ПОЛИМЕРНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER CELLULOSE COMPOSITION AND METHOD OF ITS OBTAINING

Изобретение относится к биоцидным волокнистым композициционным материалам на основе активированной хлопковой целлюлозы, модифицированной водорастворимыми ионогенными полиэлектролитами, содержащими четвертичные аммониевые катионы полиметакрилатгуанидиния, и к способу их получения.
Получение и исследование органических композитов "хозяин (полимерная матрица) - гость (полимерный носитель с иммобилизованным биологически-активным веществом)" в последнее время приобрели большое значение. Такие системы пролонгированного биоцидного действия могут быть использованы в качестве фильтрующего материала для стерилизации воздуха и обеззараживания речной воды, биокатализаторов, биорегуляторов, для изготовления одежды, упаковки, обеспечивающей сохранение стерильности хирургических инструментов в течение длительного времени. Низкомолекулярные биоцидные препараты и композиты на их основе обладают короткой продолжительностью действия, поэтому приходится увеличивать кратность их использования, что опасно передозировкой и риском возникновения негативных побочных эффектов. Применение полимерных композитов "хозяин - гость" позволяет решить данную проблему, а именно: путем регулирования химического состава, природы иммобилизации компонентов можно предложить удобную для использования форму, обеспечить заданную кинетику выделения основного биоцидного компонента, тем самым значительно увеличить срок службы изделий целевого назначения.
Для получения таких материалов исходные компоненты подвергают предварительной обработке - физической или химической активации, способствующей их взаимной иммобилизации [Дж.В.Стид, Дж.Л.Этвуд. Супрамолекулярная химия, т.1, 2 - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 895 с.].
Одним из наиболее интересных направлений химической модификации целлюлозы является получение биологически активных материалов общей формулы
1
где А и A - группы, способные реагировать с гидроксильными и альдегидными группами целлюлозы, С-ионогенные группы, М-координационно-связанный катион, обладающий антимикробными свойствами (способный в ряде случаев образовывать мобильные связи с функциональными группами целлюлозы), В - остаток соединения алифатического, ароматического или гетероциклического ряда. По методу придания "хозяину" - активированной целлюлозе антимикробных свойств существуют различные способы иммобилизации к ней М-катиона (основного антимикробного компонента) - за счет образования ковалентных связей и супрамолекулярного взаимодействия с С-ионогенными группами.
В настоящее время осуществлен синтез производных целлюлозы, содержащих химически связанные бактерицидные катионы (ионы металлов, четвертичные аммониевые и фосфониевые основания), антибиотики, йод, остатки ртуть- и оловоорганических соединений [А.Д.Вирник. Антимикробные целлюлозные волокнистые материалы. / Итоги науки и техники. Серия "Химия и технология высокомолекулярных соединений". Т.21. - М. - 1986].
1
1
1
1
Известен способ иммобилизации М-катиона в результате прививки к целлюлозе 1,2-диметил-5-винилпиридинийсульфата или соли полиакриловой кислоты (основных ионогенных носителей антимикробного компонента - М) [А.Д.Вирник, М.А.Пененжик, Л.Н.Глущенко, В.М.Горячев, З.А.Роговин, Г.В.Щеглова / - Текстильная промышленность, №5. - 1972, с.56]. Для получения целлюлозы, обладающей антимикробными свойствами, ткань обрабатывают водным раствором мономера, содержащим персульфат аммония, отжимают, нагревают при 100°С в среде водяного пара или при 120°С в термокамере, промывают и сушат. На второй стадии процесса проводят ионообменное присоединение ГХФ - гекса-хлорофена (2,2-дигидрокси-3,3,5,5,6,6-гексахлордифенилметана) или ионов меди к полученным привитым сополимерам целлюлозы путем обработки сополимера водными растворами динатриевой соли ГХФ или сернокислой меди. Основным недостатком такого способа является то, что образуется мономатричный композит, при этом реализуется только один тип взаимной иммобилизации - за счет радикальной привитой сополимеризации виниловой составляющей основного антимикробного компонента к целлюлозе. Кроме того, недостатками являются двухстадийность процесса и высокая температура стадии прививки мономера к целлюлозе, при этом достигается только антимикробный эффект.
Задача настоящего изобретения - расширение ассортимента модифицированных биоцидных целлюлоз путем создания моно- и биматричных композитов, в которых реализуются различные формы иммобилизации основного биоцидного компонента: механическая, сорбционная и сорбционно-химическая, прививочно-сополимеризационная, полимеризация in situ; это позволяет удешевить технологический процесс их получения, снизить энергетические затраты, повысить действенность препарата, снизить его расход за счет пролонгированного действия, одновременно устранить нежелательное воздействие препарата на здоровые органы и ткани.
Задача решается иммобилизацией в активированые целлюлозу или ди-альдегидцеллюлозу мономерного водорастворимого производного гуанидина - метакрилатгуанидина, имеющего цвиттер-ионную делокализованную структуру, с последующей его полимеризацией.
2
Модифицированную полиметакрилатгуанидином (ПМАГ) целлюлозу (Ц) или диальдегидцеллюлозу (ДАЦ) получают следующим путем. К водной суспензии активированных за счет набухания в воде Ц (с содержанием концевых альдегидных групп 0,5%) или ДАЦ (с содержанием альдегидных групп до 36%) при перемешивании добавляют водный раствор метакрилатгуанидина (МАГ) и персульфата аммония (ПСА), нагревают смесь до 60°С и проводят полимеризацию в течение 5-20 часов. Соотношение Ц/ДАЦ:НО=1:30 масс, концентрация МАГ в воде - 1,0-3,5 мас.%, соотношение МАГ:ПСА=1:0,001 масс. Полученный продукт отделяют от маточного раствора и сушат.
В ходе такой модификации образуется моно- или биматричная нанокомпозитная структура, содержащая иммобилизованный ПМАГ, который может быть связан с активированными Ц или ДАЦ различными типами связей, в частности: за счет ван-дер-ваальсовых сил; внутри- и межмолекулярных координационных и водородных связей; С-С связей, образующихся в ходе привитой радикальной сополимеризации МАГ с Ц или ДАЦ, а также лабильных ковалентных альдиминовых С=N связей, образующихся при взаимодействии альдегидных групп Ц или ДАЦ с аминогруппами ПМАГ.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами
Пример 1. Использовали Ц с содержанием концевых альдегидных групп до 0,5%. К 1 г Ц приливали 30 мл воды, содержащей 0,3 г МАГ и 0,0003 г ПСА, нагревали смесь до 60°С и проводили полимеризацию в течение 5 часов. Модифицированный продукт отделяли от маточного раствора и сушили.
Пример 2. Как в примере 1, только использовали ДАЦ. Реакцию полимеризации проводили 5 часов.
Пример 3. Как в примере 2, только реакция полимеризации проводили 20 часов. В результате получали однородную коллоидную дисперсию консистенции пасты (мази).
Пример 4. Как в примере 1, только к 1 г Ц приливали 30 мл воды, содержащей 1,05 г МАГ и 0,001 г ПСА.
Пример 5. К суспензии 1 г Ц в 20 мл воды при перемешивании при температуре 60°С добавляли раствор 0,3 г ПМАГ в 10 мл воды и выдерживали реакционную смесь при перемешивании в течение 5 часов. Ц, модифицированную ПМАГом, отделяли от маточного раствора путем фильтрования и высушивали.
Пример 6. Как в примере 5, только вместо Ц использовали ДАЦ.
Пример 7. Как в примере 5, только модифицированную ПМАГом Ц выдерживали 1 час в дистиллированной воде при 60°С, промывали для отделения ПМАГ с внешней поверхности Ц и сушили.
Пример 8. Как в примере 7, только вместо Ц использовалась ДАЦ.
Проведенные нами исследования показали, что ПМАГ, как и гуанидин, обладает широким спектром биоцидного действия.
Антимикробную активность Ц/ПМАГ и ДАЦ/ПМАГ изучали в условиях Нальчикской городской ветеринарной лечебницы. Предварительно механически очищенную рану покрывали салфетками из Ц/ПМАГ или ДАЦ/ПМАГ и перевязывали стерильными бинтами. При необходимости в раны вставляли турунды из исследуемого композита и ставили провизорные швы.
Бактерицидная эффективность модифицированной целлюлозы оценивалась по динамике воспалительного процесса и характеру заживления раневого дефекта. При оценке течения раневого процесса учитывался внешний вид раны, наличие отделяемого, гиперемии, отека и инфильтрации окружающих тканей, сроки формирования грануляций, очищения раны от некротических тканей, эпителизации раневой поверхности и заживления ран. Наблюдение проводилось ежедневно с учетом гистологических изменений в ранах. Через 3 суток от начала лечения отмечено, что при применении Ц/ПМАГ и ДАЦ/ПМАГ степень выраженности воспалительных процессов была снижена. Так, язвенный дефект кожи с гнойно-некротическими изменениями в дне сохранялся в течение первых 2 суток, к 5-м суткам происходило практически полное очищение раны от гнойно-некротического детрита и формирование соединительно-тканного рубца. Следовательно, гистологические исследования свидетельствуют о том, что использование Ц/ПМАГ и ДАЦ/ПМАГ при лечении гнойных ран приводит к скорейшему купированию гнойного воспаления и ускоряет заживление инфицированных дефектов кожных покровов.
Бактериологическими исследованиями установлено, что Ц/ПМАГ и ДАЦ/ПМАГ эффективны против протея вульгарного (Proteus vulgaris), синегнойной палочки (Ps. aureginosa) и золотистого стафилококка (Staph. Aureus).
Нами было установлено, что при иммобилизации МАГ в Ц или ДАЦ и последующей его радикальной полимеризацией in situ и привитой сополимеризацией между компонентами системы образуются различные типы связей: за счет ван-дер-ваальсовых сил; внутри- и межмолекулярные координационные и водородные связи; С-С связи, а также лабильные ковалентные альдиминовые C=N связи, которые могут образоваться при взаимодействии альдегидных групп Ц или ДАЦ с аминогруппами ПМАГ.
2
3
⊕
В катионотропных четвертичных иминопроизводных солях метакрилат-гуанидина (МАГ) основной биоцидный компонент - катион гуанидиния (С(NH)) (протонированная форма исходного гуанидина, который имеет симметрию третьего порядка) связан с карбоксилат-анионом метакриловой кислоты следующим образом:
2
2
2
2
2
3
Данный тип наиболее вероятен для истинных четвертичных иминопроизводных солей слабых кислот [Общая органическая химия. т.3. / Под ред. Н.К.Кочеткова, Л.В.Бакиевского. - М: Химия, 1982]. Длина связи C-N в катионе равна 0,132 нм, и он является прекрасным центром связывания с различными структурными фрагментами нуклеофильной природы, т.к. остается протонированным в очень широком диапазоне рН, например, 4% водные растворы (HN)C=NH·HCl и (HN)C=NH·0,05HCO имеют значения рН 6,4 и 11,2 [Химическая энциклопедия. T.1, - М., 1988].
При наличии нуклеофилов, конкурирующих с карбоксилат-анионами, но не образующих истинные цвиттерионные резонансные структуры, наблюдается второй тип связывания.
В нашем случае нуклеофильной составляющей -X в таких полимерных цвиттерионных делокализованных резонансных структурах выступает атом кислорода альдегидной (-СНО) или гидроксильной (-ÖН) групп Ц или ДАЦ. При этом указанные связи относительно легко могут разрушаться и восстанавливаться (иногда образуя другие структуры) как под действием различных природных факторов, так и в результате направленного целевого воздействия (изменение рН среды, температуры, природы растворителя, а также за счет взаимодействия с конкурирующими обменными катионами или мембранной поверхностью бактериальной клетки).
Третий тип связывания возможен за счет образования альдиминовых связей C=N (азот-углеродных ковалентных связей) при реакции конденсации МАГ или ПМАГ с альдегидными группами Ц или ДАЦ.
Кроме того, образуются углерод - углеродные связи за счет радикальной привитой сополимеризации виниловой составляющей МАГ на Ц/ДАЦ; такая полимеризация может протекать в присутствии виниловых мономеров и персульфата аммония [Вирник А.Д. / Химия и технология высокомолекулярных соединений, т.21. - 1986]. Во всех этих случаях получаются достаточно устойчивые модифицированные продукты.
Образование различных связей в ходе иммобилизации за счет взаимодействия альдегидных или гидроксильных групп Ц или ДАЦ с полимерными цвиттер-ионными парами метакрилатгуанидина (носителя биоцидных свойств) было доказано ИК-спектроскопией (эмульсия в вазелиновом масле) образцов целлюлозы (Ц); диальдегидцеллюлозы (ДАЦ); диальдегидцеллюлозы, обработанной метакрилатгуанидином (ДАЦ+МАГ); диальдегидцеллюлозы, модифицированной полиметакрилатгуанидином (ДАЦ+ПМАГ).
-1
2
Спектральным тестом наличия или отсутствия двойной связи в исследованных образцах Ц/ДАЦ является полоса поглощения в области 860-850 см, характерная для неплоских деформационных колебаний в узле СН=С<, которая позволила наблюдать не только за процессами получения ПМАГ при полимеризации МАГ in situ, но и за исчезновением двойных связей в процессе привитой сополимеризации между компонентами системы в внутри- и межфибриллярных порах синтезируемых супрамолекулярных наноструктур. Появление новых или исчезновение имеющихся полос в ИК-спектрах указывает на процесс взаимной модификации Ц/ДАЦ и МАГ/ПМАГ, а уширение полос и сдвиг частот спектра, которые отражают локальное окружение функциональных групп, свидетельствует о взаимной иммобилизации исходных компонентов.
-1
-1
-1
-1
В ИК-спектре МАГ проявляются полосы поглощения 3385, 3100, 1680, 1656, 1528, 860 см. Качественное совпадение полос поглощения МАГ и ПМАГ в области 3450-3100 см, 1680-1650 см, 1560-1520 см указывает на то, что природа связывания катиона гуанидиния в мономере и полимере имеет много общего. В то же время нами были обнаружены существенные различия в спектрах Ц, ДАЦ, Ц-МАГ, Ц-ПМАГ (in situ), ДАЦ-МАГ, ДАЦ-ПМАГ (in situ), ДАЦ-ПМАГ(пример 8).
ИК-спектр Ц соответствовал литературным данным [В.И.Азаров, А.В.Буров, А.В.Оболенская. /Химия древесины и синтетических полимеров. С.-Петербург, 1999 г.].
-1
-1
-1
-1
-1
Присутствие в образце Ц-МАГ нескольких полос в области 1000-1200 см, характерных для целлюлозы хлопковой, и полосы поглощения в области 854 см (MAT) свидетельствует о том, что концевые СНО-группы Ц и МАГ прореагировали между собой. Увеличение интенсивности пика 1655 см в спектре Ц-МАГ также указывает на образование альдиминовой связи, дающей сигнал в этой области. Пик с максимумом 1645 см (деформационные колебания прочно связанной воды в Ц) в спектре Ц-МАГ смещается в область 1655 см, что свидетельствует о вытеснении МАГом воды.
-1
-1
-1
-1
В спектре ДАЦ имеется полоса средней интенсивности в области 1740 см, характерная для несвязанных альдегидных групп, что наблюдается только в диальдегидцеллюлозе высокой степени окисления и указывает на его образование [В.Н.Сюткин, А.Г.Николаев, С.А.Сажин, В.М.Попов, А.А.Заморянский. / Химия растительного сырья. №2. - 1999]. При сравнении ИК-спектров ДАЦ и ДАЦ-МАГ видно, что пик 1740 см (свободные альдегидные группы) в спектре ДАЦ-МАГ исчезает, увеличивается интенсивность пика в области 1660 см (альдиминовые связи). Увеличение ширины характеристических полос поглощения в ДАЦ-МАГ в области 1450-1680 см, вероятно, связано с образованием относительно прочных связей МАГ с активными центрами ДАЦ.
-1
-1
-1
-1
В ИК-спектрах Ц-ПМАГ и ДАЦ-ПМАГ (in situ) исчезает пик 860 см и существенно падает интенсивность пика 1660 см, что свидетельствует о полимеризации МАГ на поверхности и внутри фибриллярных пор in situ. Кроме того, меняется соотношение интенсивностей полос поглощения как ПМАГ (1580, 1565, 1532 см>С=O группа), так и Ц/ДАЦ (область 1000-1100 см). Очевидно, что ПМАГ встраивается в Ц или ДАЦ, или образуются водородные связи между функциональными группами ПМАГ и Ц/ДАЦ.
Для механических смесей Ц/ДАЦ - ПМАГ после отмывки неиммобилизованного ПМАГ (примеры 7,8) в ИК-спектрах наблюдается слабая интенсивность полос поглощения, характерных для ПМАГ, т.е. можно предположить, что ПМАГ незначительно встраивается в цепи Ц/ДАЦ.
Таким образом, при модификации Ц/ДАЦ ПМАГом образуется модифицированный целлюлозный волокнистый материал, в котором проявляется синергизм уникальных свойств исходных компонентов. Выбор Ц/ДАЦ и полимерных гуанидинсодержащих цвиттерионных делокализованных резонансных структур для получения новых модифицированных моно- и биматричных композиционных материалов, в которых имеются ковалентные, ионные или координационные связи целлюлозы с солями четвертичных аммониевых оснований, открывает перспективу создания наноструктур и нанокомпозитов с трансформерной полимерной матрицей, представляющих существенный научный и практический интерес. Изделия на их основе можно использовать для изготовления одежды, упаковки, перевязочных материалов медицинского назначения, а также фильтрующих мембран для стерилизации воздуха и обеззараживания речной воды, обладающих одновременно пролонгированными биоцидными и легко регенирируемыми адсорбционными свойствами, поскольку в состав гуанидинсодержащих мономеров и полимеров входят ионогенные группы. Именно назначение будущих изделий в значительной степени определило способы их получения, состав и важнейшие параметры новых биоцидных мономеров, тип связывания в них основного биоцидного компонента, природу супрамолекулярных связей, обуславливающих его иммобилизацию с матрицей в композитах, полученных нами.