СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И ПЛЕНОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА
METHOD FOR FORMING CHITOSAN FILM COATING AND CHITOSAN FILM COATING

Группа изобретений относится к химической и биохимической технологии, в частности к способам получения тонких высокоэластичных пленок и пленочных материалов на основе хитозана с расширенными терапевтическими возможностями, и может быть использовано в медицине, фармакологии, биологии, а также в косметической и пищевой промышленности.
Аминополисахарид хитозан, получаемый из хитина панцирей ракообразных, характеризуется рядом ценных свойств - не токсичен, обладает высокой сорбционной способностью, проявляет антибактериальное и противогрибковое действие, биосовместим с тканями человека, влияет на процессы регенерации поврежденных кожных покровов, биодеградируем естественным метаболическим путем и др.
Комбинация уникальных свойств хитозана с ценными качествами органических кислот многоцелевого применения (применяемых, например, в косметологии, медицине, фармакологии, пищевой промышленности и др.) может быть использована при создании новых хитозансодержащих материалов различного функционального назначения.
Пленочные материалы на основе хитозана традиционно формуют по сухому способу из водно-кислотных растворов, в которых полимер находится в солевой форме [Вихорева Г.А., Гальбрайх Л.С. Пленки и волокна на основе хитина и его производных // Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение. М.: Наука. 2002. С.254-279]. Наиболее часто для растворения хитозана применяют уксусную кислоту концентрации С=2-10%. Использование уксусной кислоты с С<2% и С>10% экономически не целесообразно, а с С>10% еще и экологически небезопасно. Тонкие пленки из ацетата хитозана характеризуются достаточной (для целей медицины, фармакологии, косметологии и др.) прочностью. Однако недостатком таких пленок является их невысокая эластичность. Например, свежесформованные пленки из ацетата хитозана (с молекулярной массой  кДа и степенью деацетилирования 80-90%) толщиной d=50-250 мкм, полученные из растворов полимера в уксусной кислоте с С=2-10%, характеризуются величиной относительного удлинения при разрыве ε=2.6-14.7% [Зоткин М.А., Вихорева Г.А., Кечекьян А.С. Термомодификация хитозановых пленок в форме солей с различными кислотами // Высокомолек. соед. 2004. Т.46 Б. №2. С.359-363; Нудьга Л.А., Петрова В.А., Гофман И.В. и др. Химические и структурные превращения в хитозановых пленках в процессе хранения // Журн. приклад, химии. 2008. Т.81. №11. С.1877-1881; Федосеева Е.Н., Алексеева М.Ф., Смирнова А.Л. // Вестник Нижегородск. ун-та. 2008. №5. С.58-62; Федосеева Е.Н., Алексеева М.Ф., Нистратов В.П., Смирнова А.Л.// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т.75. №7. С.42-46].
Пленки хитозана, полученные из растворов полимера в муравьиной и пропионовой кислот концентрации С=2%, также характеризуются сравнительно высокой прочностью и низкой эластичностью, величина ε=7-17% [Зоткин М.А., Вихорева Г.А., Кечекьян А.С.Термомодификация хитозановых пленок в форме солей с различными кислотами // Высокомолек. соед. 2004. Т.46 Б. №2. С.359-363]. Термообработка данных пленок, а также полученных из растворов хитозана в уксусной кислоте С=2%, при 120°С в течение 3 часов упрочняет пленки, и практически не влияет на эластичность: величина относительного удлинения при разрыве теомообработанных пленок из ацетата, пропионата и формиата хитозана составила ε=5-11%.
Известно получение пленок хитозана из его растворов в соляной, масляной, валериановой, бензойной и каприловой кислот [Alekseeva M., Fedoseeva Е., Frolov V., Nistratov V., Smirnova L. The strength of chitosan films. The role of molecular weight, the degree of order, the nature ofcontre-ion // Progress on chemistry and application of chitin and its derivatives. Media-Press. Lodz. Poland. 2009. V.XIV. P.65-74]. Получаемые пленки обладают сравнительно высокой прочностью, величина разрывного напряжения (σ) экстремально зависит от длины углеводородного радикала кислоты, используемой в составе растворителя. Однако эластичность пленок - низкая. Например, пленки, полученные из раствора хитозана в соляной кислоте, характеризуются величиной относительного удлинения при разрыве ε=1.2-2.5%. При увеличении углеводородного радикала кислоты, используемой для растворения хитозана, отмечается постепенное вырождение участка вынужденно-эластической деформации на деформационной кривой. Эластичность наблюдалась только у пленок хитозана, полученных из растворов полимера в каприловой кислоте: пленки свободно сворачиваются в плотный рулон и затем без повреждений разворачиваются. Однако количественные данные о величине относительного удлинения при разрыве таких пленок не приведены.
Порошковые композиции хитозана с янтарной кислотой применяются в качестве агрохимических препаратов [Гамзазаде А.И. Производные хитина/хитозана контролируемой структуры в качестве потенциально новых биоматериалов // Дис… д. хим. н. Москва. 2005. 363 с.]. Набухание узкодисперсной фракции хитозана в высокополярном растворителе в кислой среде с последующим добавлением янтарной кислоты используют для получения водорастворимых производных хитозана [Патент РФ №2099351]. Коллоидные растворы хитозана в молочной кислоте используются для получения продуктов диетического питания [Евдокимов И.А., Василисин С.В., Алиева Л.Р. и др. Физико-химические характеристики растворов хитозана // Вестник СевКазГТУ. Сер. Продовольствие. 2003. Т.6. №1. http://www.nestu.ru]. Многокомпонентные композиции сложного состава, включающие дополнительно в небольших количествах хитозан (0.5-1.0 мас.%) и лимонную кислоту (0.05-0.5 мас.%), используются для получения бальзама для волос противовоспалительного действия, препятствующего выпадению волос и образованию перхоти [Заявка на изобретение РФ №93032461/14, 21.06.1993], средства для обработки рук [Заявка на изобретение РФ №2006117617/15, 23.05.2006]. Задача получения высокоэластичных пленок и пленочных материалов из таких композиций и коллоидных растворов не ставилась.
Известно использование хитозана и 1%-ного раствора лимонной кислоты для получения пищевого функционального продукта, включающего хитозан, масложировой фосфолипидный продукт, вкусоароматические добавки, порошок из выжимок тыквы, порошок из семян винограда и порошок из солода бобовых [Заявка на изобретение РФ №2007110612/13, 22.03.2007]. Фосфолипидный продукт получают путем четырехкратного смешивания предварительно нагретых растительных фосфолипидов с органическим растворителем, и перед третьим смешиванием добавляют 1%-ный раствор лимонной кислоты в обводненном ацетоне. Получение высокоэластичных пленок и пленочных материалов из хитозана в задаче не ставилось.
Известен модифицированный хитозановый продукт и способ его получения, включающий стадию приготовления кислого водного раствора хитозана, удаление нерастворившихся частиц фильтрованием и/или осаждением и сшивки хитозана в присутствии органического растворителя и поверхностно-активного вещества в слабокислых, нейтральных или слабо щелочных, или щелочных условиях, в зависимости от используемого сшивающего агента, при непрерывном диспергировании, предусматривающий проведение перед сшивкой хитозана темплатного синтеза или хелатокмоплексообразование [Заявка на изобретение РФ №2005125946/04, 04.08.2005]. В качестве сшивающего агента используют насыщенные или ненасыщенные карбоновые, дикарбоновые или трикарбоновые кислоты, такие как ацетоксиянтарная, гликоуксусная, глутаровая, диацетилвинная, дигликолевая, итаконовая, коричная, кротоновая, лимонная, малеиновая, малоновая, метакриловая, метилянтарная, пропионовая, пропеновая, салициловая, фталевая, фумаровая, цитраконовая, щавелевая, янтарная, или их ангидриды, или их галоидангидриды, или их дигалоидангидриды, или их альдегиды, или их диальдегиды, или их окси- или оксопроизводные, или их диглицидные эфиры, или их другие производные. Модифицированный хитозановый продукт может быть получен в виде фрактальных хитозановых частиц с характерным размером нанофракталов не менее 1 нм и не более 5000 нм или поперечно сшитого сетчатого полимера с множеством сферических полостей, имеющих размер не менее 1 нм и не более 5000 нм.
Модифицированный хитозановый продукт может быть использован для получения водорастворимого хитозанового геля со структурой хитозановой массы в виде фрактальных хитозановых частиц или поперечно сшитого сетчатого полимера с множеством сферических полостей путем диспергирования модифицированного хитозанового продукта в воде с последующим добавлением кислоты, разрешенной к употреблению в косметологии, фармакопее или пищевой промышленности, тщательным перемешиванием композиции и выдерживанием в течение не менее 1 мин. В качестве кислоты используют уксусную или лимонную, или муравьиную, или бензойную, или салициловую, или ацетилсалициловую, или гликолевую, или никотиновую, или диоксибензойную, или молочную, или щавелевую кислоты, или их любую смесь.
Недостатком способа является многостадийность получения готового продукта, его сложная структурная организация и высокая себестоимость. Задача получения модифицированного хитозанового продукта в виде высокоэластичных пленок и пленочных материалов не ставилась.
Наиболее близким к заявленному пленочному покрытию на основе хитозана является повязка для лечения ран в виде пленки, включающая хитозан, полученный из панцирей краба, поливиниловый спирт, глутаровый альдегид и биологически активную добавку [Патент РФ №2219954]. При этом пленка содержит хитозан в виде соли органической кислоты, выбранной из уксусной, янтарной или гликолевой кислоты.
Недостатком повязки для лечения ран в виде пленки является небольшое содержание хитозана (1-6 мас.%). Основное содержание повязки составляет поливиниловый спирт (60-90 мас.%), который, в отличие от хитозана, не является биологически активным полимером и не проявляет антибактериальные, репаративные и др. свойства. Кроме того, повязка содержит токсичное вещество - глутаровый альдегид, являющийся сшивающим агентом. Вследствие образования неконтролируемых сшивок между глутаровым альдегидом, хитозаном и поливиниловым спиртом такая многокомпонентная пленка обладает низкой эластичностью.
Наиболее близким решением к предлагаемому способу получения пленочного покрытия на основе хитозана является способ получения раневого покрытия, включающий в себя растворение хитозана и коллагеноподобного белка в органической кислоте, диализ полученного раствора, введение вспомогательных веществ и структурообразователя и лиофильную сушку, при этом в качестве органической кислоты используют полиосновную карбоновую кислоту или смесь полиосновных карбоновых кислот в соотношении указанная кислота: растворяемые вещества от 1:4 до 2:1 по сухому весу, а после диализа в полученную смесь дополнительно вводят низкомолекулярную аминокислоту [Патент РФ №2240830]. Способ предполагает также введение пластификатора (выбранного из группы полиспиртов, например глицерина и/или поливинилового спирта) и вспомогательных веществ, усиливающих антибактериальную защиту (например, хлоргексидин биклюконат, полисепт).
Недостатком способа получения раневого покрытия является многостадийность и длительность процесса, необходимость соблюдения определенного температурного режима при приготовлении растворов компонентов, обязательное наличие стадии диализа раствора при соотношении диализуемого раствора к воде не менее 1:100 в течение менее 16 часов, введение агрессивного сшивающего агента - глутарового альдегида, введение пластификатора и специальных биологически активных веществ, а также замораживание в сублимационной камере и сублимационная сушка. Это приводит к высокой себестоимости раневого покрытия. Кроме того, получаемое раневое покрытие, несмотря на высокие ранозаживляющие свойства, неспособно моделировать поверхность раны, особенно поверхности со сложным рельефом. Это, в свою очередь, снижает лечебный эффект данного раневого покрытия.
Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в повышении эластичности пленки на основе хитозана при упрощении технологии ее изготовления, а также повышении ее биоцидных свойств.
Поставленная задача решалась за счет создания эластичного пленочного покрытия на основе хитозана, включающего хитозан в виде соли органической кислоты, при этом согласно техническому решению величина относительного удлинения при разрыве пленочного покрытия составляет не менее 40%, а в качестве органической кислоты используют водный раствор 4-6%-ной лимонной или 2-8%-ной молочной кислоты, при соотношении компонентов, мас.%:
хитозан - 40-80,
органическая кислота - 2-8,
вода - остальное.
Для улучшения процессов углеводного, белкового и жирового обмена пленочное покрытие может включать витамин В1 в количестве не более 0.5 мас.%.
2
Также поставленная задача решается тем, что в способе получения пленочного покрытия на основе хитозана, включающем в себя растворение хитозана в органической кислоте с получением формовочного раствора, нанесение полученного формовочного раствора на подложку с последующим выдерживанием раствора на подложке до достижения пленочной структуры, в качестве органической кислоты используют 4-6%-ную лимонную кислоту или 2-8%-ную молочную кислоту, при соотношении компонентов хитозан: органическая кислота 1:2-1:4, мас.%. Дополнительно в формовочный раствор вводят витамин В1 в количестве не более 0.5 мас.%. При приготовлении формовочного раствора используют хитозан с молекулярной массой 80-500 кДа. Для получения пленки толщиной 50-250 мкм формовочный раствор наносят на подложку в объеме 0.2-0.25 мл/см подложки.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Навеску хитозана растворяют в водном растворе лимонной или молочной кислоты фиксированной концентрации. При этом получают формовочный раствор, который переносят на инертную подложку и испаряют растворитель в течение 3-7 суток в зависимости от природы и концентрации кислоты (из диапазона 2-8%) при комнатной температуре (T≅22±2°С) в статических условиях. Затем пленочный образец отделяют от подложки, определяют его толщину, которая может составлять 50-250 мкм, упругопластические характеристики и бактерицидные свойства.
Использовали образцы хитозана с молекулярной массой  кДа и с близкой степенью дезацетилирования 80-85 мол.%.
Толщину пленок (d) хитозана измеряли микрометром с ценой деления 10 мкм. Измерения проводили несколько раз на различных участках пленки, затем рассчитывали среднее значение толщины.
Упругопластические свойства пленок определяли согласно ГОСТу №14236-81 [Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение] на разрывной машине одноосного растяжения Tira Test 28005 с ячейкой нагружения 100 Н. Разрывную нагрузку и удлинение определяли при разрыве. Разрывное напряжение (σ) определяли с учетом площади поперечного сечения образца, взятого на испытания, и выражали в мПа. Относительное удлинение при разрыве (ε) рассчитывали с учетом первоначальной длины пленочного образца, взятого на испытание, и выражали в процентах.
Бактерицидные свойства пленок изучали на примере грамотрицательных и грамположительных микроорганизмов раневых инфекций: тест штаммов культур кишечной палочки Esherichia coli и золотистого стафилококка Staphylococus aureus. Микроорганизмы высевали "газонным посевом" на плотную питательную среду АГВ. Пленку хитозана диаметром 4 мм помещали на засеянную газоном бактериальную культуру. Время экспозиции составляло 24 часа. Бактерицидную активность контролировали величиной диаметра зоны ингибирования (D, мм) засеянных газоном культур микроорганизмов в месте размещения испытуемого пленочного образца. Результаты получены усреднением 4-6 параллельных опыта.
Применимость заявляемого решения иллюстрируется следующими примерами.
Группа примеров 1-10. Получение пленок хитозана из растворов полимера в лимонной или молочной кислоте, физико-механические характеристики пленок из цитрата и лактата хитозана.
Пример 1. Навеску 2 г хитозана с  кДа растворяют в 100 мл 4%-ного водного раствора лимонной кислоты. Полученный формовочный раствор в объеме 20 мл переносят на полиэтиленовую подложку и испаряют растворитель в течение 3-4 суток при комнатной температуре в статических условиях. Соотношение компонентов в готовом пленочном покрытии составило, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 4, вода - остальное. Толщина пленки из цитрата хитозана составила d=50 мкм.
Сформированный пленочный образец подвергают одноосному растяжению на разрывной машине. Величина относительного удлинения при разрыве составила ε=48% при разрывном напряжении σ=9.7 мПа.
Пример 2 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в использовании образца хитозана с  кДа. Соотношение компонентов в пленке составило, мас.%: хитозан - 78, органическая кислота - 4, вода - остальное. Толщина пленки из цитрата хитозана составила d=100 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=60%, разрывное напряжение σ=0.4 мПа.
Пример 3 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в использовании образца хитозана с  кДа и 6%-ного водного раствора лимонной кислоты.
Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 75, органическая кислота - 6, вода - остальное. Характеристики: толщина пленки из цитрата хитозана d=60 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=70%, разрывное напряжение σ=0.2 мПа.
Пример 4 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в дополнительном введении в формовочный раствор витамина В1 в количестве не более 0.5 мас.% от массы формовочного раствора (пример 1). Соотношение компонентов, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 4, витамин В1-0.5, вода - остальное. Характеристики: толщина пленки из цитрата хитозана d=50 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=42%, разрывное напряжение σ=3.0 мПа.
Пример 5 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в использовании 2%-ного водного раствора молочной кислоты. Соотношение компонентов в пленке составило, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 2, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=95±5 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=47.5%, разрывное напряжение σ=9.1 мПа.
Пример 6 выполнен аналогично примеру 5. Отличие состояло в использовании образца хитозана с  кДа. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 2, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=95±5 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=50%, разрывное напряжение σ=14.5 мПа.
Пример 7 выполнен аналогично примеру 5. Отличие состояло в использовании 4%-ного водного раствора молочной кислоты. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 50, органическая кислота - 4, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=190±10 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=180%, разрывное напряжение σ=3.6 мПа.
Пример 8 выполнен аналогично примеру 7. Отличие состояло в использовании образца хитозана с  кДа. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 40, органическая кислота - 4, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=210±10 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=200%, разрывное напряжение σ=0.8 мПа.
Пример 9 выполнен аналогично примеру 7. Отличие состояло в использовании образца хитозана с  кДа. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 40, органическая кислота - 4, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=235±15 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=470%, разрывное напряжение σ=0.8 мПа.
Пример 10 выполнен аналогично примеру 8. Отличие состояло в использовании 8%-ного водного раствора молочной кислоты. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 40, органическая кислота - 8, вода - остальное. Толщина пленки из лактата хитозана составила d=220±20 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=300%, разрывное напряжение σ=0.8 мПа.
При помещении пленочного покрытия, полученного по примерам 1-10, на поверхность со сложным рельефом (например, на выпуклые участки фронтальной или дорсальной сторон тела человека, дистальную часть верхней конечности, подошвенной или тыльной поверхностей стопы и т.п.) происходит моделирование профиля поверхности за счет эластичных свойств пленки.
Примеры 11, 12 (альтернативные примеры выполнения пленочного покрытия). Получение пленок хитозана из растворов полимера в уксусной или янтарной кислоте, физико-механические характеристики пленок из ацетата и сукцината хитозана.
Пример 11 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в использовании 2%-ного водного раствора уксусной кислоты. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 2, вода - остальное. Толщина пленки из ацетата хитозана составила d=55±5 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=1.4%, разрывное напряжение σ=53.4 мПа.
Пример 12 выполнен аналогично примеру 1. Отличие состояло в использовании 1.5%-ного водного раствора янтарной кислоты. Соотношение компонентов в пленке, мас.%: хитозан - 80, органическая кислота - 1,5, вода - остальное. Толщина пленки из сукцината хитозана составила d=65±5 мкм, величина относительного удлинения при разрыве ε=3.7%, разрывное напряжение σ=37.6 мПа.
Из анализа примеров 1-12 следует, что пленки хитозана, полученные из растворов полимера в лимонной или молочной кислоте, характеризуются высоким параметром эластичности. При этом величина относительного удлинения при разрыве пленок из цитрата и лактата хитозана в 20-50 и 120-335 раз соответственно выше по сравнению с пленками из сукцината и ацетата хитозана, т.е. полученными из растворов полимера в янтарной или уксусной кислоте.
Из анализа примеров 1-10 вытекают следующие оптимальные параметры получения эластичного пленочного покрытия на основе хитозана, включающее хитозан в виде соли органической кислоты, в качестве которой используют водные растворы лимонной или молочной кислоты:
- концентрация лимонной кислоты С=4-6 мас.% (вне зависимости от  полимера), использование С<4 мас.% затрудняет растворение полимера, в растворе лимонной кислоты С=2 мас.% хитозан не растворяется, использование С>6 мас.% для получения пленок экономически невыгодно, поскольку увеличивает себестоимость получения готового продукта;
- концентрация молочной кислоты С=2-8 мас.% (в независимости от  полимера), использование С<2 мас.% затрудняет растворение полимера, использование С>8 мас.% увеличивает себестоимость готового продукта.
Пример 13. Бактерицидные свойства пленок из цитрата, лактата, ацетата и сукцината хитозана (таблица).
Таблица
Бактерицидные свойства пленок хитозана в солевой форме
Концентра-ция раствора хитозана С<sub>ХТЗ</sub>, мас.%
Молекулярная масса хитозана <img file="00000011.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
Наименование кислоты
Концентрация раствора кислоты С,%
Диаметр зоны ингибирования роста культур микроорганизмов D, мм
E.coli
St.aureus
2
87
Молочная
2
9.2±0.5
11.3±0.5
4
11.0±0.3
12.6±1.0
Уксусная
2
9.0±0.4
8.0±2.0
Янтарная
1.5
7.8±0.6
10.8±0.3
200
Лимонная
4
7.4±0.2
7.2±0.8
Молочная
2
9.2±0.6
12.5±1.2
4
11.1±1.1
>20
Уксусная
2
5.9±1.2
8.8±0.2
Из таблицы видно, что пленки из цитрата и лактата хитозана (настоящее изобретение), а также ацетата и сукцината хитозана (сравнительный анализ) проявляют биоцидные свойства в отношении роста культур микроорганизмов Esherichia coli и Staphylococus aureus. Наибольшим бактерицидным действием обладают пленки из лактата и цитрата хитозана независимо от молекулярной массы полимера.
Предлагаемый способ позволяет получать высокоэластичные пленки из цитрата и лактата хитозана с достаточной прочностью для использования в медицинской практике, фармакологии, косметологии, пищевой промышленности и др., прост в исполнении, экологически чист и экономически целесообразен. В результате применения заявляемого способа получают нетоксичные, высокоэластичные пленочные покрытия на основе хитозана, способные легко моделировать поверхность со сложным рельефом, обладающие бактерицидным действием.