношении аминогрупп хитозана:ГА, равном 0,4, однако также без выделения, очистки и идентификации гидрогелеобразователя.
В патенте RU 2099352 (прототип) предложен способ получения гидрогелеобразователя из хитозана путем проведения реакции хитозана с глутаровым альдегидом в ацетатном буфере при рН 3,5÷5,5, ионной силе раствора 0,1÷0,5 и молярном соотношении глутарового альдегида и хитозана от 1:6 до 1:15, восстановления продукта реакции боргидридом натрия с последующим выделением гидрогелеобразователя фильтрованием, промывкой и сушкой.
Отличительными признаками данного способа являются проведение реакции хитозана с глутаровым альдегидом в указанных выше условиях, восстановление продукта реакции борогидридом натрия и выделение гидрогелеобразователя в сухом виде в результате фильтрования, промывки и сушки.
Основным недостатком способа по прототипу являются относительно низкая концентрация, около 0,7%, готового продукта в реакционной смеси.
Вторым недостатком является то, что собственно технологический процесс является сложным двухстадийным, так как применение глутарового альдегида предопределяет необходимость проведения дополнительной стадии передела, связанной с восстановлением промежуточного продукта реакции хитозана с глутаровым альдегидом.
Реакция поперечной ковалентной сшивки макромолекул хитозана полифункциональными эпоксисоединениями в водных растворах была использована при получении медицинских изделий для лечения ран [RU 2249467, RU2467767]. Однако применение этой реакции для получения хитозанового гидрогелеобразователя в настоящее время не известно.
Изобретение направлено на изыскание относительно простого способа получения гидрогелеобразователя на основе хитозана с повышенной концентрацией готового продукта в реакционной смеси.
Технический результат достигается тем, что предложен способ получения гидрогелеобразователя на основе хитозана, заключающийся в том, что проводят реакцию порошка хитозана с диглицидиловым эфиром 1,4-бутандиола или диэтиленгликоля в среде водно-спиртового раствора муравьиной, уксусной, лимонной, щавелевой, янтарной, гликолевой либо молочной кислоты при содержании хитозана в дисперсионной среде 15÷25 мас.%, содержании воды в спирте от 10 до 30 мас.%, молярном соотношении хитозан:кислота от 1:0,7 до 1:1,5 и молярном соотношении хитозан:дглицидиловый эфир от 10:1 до 100:1 с последующим выделением гидрогелеобразователя фильтрованием, промывкой этиловым спиртом и сушкой.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что процесс получения гидрогелеобразователя проводится в условиях гетерофазной реакции порошка хитозана (дисперсная фаза) с дифункциональными эпоксисоединениями в среде водно-спиртовых растворов кислот (дисперсионная среда), в ходе которой кислоты и эпоксисоединения диффундируют в частицы порошка хитозана с образованием соответствующих солей за счет кислотной ионизации аминогрупп хитозана и, одновременно, с образованием поперечно-сшитых макромолекул за счет параллельно протекающей реакции ковалентного сшивания хитозана по реакции эпоксисоединений с гидроксильными группами по С-6 атому углерода элементарного звена хитозана.
В результате оказалось возможным впервые синтезировать, выделить и идентифицировать по указанной реакции образцы сухих порошков целевого гидрогелеобразователя.
Заявленные параметры по содержанию порошка хитозана в дисперсионной среде, содержанию воды в спирте, молярному соотношению хитозан:кислота и молярному соотношению хитозан:диглицидиловый эфир определяются следующими соображениями.
Увеличение содержания дисперсной фазы в суспензии более 25 мас.% приводит к получению малоподвижной, трудноперемешиваемой реакционной массы, что затрудняет диффузию компонентов дисперсионной среды в частицы порошка. Снижение содержания дисперсной фазы в суспензии ниже 15 мас.% не обеспечивает высокого выхода готового продукта.
При содержании воды в спирте менее 10 мас.% значительно снижается скорость диффузии компонентов дисперсионной среды в частицы порошка. При увеличении содержания воды в спирте более 30 мас.% происходит комкование порошка, что затрудняет проведение стадий фильтрации, промывки и сушки.
При уменьшении молярного соотношения хитозан:кислота менее 1:0,7 готовый продукт не образует геля при смешивании с водой; при увеличении молярного соотношения более 1:1,5 образуется гидрогель с кислотностью рН≤4,0, недопустимо высокой для дальнейшего использования в качестве материалов биотехнологического, биомедицинского и фармакологического назначения.
Увеличение молярного соотношения хитозан:диглицидиловый эфир более 100:1 приводит при смешивании готового продукта с водой к образованию вместо геля вязких растворов, а его уменьшение менее 10:1 - к образованию набухших, малоподвижных агломератов.
Достижение заявленного технического результата подтверждается следующими примерами. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенное техническое решение.
Для получения гидрогелеобразователя в приведенных примерах используют хитозан пищевой кислоторастворимый со степенью дезацетилирования 90%, молекулярной массой 150-200 кДа, размером частиц 0,25-1,25 мкм и содержанием влаги 9,5% производства ЗАО «Биопргресс» по ТУ 9289-067-00472121, спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья «Базик» по ГОСТ Р 51652-2000, воду очищенную по ФС 42-2619-97, уксусную кислоту 99,8%, Fluka, кат. №45731, код 131030 и диглицидиловый эфир 1,4-бутадиола 95%, Aldrich, кат. №220892, или L(+)-молочную кислоту 90%, Fluka, кат. №69785 и диглицидиловый эфир диэтиленгликоля по ТУ 2225-027-00203306-97.
Пример 1. Получение гидрогелеобразователя при содержании воды в этиловом спирте 20 мас.% при мольном соотношении реагентов, равном 1:1 по уксусной кислоте, 10:1 по диглицидиловому эфиру.
В стеклянный реактор вместимостью 500 мл, снабженный мешалкой, заливали 310,7 г заранее приготовленного раствора, содержащего 240 г спирта этилового ректификованного, 53,7 г воды, 22,2 г (0,37 моля) уксусной кислоты и 7,87 г (0,037 моля) диглицидилового эфира 1,4-бутандиола. В раствор засыпали 65,6 г (0,37 моля) порошка хитозана. Полученная суспензия содержала хитозан, уксусную кислоту и диглицидиловый эфир 1,4-бутандиола в этиловом спирте, содержащем 20 мас.% воды, при мольном соотношении реагентов, равном 1:1 по кислоте и 10:1 по диглицидиловому эфиру. Рассчитанная концентрация готового продукта в реакционной смеси составила 21,4%.
Реакционную смесь интенсивно перемешивали при комнатной температуре в течение 5 часов. Дисперсную фазу отфильтровывали, промывали 100 мл спирта этилового ректификованного и сушили в вакууме при температуре 45-50°C.
В одну стадию получали суспензию гидрогелеобразователя, из которой фильтрованием, промывкой и сушкой с количественным (рассчитанным) выходом выделяли целевой продукт, способный при концентрации в воде 1,0 мас.% образовывать гель, характеризующийся динамической вязкостью 2040 сантипуаз.
Аналогично целевой гидрогелеобразователь получали при содержании воды в этиловом спирте 10 мас.% и 30 мас.% при мольном соотношении реагентов, равном 1:0,7 и 1:1,3 по кислоте, 40:1 и 100:1 по диглицидиловому эфиру.
Данные сведены в Таблицу 1: «Основные свойства полученных образцов хитозанового гидрогелеобразователя в зависимости от условий гетерофазной реакции в среде водно-спиртового раствора уксусной кислоты с использованием в качестве сшивающего реагента диглицидилового эфира 1,4-бутандиола».
Пример 2. Получение гидрогелеобразователя при содержании воды в этиловом спирте 20 мас.% при мольном соотношении реагентов, равном 1:1 по молочной кислоте, 40:1 по диглицидиловому эфиру.
В стеклянный реактор вместимостью 500 мл, снабженный мешалкой, заливали 310,7 г заранее приготовленного раствора, содержащего 240 г спирта этилового ректификованного, 53,7 г воды, 37,0 г (0,37 моля) молочной кислоты и 3,45 г (0,00925 моля) диглицидилового эфира диэтиленгликоля. В раствор засыпали 65,6 г (0,37 моля) порошка хитозана. Полученная суспензия содержала хитозан, молочную кислоту и диглицидиловый эфир диэтиленгликоля в 80 мас.% этиловом спирте при мольном соотношении хитозан:молочная кислота и хитозан:диглицидиловый эфир диэтиленгликоля, равном 1:1 и 40:1 соответственно. Рассчитанная концентрация готового продукта в реакционной смеси составила 23,4%.
Реакционную смесь интенсивно перемешивали при комнатной температуре в течение 5 часов. Осадок отфильтровывали, промывали 100 мл спирта этилового ректификованного и сушили в вакууме при температуре 45-50°C.
В одну стадию получали суспензию гидрогелеобразователя, из которой фильтрованием, промывкой и сушкой с количественным (рассчитанным) выходом выделяли целевой продукт, способный при концентрации в воде 1,0 мас.% образовывать гель, характеризующийся динамической вязкостью 1230 сантипуаз.
Аналогично целевой гидрогелеобразователь получали при содержании воды в этиловом спирте 10 мас.% и 30 мас.% при мольном соотношении реагентов, равном 1:0,7 и 1:1,3 по кислоте, 10:1 и 100:1 по диглицидиловому эфиру.
Данные сведены в Таблицу 2: «Основные свойства полученных образцов хитозанового гидрогелеобразователя в зависимости от условий гетерофазной реакции в среде водно-спиртового раствора молочной кислоты с использованием в качестве сшивающего реагента диглцидилового эфира диэтиленгликоля».
Как видно из представленных примеров, природа кислоты не оказывает существенного влияния на достижение технического результата. Важным является только то, что все заявленные кислоты обеспечивают ионизацию аминогрупп хитозана.
Таким образом, изобретение открывает возможность получения хитозанового гидрогелеобразователя в условиях гетерофазной реакции хитозана с дифункциональными эпоксисоединениями в среде водно-спиртовоых растворов кислот, способного образовывать высоковязкие гели при смешивании с водой. Процесс получения отличается относительной простотой, так как проводится в одну стадию при повышенном содержании готовой продукции в реакционной среде. Полученный гидрогелеобразователь представляет интерес в качестве биополимерной основы для разработки инновационных материалов биотехнологического, биомедицинского и фармакологического назначения.