СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОННЫХ СШИВАЮЩИХ РЕАГЕНТОВ
METHOD OF PRODUCING CHITOSAN-BASED FILMS USING ION CROSS-LINKING REAGENTS

Изобретение относится к области переработки полимеров и биомедицины, в частности к созданию на основе хитозана нерастворимых, но набухающих в воде материалов, обладающих низкой токсичностью и контролируемым выделением лекарственных соединений. В зависимости от назначения такие материалы могут быть выполнены в виде пленок, гидрогелей, микрокапсул и т.д., а также могут выступать в качестве носителей лекарственных средств.
В современном мире экологии человека уделяется все большее внимание, поэтому с каждым годом все большее распространение получают природные полимеры, которые применяют для изготовления самых разнообразных материалов. К числу биополимеров, наиболее перспективных для создания материалов медико-биологического назначения, относится полисахарид хитозан. Хитозан обладает уникальными биологическими свойствами, которые включают биосовместимость, способность к биологическому разложению до безвредных продуктов, нетоксичность, сродство к белкам, кровоостанавливающие, фунгистатические, противоопухолевые свойства [Rinaudo М. 2006. Chitin and chitosan: Properties and applications // Progress in Polymer Science. - 2006. - Vol. 31. - №7. - P. 603-632]. Известно более семидесяти направлений практического применения хитозана, наиболее важными из которых признаны биотехнология и экология, пищевая промышленность, медицина, косметика, сельское хозяйство и ветеринария [Скрябин К.Г., Михайлов С.Н., Варламов В.П. Хитозан. - М.: Центр «Биоинженерия» РАН, 2013. - 593 с.].
Растворимость хитозана в разбавленных водных растворах кислот наряду с волокно- и пленкообразующей способностью и наличием реакционно-способных аминогрупп облегчает модификацию этого полимера и переработку его в полимерные изделия. Для получения на основе хитозана нерастворимых в воде материалов, но обладающих высокой способностью к набуханию используют бифункциональные реагенты. В их присутствии в растворах хитозана формируется трехмерная сетка геля, которая обеспечивает материалу не только высокую влагоудерживающую способность, но и замедление десорбции включенных в его структуру лекарственных веществ (пролонгирующий эффект).
С целью модификации пленок и регулирования их свойств используют сшивающие реагенты ковалентного или ионного типа. В области разработки материалов для биомедицины на основе биосовместимых полимеров с использованием сшивающих реагентов различного типа представлен целый ряд работ, однако большинство этих работ направлено на получение и исследование хитозановых материалов, модифицированных диальдегидами [Патент РФ №2219954, Hoffmann В., Seitz D., Mencke A., Kokott A., Ziegler G. Glutaraldehyde and oxidised dextran as crosslinker reagents for chitosan-based scaffolds for cartilage tissue engineering // J. Mater Sci: Mater Med. - 2009. - Vol. 20. - №7. - P. 1495-1503., Кильдеева H.P., Михайлов C.H. Гидрогели хитозана, модифицированного бифункциональными сшивающими реагентами // «Хитозан» / edited by К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова. - Moscow: The Centre "Bioengineering" RAS, 2013. - P. 271-307]. Однако высокая токсичность данных сшивающих реагентов, в частности глутарового альдегида, является основным его недостатком [Leung H.W. Ecotoxicology of glutaraldehyde: Review of environmental fate and effects studies // Ecotoxicol. Environ. Saf. - 2001. - Vol. 49. - P. 26-39., Kildeeva N.R., Perminov P.A., Vladimirov L.V., Novikov V.V., Mikhailov S.N. About mechanism of chitosan cross-linking with glutaraldehyde // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. - 2009. - Vol. 35. - №3. - P. 360-369].
Меньшую часть публикаций по получению биополимерных материалов на основе хитозана составляют исследования, посвященные использованию ионных сшивающих реагентов [Shu X., Zhu K.J. A novel approach to prepare tripolyphosphate / chitosan complex beads for controlled release drug delivery // Int. J. Pharm. - 2000. - Vol. 201. - №1. - P. 51-58. Bhumkar D.R., Pokharkar V.B. Studies on effect of pH on cross-linking of chitosan with sodium tripolyphosphate: a technical note // AAPS PharmSciTech. - 2006. - Vol. 7. - №2. - P. E138-E143.], которые являются менее токсичными и позволяют расширить области применения полученных материалов. При этом большинство опубликованных работ в этой области направлены на получение наночастиц. Получение гидрогелей разной физической формы путем объемной модификации хитозана в литературе не описано, вследствие невозможности равномерного распределения ионного бифункционального соединения в растворе хитозана в результате местной коагуляции раствора.
Поиск приемов и методов получения пленок и гидрогелей из растворов хитозана, содержащих полифосфаты, направлен на снижение токсичности сшитых гидрогелей хитозана и получение лекарственно-наполненных материалов на их основе.
Известен способ изготовления биологически активного раневого покрытия, которое представляет собой перфорированную пленку [Патент РФ №2219954]. Пленка содержит хитозан в виде соли органической кислоты (уксусной, янтарной или гликолевой), глутаровый альдегид, поливиниловый спирт и биологически активную добавку.
Недостатком данного способа является использование глутарового альдегида, продукты взаимодействия которого с хитозаном токсичны, что ограничивает использование таких материалов в биомедицинских целях. Степень набухания полученных пленок низкая, что также является недостатком, препятствующим достижению представленных ниже результатов.
Известно изобретение на основе низкомолекулярного хитозана и изоглюкозила, которое предназначено для лечения туберкулеза [Патент РФ №2435611]. К 0,1 мас. % раствору хитозана в 2 мас. % уксусной кислоте прибавляют изоглюкозил. Полученную систему перемешивают и затем прибавляют водный раствор триполифосфата натрия с концентрацией 0,25 мас. %, после чего дисперсию центрифугируют и полученный твердый остаток промывают дистиллированной водой и сушат. Введение триполифосфата натрия приводит к образованию дисперсии, получение пленок из предложенной композиции не представляется возможным.
Известен способ получения сшитого хитозанового пористого тела с использованием ионного и ковалетного сшивающих реагентов [Патент США №5328939 А]. Данный способ включает стадии растворения хитозана в водном растворе уксусной кислоты, взаимодействия раствора полимера с концентрированным (0,2 М) раствором анионной соли в течение нескольких суток с образованием «ионно-сшитого тела» и последующую сшивку полученного материала ковалентным сшивающим реагентом (путем выдерживания в его растворе). Получение однородной пленки из «ионно-сшитого тела» не может быть осуществлено.
Недостатки данного метода - многостадийность и использование больших количеств сшивающих реагентов, в том числе токсичного диальдегида. Применение в медицине таких материалов ограничено. Плотность сшивки слишком высокая, степень набухания, напротив, низкая. Использование таких материалов в качестве системы доставки лекарственных средств не представляется возможным.
5
3
10
Наиболее близким к заявленному пленочному покрытию на основе хитозана является способ получения пленок, наполненных лидокаином и поверхностно-сшитых триполифосфатом натрия, имеющим формулу NaPO [Varshosaz J., Karimzadeh S. Development of cross-linked chitosan film for oral mucosal delivery of lidocaine // Research in Pharmaceutical Sciences. - 2007. - №2. - P. 43-52]. Целью данного исследования было получение пленки для пролонгированного анестезирующего действия в полости рта для обработки слизистой оболочки рта. Формовочный раствор был приготовлен путем растворения хитозана и лидокаина в молочной кислоте, после чего была сформована пленка, которую помещали в водный раствор триполифосфата при температуре 4°C.
Недостатком данного способа является многостадийный процесс получения хитозановых пленок. Получение нерастворимой в воде пленки при таком способе осуществляется в две стадии (получение водорастворимой пленки путем испарения воды из тонкого слоя раствора и поверхностная обработка триполифосфатом натрия), кроме того, способ не обеспечивает равномерность сшивки по всему объему пленки.
Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке одностадийного способа получения на основе хитозана нетоксичных и нерастворимых, но способных к набуханию в воде материалов. В зависимости от конкретного применения данные материалы могут быть выполнены в виде гидрогелей, покрытий и др. Получаемые материалы не должны растворяться в воде, обладать способностью набухать на 1000-7000% и при включении в их структуру биологически активных соединений обладать способностью к их выделению в окружающую среду в течение 2-х - 6-ти часов, что обеспечит их пролонгированное лечебное действие.
Данная задача решается тем, что в способе получения пленок на основе хитозана с использованием ионных сшивающих реагентов сшивающие реагенты пирофосфат калия и/или триполифосфат натрия вводят на стадии получения формовочного раствора при комнатной температуре в раствор хитозана с концентрацией 1,0-2,5% и при температуре 60°C в раствор хитозана с концентрацией 3,0-5,0% и мольном соотношении «ионное соединение - аминогруппа хитозана» 0,029-0,121 моль/моль. Для придания пленке антимикробного действия в формовочный раствор можно дополнительно вводить мирамистин в количестве 0,5% от массы хитозана.
ФИГ. 1 представляет собой кинетическую кривую выделения лидокаина из пленки на основе хитозана, сшитую пирофосфатом калия.
ФИГ. 2 представляет собой кинетическую кривую выделения мирамистина из пленки на основе хитозана, сшитую пирофосфатом калия.
Получение полимерного материала на основе хитозана осуществляется путем объемной модификации вместо используемой ранее поверхностной модификации пленок. Получение равномерно сшитого гидрогеля путем ведения ионных сшивающих реагентов в раствор хитозана с высокой концентрацией невозможно, так как в месте прибавления сшивающего реагента происходит коагуляция. Однако снижение концентрации раствора хитозана до 1,0-2,5% позволило ввести ионные соединения в раствор в количестве, необходимом для сшивки хитозана в процессе испарения растворителя. При испарении растворителя происходит концентрирование раствора, приводящее к сближению модифицированных макромолекул хитозана и образованию гидрогеля во всем объеме системы, что обеспечивает равномерность сшивки (сшивка происходит в гомогенном растворе) и высокую степень набухания полученного материала в воде. Повышение температуры раствора хитозана позволило вводить сшивающие реагенты в более концентрированные растворы (тепловое движение макромолекул препятствовало их сшивке). Получаемые пленочные материалы могут быть наполнены лекарственными соединениями различного действия путем введения их в раствор хитозана перед добавлением ионного сшивающего реагента или одновременно с полифосфатом.
Ниже приведены конкретные примеры использования заявляемого решения.
Пример 1
4
2
7
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2 мл 1% водного раствора пирофосфата калия (KPO) при 60°C. [Pyro]/[NH]=0,029 моль/моль. Пленку толщиной 50 мкм формуют методом полива на чашку Петри с последующим выдерживанием при комнатной температуре для испарения растворителя до постоянной массы пленки. Степень набухания полученной пленки в воде составляет 3450%.
Пример 2
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2 мл 2,5% водного раствора пирофосфата калия при 60°C. [Pyro]/[NH]=0,072 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Степень набухания 2334%.
Пример 3
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2 мл 2,5% водного раствора пирофосфата калия при 23°C. [Pyro]/[NH]=0,072 моль/моль. Происходит коагуляция в месте прибавления раствора сшивающего реагента. Формование невозможно.
Пример 4
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2 мл 1,5% водного раствора триполифосфата натрия при температуре 60°C. [ТПФ]/[NH]=0,039 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Степень набухания 2250%.
Пример 5
2
К 10 мл 2,5% раствора хитозана в 2,5% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2,8 мл 1,5% водного раствора пирофосфата калия при 22°C. [Pyro]/[NH]=0,098 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Степень набухания 1470%.
Пример 6
2
К 10 мл 1% раствора хитозана в 1% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2,8 мл 0,5% водного раствора триполифосфата натрия при 19°C. [ТПФ]/[NH]=0,072 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Степень набухания 6786%.
Пример 7
2
К 10 мл 2% раствора хитозана в 2% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 2,8 мл 0,5% водного раствора триполифосфата натрия при 22°C. [ТПФ]/[NH]=0,036 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Толщина пленки 90 мкм. Степень набухания 1710%.
Пример 8
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 5 мл 1% водного раствора пирофосфата калия и лидокаин в количестве 1% от массы полимера при 60°C. [Pyro]/[NH]=0,072 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Как видно из кинетической кривой выделения лидокаина из полученной пленки (ФИГ. 1), время выделения 42% лидокаина составило 1,5 часа.
Пример 9
2
К 10 мл 4% раствора хитозана в 4% водном растворе уксусной кислоты добавляют при постоянном перемешивании 5 мл 1% водного раствора пирофосфата калия и мирамистин в количестве 0,5% от массы полимера при 60°C. [Pyro]/[NH]=0,072 моль/моль. Формование аналогично примеру 1. Как видно из кинетической кривой выделения мирамистина из полученной пленки (ФИГ. 2), время выделения 90% мирамистина составило 6 часов.
На основании представленных примеров и кривых выделения антимикробного вещества мирамистина и анестетика лидокаина можно сделать вывод, что получаемые пленки могут быть использованы в медицине в качестве покрытий на раны и систем контролируемого выделения лекарственных средств.