СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ БИОАКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА НА ПОЛИМЕРНЫЕ ПОРИСТЫЕ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF BIOACTIVE CHITOSAN-BASED COATING APPLICATION ON POLYMER POROUS STRUCTURES

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на полимерные пористые конструкции и может быть использовано для формирования композиционных полимерных пористых конструкций на основе полилактида медицинского назначения с размером пор от 300 мкм, отличающихся повышенной биоактивностью и гидрофильностью, и заключается в модификации поверхности биоактивного наполнителя (гидроксиапатита) с размером частиц 10-1000 нм 3-аминопропилтриэтоксисиланом, введении наполнителя в раствор хитозана, его равномерном распределении и осаждении композиционного покрытия на поверхности пористых конструкций на основе L-полилактида.
Известен способ (RU 2458077, C08L 5/08, C08L 5/06, C08L 101/16, C08J 5/18. «БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПЛЕНКА НА ОСНОВЕ ПЕКТИНА И ХИТОЗАНА»), который может быть применен для изготовления биоразлагаемых пленок, содержащих пектин, для использования в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул. Данный способ получения биоразлагаемых пленок включает следующий набор действий: пектин растворяют в дистиллированной воде, затем раствор помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Хитозан растворяют в 1 н. (однонормальной) соляной кислоте. Раствор также помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Затем полученные растворы пектина и хитозана сливают и перемешивают до полного растворения образующихся сгустков. В полученный раствор добавляют пластификатор и структурообразователь. Получившуюся массу выливают в чашу Петри. Пленку формируют на стеклянной подложке (в чаше Петри) в течение 20-24 часов при температуре от 0 до 25°С.
Недостатком является то, что способ не предусматривает введение дополнительных твердофазных компонентов, в том числе биоактивной кальций-фосфатной керамики, которая могла бы увеличить остеоинтегративные свойства за счет покрываемых объектов.
Также известен способ (RU 508212, С08В 37/08. «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ХИТОЗАНА»). Способ включает приготовление раствора хитозана, удаление нерастворившихся частиц и проведение модификации хитозана ацилирующими агентами в щелочных условиях при рН 7,0-9,0. В качестве ацилирующих агентов используют ненасыщенные или насыщенные ангидриды дикарбоновых кислот.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности повышения биоактивности состава путем ввода и равномерного распределения дисперсных наполнителей.
В способе (RU 2313538, C08L 5/08, C08J 3/03, С08В 37/08, B01J 13/14, В01J 13/02. «ХИТОЗАНОВЫЙ ПРОДУКТ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)») описано получение хитозансодержащих продуктов и их производных, которые могут найти применение в производстве косметических, лечебно-косметических, фармакологических препаратов, биологически активных добавок. Способ их получения заключается в приготовлении кислого водного раствора хитозана, удалении не растворившихся частиц фильтрованием и/или осаждением и сшивке хитозана в присутствии гидрофильного органического растворителя и поверхностно-активного вещества в слабокислых, нейтральных или слабощелочных условиях (а именно, при значениях рН от 5,5 до 8,5), в зависимости от используемого сшивающего агента, при непрерывном диспергировании.
Недостатком данного способа является то, что в указанном способе не предусмотрено нанесение хитозанового продукта в пористую структуру полимерной конструкции в ходе формирования покрытия.
Прототипом является (RU 2461575, C08J 5/18, С08В 37/08. «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И ПЛЕНОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА»), в котором предлагается способ создания эластичного пленочного покрытия на основе хитозана, включающего хитозан в виде соли органической кислоты. 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 (Т≅22±2°С) в статических условиях. При приготовлении формовочного раствора используют хитозан с молекулярной массой 80-500 кДа.
В предлагаемом изобретении композиционное покрытие, содержащее спланированный гидроксиапатит в качестве наполнителя, наносится из раствора хитозана на пористый каркас на основе полилактида. Данный способ позволяет равномерно распределить дисперсные частицы гидроксиапатита со средним размером от 10 до 1000 нм по объему полимерной матрицы, а также регулировать количество гидроксиапатита на поверхности полимерных конструкций на основе полилактида и обеспечивать агрегационную стабильность наночастиц гидроксиапатита путем модифицирования поверхности 3-аминопропилтриэтоксисиланом.
Технический результат изобретения заключается в получении пористого полимерного материала на основе полилактида с биоактивным композиционным покрытием на основе хитозана, отличающегося:
- увеличенной гидрофильностью по сравнению с чистым полилактидом,
- увеличенной биоактивностью по сравнению с чистым полилактидом,
- увеличенной адгезией биоактивного наполнителя к биорезорбируемой матрице за счет силанирования,
- повышенной адгезией клеток к поверхности.
Технический результат достигается следующим образом.
Проводится модифицирование поверхности порошка гидроксиапатита 3-аминопропилтриэтоксисиланом в спирте путем формирования на поверхности частиц мономолекулярного силанового слоя с коэффициентом заполнения 0,5-0,7. Необходимое количество модификатора рассчитывалось по предложенной формуле:
пор
m
A
сил
2
3
-1
где N - количество силана, г; m - масса порошка, г; S - площадь прикрепления молекулы силана, нм; D - диаметр частиц, нм; ρ - плотность материала, г/см; N - число Авогадро, моль; М - молекулярная масса силана, г/моль.
Модифицированный порошок гидроксиапатита промывается дистиллированной водой и сушится при температуре 70-90°С в течение 3-5 часов. При данной температуре дегидратации не происходят фазовые превращения, не развивается процесс коагуляции частиц порошка и сохраняется его высокая дисперсность.
Далее проводится смешение в дистиллированной воде порошка хитозана со средней молекулярной массой 10-50 кДа и гидроксиапатита со средним размером от 10 до 1000 нм в количестве от 1 до 45 мас. % при температуре 70-90°С в течение 0.5-1 часа, добавление уксусной кислоты до получения 1М раствора при этой же температуре, при которой вязкость раствора остается приемлемой для перемешивания, перемешивание до гомогенности в течение 1-2 часов, внесение полимерной пористой конструкции в раствор, перемешивание в течение 1-2 часов, добавление 1М раствора NaOH до получения рН 5.5, при котором формируется пространственная сетка хитозана в растворе, перемешивание в течение 2-5 часов, добавление по каплям NaOH до рН>6, при котором происходит осаждения композиционной смеси с хитозаном, а также отмывка пористой конструкции с осажденным композиционным покрытием в дистиллированной воде до достижения нейтрального рН.
В предлагаемом материале повышение биоактивности достигается за счет введения в композиционное покрытие нанодисперсного порошка гидроксиапатита, обеспечивающего остеоинтегративные характеристики пористому полимерному каркасу при его использовании в качестве костного имплантата. Эффективное распределение наноразмерного наполнителя по полимерной матрице и поверхности пор полимерного каркаса обеспечивается за счет применения метода осаждения покрытия из раствора. Повышение гидрофильности конечного изделия также обеспечивается за счет покрытия из хитозана и гидроксиапатита.
Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в медицине подтверждается следующим примером реализации.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример микрофотографии нанесенного покрытия на основе хитозана и силанированного гидроксиапатита, полученной на сканирующем электронном микроскопе. Продемонстрировано равномерное распределения дисперсных частиц гидроксиапатита, модифицированных 3-аминопропилтриэтоксисиланом, в объеме матрицы хитозана. На поверхности формируется высокое количество биоактивного наполнителя с сохранением его дисперсности. На фиг. 2 показан пример фотографии поверхности полилактида (ПЛА) без покрытия и с нанесенным по предложенному способу покрытием на основе хитозана и силанированного гидроксиапатита. По изменению краевого угла смачивания можно судить о повышении гидрофильности поверхности полилактида (ПЛА) с нанесенным покрытием.
Пример.
В качестве исходных материалов использовались хитозан со средней молекулярной массой 10-50 кДа, порошок гидроксиапатита ГАП 85-УД (производства НПО «Полистом») со средним размером частиц 800 нм, этанол, 95% (производитель ЗАО «Брынцалов-А»), дистилированная вода, NaOH (ЧДА), ГОСТ 4328-77 (производитель «Лабораторная техника»), 3-аминопропилтриэтоксисилан, 95% (производитель ООО «Пента-91»). В качестве пористой конструкции использовался напечатанный методом послойной печати на 3D-принтере каркас на основе L-полилактида со средним размером пор 700 мкм и пористостью 50% об.
Модификацию гидроксиапатита проводили в спиртовом растворе 3-аминопропилтриэтоксисилана: 18 мл 3-аминопропилтриэтоксисилана добавляли в 300 мл этилового спирта, затем добавляли 3 г гидроксиапатита. Перемешивание производили в течение 2 часов при комнатной температуре с помощью магнитной мешалки. Модифицированный порошок гидроксиапатита промывался дистиллированной водой и сушился при температуре 80°С в течение 3 часов.
Далее проводилось смешение в 50 мл дистиллированной воде 3 г порошка хитозана и 3 г гидроксиапатита при температуре 80°С в течение 30 минут и добавление 3 г уксусной кислоты. Внесение полимерной пористой конструкции в раствор сопровождалось перемешиванием раствора. Через 2 часа перемешивания добавляли 1М раствор NaOH до получения рН 5.5, определенного с помощью электронного рН-метра. Через 2 часа перемешивания добавляли по каплям 1М раствор NaOH до рН 6.5. Отмывку пористой конструкции с осажденным композиционным покрытием проводили в 100 мл дистиллированной воды до достижения нейтрального рН со сменой воды. Параметры были подобраны опытным путем. При уровне рН более 6 до введения в раствор пористой конструкции хитозан выпадает в осадок, что затрудняет равномерное осаждение покрытия и проникновение раствора в поры. В результате краевой угол смачивания снижался в 2 раза с 90° до 45°, то есть наблюдалось увеличение гидрофильности поверхности.