МОДИФИЦИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА, ОБЛАДАЮЩАЯ БИОЦИДНЫМИ СВОЙСТВАМИ, И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
MODIFIED CELLULOSE HAVING BIOCIDAL PROPERTIES AND PRODUCTION METHOD THEREOF

Изобретение относится к биоцидным волокнистым материалам на основе производных хлопковой целлюлозы (2,3-диальдегидцеллюлозы высокой степени окисления), модифицированной водорастворимыми ионогенными органическими соединениями, конкретно четвертичными аммониевыми катионами метакрилатгуанидиния, и к способу их получения.
Широкое развитие исследований по приданию биоцидных свойств целлюлозным волокнистым материалам обусловлено тем, что целлюлоза является доступным и распространенным в природе полимерным материалом. Исследования, посвященные синтезу производных целлюлозы, содержащих биоцидные вещества, разработке научных основ, методов и технологии изготовления указанных материалов, а также изучению свойств и наиболее эффективных областей их применения, имеют большое научное и практическое значение.
В настоящее время описано большое число производных целлюлозы и других волокнообразующих полимеров различного строения и назначения, обладающих антимикробным действием [А.Д.Вирник. Антимикробные целлюлозные волокнистые материалы. / Итоги науки и техники. Серия "Химия и технология высокомолекулярных соединений". Т.21. - М. - 1986].
Возможность синтеза производных целлюлозы, обладающих антимикробными свойствами, была показана в ряде работ, где к активированной целлюлозе (диальдегидцеллюлозе) путем иммобилизации антимикробного препарата альдиминовой связью ON присоединяли антимикробные вещества ароматического или алифатического ряда, в молекулах которых имелись аминогруппы [Патент РФ №2152402. Способ получения азометиновых производных целлюлозы. Б.Ф.Куковицкий, В.А.Демин (2000 г.); Патент РФ №2169736. Водорастворимые карбоксиметилазометиновые производные целлюлозы и способ их получения. Б.Ф.Куковицкий, В.А.Демин, И.А.Разманова (2001 г)].
Наиболее близким к предлагаемому нами способу получения в структуре модифицированной целлюлозы альдиминовых связей C=N является продукт взаимодействия 2,3-диальдегидцеллюлозы с 5-амино-1,3,4-триазолом [Авт.свид. НБР №24468. 2,3-ди(5-азино-1,3,4-триазол)-целлюлоза и способ ее получения. Д.Г. Димитров, К.Д. Димов, Б.А. Димитров (1979 г.): 3 г 5-амино-1,3,4-триазола (гидромодуль 1:30) и 5 г 2,3-диальдегидцеллюлозы греют 2 часа при 98°С, твердую фазу отделяют, сушат при 70°С до постоянной массы и получают 2,3-ди[(1,3,4-триазолил-5)-азино]-целлюлозу, обладающую противомикробными свойствами. К недостаткам такого способа следует отнести использование в больших количествах достаточно дорогого 5-амино-1,3,4-триазола, при этом достигается только антимикробный эффект. В данном случае реализуется только один тип взаимной иммобилизации исходных компонентов - образование ковалентных альдиминовых связей, в то время как процессы взаимной иммобилизации исходных компонентов в зависимости от природы носителя и механизма включения основного биологически активного компонента могут включать и другие типы иммобилизации.
Задача настоящего изобретения - расширение ассортимента модифицированных целлюлоз, с различными формами иммобилизации исходного биоцидного компонента: механической, сорбционной и сорбционно-химической, которые позволяют одновременно решить несколько задач: удешевить технологический процесс их получения, повысить действенность препарата, снизить его расход за счет пролонгированного действия, одновременно устранить нежелательное воздействие препарата на здоровые органы и ткани.
Задача решается обработкой 2,3-диальдегидцеллюлозы высокой степени окисления (АЦХ) водорастворимым производным гуанидина - метакрилатгуанидином (МАГ), имеющим цвиттер-ионную делокализованную структуру. Выбор АЦХ и МАГ для получения новых модифицированных материалов обусловлен их способностью к образованию достаточно устойчивой супрамолекулярной системы «хозяин-гость», где в качестве хозяина (матрицы) выступает АЦХ.
Модифицированную метакрилатгуанидином 2,3-диальдегидцеллюлозу получают следующим путем. К АЦХ с содержанием альдегидных групп 33-34% (максимальное содержание альдегидных групп - 36%) при комнатной температуре при перемешивании добавляют водный раствор метакрилатгуанидина (МАГ) и выдерживают смесь 5-10 час. Соотношение диальдегидцеллюлоза:вода=1:30 (мас.), концентрация МАГ в воде - 1,0-1,5%. Полученный продукт отделяют от маточного раствора и сушат. Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. К 1 г ДАЦ приливали 30 мл воды, содержащей 0,3 г метакрилатгуанидина. Суспензию при постоянном перемешивании выдерживали при комнатной температуре в течение 5 ч, полученный продукт отфильтровывали, промывали дистиллированной водой и высушивали.
Процент иммобилизации МАГ в ДАЦ - 2,62% (рассчитано по элементному анализу модифицированной ДАЦ на азот).
Пример 2. Как в примере 1, только в 30 мл воды содержалось 0,45 г метакрилатгуанидина.
Процент иммобилизации МАГ в ДАЦ - 3,94%.
Пример 3. Как в примере 1, только взаимодействие диальдегидцеллюлозы с метакрилатгуанилином проводилось 10 часов.
Процент иммобилизации МАГ в диальдегидцеллюлозу - 4,49%.
Таким образом, процент иммобилизации МАГ в диальдегидцеллюлозу зависит от концентрации МАГ в воде и времени иммобилизации.
Ранее было установлено, что метакрилат гуанидина МАГ, как и гуанидин, обладает широким спектром биоцидного действия. Гистологические исследования модифицированной целлюлозы свидетельствуют о том, что использование АЦХ, модифицированной 1% МАГ, при лечении гнойных ран приводит к скорейшему купированию гнойного воспаления и ускоряет заживление инфицированных дефектов кожных покровов. Бактериологическими исследованиями установлено, что АЦХ, модифицированная МАГ, эффективна против протея вульгарного (Proteus vulgaris), синегнойной палочки (Ps. aureginosa) и золотистого стафилококка (Staph. Aureus).
Было установлено, что иммобилизация МАГ в целлюлозу происходит не только за счет образования лабильных ковалентных альдиминовых C=N связей, но и за счет механического включения, Ван-дер-Ваальсовых сил, внутри- и межмолекулярных координационных и водородных связей. В примерах дан процент иммобилизации МАГ без учета механического включения МАГ за счет пропиточного раствора, т.к. при промывке водой растворимый в воде МАГ удалялся с промывными водами. Для использования полученной модифицированной АЦХ в качестве биоцидного материала ее можно не промывать водой после модификации, т.к. механически включенный МАГ образует «ударную дозу» и выходит с носителя первым.
2
3
⊕
В катионотропной четвертичной иминопроизводной соли метакрилат-гуанидина (МАГ) основной биоцидный компонент - катион гуанидиния (С(NН)) (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·0,5HCO 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 цвиттер-ионные резонансные структуры, наблюдается второй тип связывания
δ-
В нашем случае нуклеофильной составляющей -Х может выступить атом кислорода альдегидной (-СНО) или гидроксильной (-ÖН) групп диальдегидцеллюлозы. 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 с ДАЦ.
Во всех этих случаях получаются достаточно устойчивые модифицированные продукты.
Образование различных связей в ходе иммобилизации за счет взаимодействия альдегидных или гидроксильных групп ДАЦ с цвиттер-ионными парами метакрилатгуанидина (носителя биоцидных свойств) было доказано ИК-спектроскопией (эмульсия в вазелиновом масле) образцов ДАЦ и ДАЦ, обработанной метакрилатгуанидином (ДАЦ+МАГ).
Появление новых или исчезновение имеющихся полос в ИК-спектрах указывает на процесс взаимной модификации ДАЦ и МАГ, а уширение полос и сдвиг частот спектра, которые отражают локальное окружение функциональных групп, свидетельствует о взаимной иммобилизации исходных компонентов.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В ИК-спектре МАГ проявляются полосы поглощения 3385, 3100, 1680, 1656, 1528, 860 см. В тоже время нами были обнаружены существенные различия в спектрах ДАЦ и ДАЦ-МАГ. В образце ДАЦ-МАГ присутствуют несколько полос в области 1000-1200 см, характерных для ДАЦ, и полосы поглощения в области 854 см (МАГ). 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 1655 см (альдиминовые связи). Пик с максимумом 1645 см (деформационные колебания прочно связанной воды в ДАЦ) в спектре ДАЦ-МАГ смещается в область 1655 см, что свидетельствует о вытеснении МАГом воды.
-1
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.
Таким образом, при взаимодействии диальдегидцеллюлозы с гуанидинметакрилатом образуется модифицированный целлюлозный волокнистый биоцидный материал. Изделия из такого материала 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 соединений входят ионогенные группы.