МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ С ХИТОЗАНОВЫМ СЛОЕМ ИЗ НАНО- И УЛЬТРАТОНКИХ ВОЛОКОН
MULTILAYER MATERIAL WITH CHITOSAN LAYER OF NANOFIBRES AND SUPERFINE FIBRES

Область техники
Изобретение относится к области материалов для медицины, в частности к электроформованным материалам, используемым для изготовления медицинских изделий (раневых покрытий, клеточных субстратов, медицинских масок, назальных фильтров), а также для воздушной и жидкостной фильтрации, сорбции радионуклидов.
2
Многослойный материал по настоящему изобретению содержит волокнистый слой из хитозана растительного происхождения (грибов) или смеси хитозана растительного и животного происхождения с поверхностной плотностью слоя до 50 г/м и диаметром волокон в диапазоне до 1000 нм и/или до 10 мкм и может содержать добавки различного функционального назначения, в т.ч. белки, лекарственные вещества, полисахариды, синтетические полимеры. Материал имеет наружные слои: один - подложка, другой - защитный. Между ними может находиться по меньшей мере еще один слой из нано/ультратонких волокон. Количество и состав слоев определяются назначением изделия.
Хитозан - производное широко распространенного природного полимера - хитина (поли-β-(1-4)-2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкопиранозы), запасы которого биологически воспроизводятся и практически неисчерпаемы. Основными источниками хитина являются:
1. Экзоскелет большинства классов беспозвоночных животных (членистоногие, моллюски, кишечнополостные, кольчатые черви) - сырье животного происхождения.
2. Грибы (аскомицеты, энгомицеты, базидиомицеты, дейтеромицеты) и водоросли (диатомовые водоросли) - растительное сырье [Хитин и хитозан: природа, получение и применение/Под ред. M.Sc.Ana Pastor de Abram, Российское хитиновое общество, 2010. - 292 с.].
Таким образом, коммерческий хитозан может быть растительного и животного происхождения (далее по тексту - растительный и животный хитозан). Хитозан животного происхождения, как правило, получают из ракообразных.
Хитозан обладает бактериостическим действием, ускоряет процессы регенерации, оказывает гемостатическое действие [Progress in Polymer Science 36 (2011) 981-1014; Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(5): 670-677, 2011. Chitosan Physical Forms: A Short Review]. Выраженность этих свойств и соответственно эффективность изделий на основе хитозана определяется, в том числе, структурными особенностями полимерного сырья.
Для хитина и хитозана, как и других природных полимеров и их производных, характерно отсутствие постоянных макромолекулярных характеристик (длина цепей, содержание ацетамидных групп и их распределение по цепи, наличие примесей). Это объясняется тем, что биосинтез хитина осуществляется в природных условиях, характеризующихся изменяющимися параметрами внешней среды (температура, состав питательной среды и др.), и это приводит к получению продуктов невоспроизводимого качества. Хитозан животного происхождения получают из сырья, образованного в естественных условиях, поэтому ему присущи вышеперечисленные недостатки.
Преимущества растительного сырья обусловлены существованием в настоящее время крупномасштабного биотехнологического производства по выращиванию грибов в искусственных условиях. Для него характерны: высокая производительность, точный контроль условий технологического процесса (температура, влажность, продолжительность светового дня, состав питательной среды и т.д.). Это гарантирует воспроизводимость условий роста продуцентов, а значит, синтеза полимеров и, следовательно, качества хитина и хитозана.
Хитозан из грибов представляет собой хитозан-глюкановый комплекс, в котором к основной хитозановой цепи гликозидной связью присоединен углеводный остаток, т.е. хитозан приобретает ветвления. Содержание хитозана в хитозан-глюкановом комплексе составляет от 50% до 98% в зависимости от источника выделения биополимера. Надмолекулярная структура растительного хитозана в отличие от животного хитозана аморфизирована.
В большинстве работ, посвященных переработке хитозана и получению материалов и изделий на его основе, используется сырье животного происхождения. Хитозан из грибов до настоящего время не получил такого широкого использования. В то же время установлено, что хитозан из грибов обладает сопоставимой биологической активностью. Известны биоактивные препараты на основе грибных глюканов: Микотон, Мироран, Лентинан. Хитин грибов проявляет иммуномодулирующие свойства, адсорбирующие (в том числе радионуклиды), ранозаживляющие и др. Ранозаживляющие свойства обусловлены способностью полисахарида стимулировать активность пролиферации фибробластов [Феофилова Е.П. Хитин грибов: распространение, биосинтез, физико-химические свойства и перспективы использования. В кн. Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение. - М.: Наука, 2002. - с.100-111. Осовская И.И., Будилина Д.Л., Тарабукина Е.Б., Нудьга Л.А. Хитин-глюкановые комплексы (Физико-химические свойства и молекулярные характеристики)/под ред. Г.М. Полторацкого /ГОУВПО СПбГТУРП.- СПб., 2010. - 52 с.].
Известно применение хитозан-глюканового комплекса в качестве препарата для заживления ран и предотвращения адгезии повязки к ране [RU 2455995].
В работе [Science against microbial pathogens: communicating current research and technological advances A. Méndez-Vilas (Ed.) FORMATEX 2011, p.542-550] показано, что хитозан грибов в виде геля при прочих равных условиях демонстрирует значительно меньшую минимальную концентрацию подавления роста микроорганизмов (Streptococcus mutans), чем хитозан из панцирей ракообразных.
Таким образом, уровень знаний в области хитозана растительного происхождения и наличие промышленного производства этого биополимера создают предпосылки для его использования при разработке изделий различного назначения, в частности раневых покрытий, фильтров, сорбентов и т.п., а существенное отличие надмолекулярной структуры растительного и животного хитозана открывает новые пути регулирования состава формовочного раствора и получаемого из него нановолокнистого материала.
Уровень техники
К настоящему времени опубликовано значительное количество результатов исследований по получению нановолокон из хитозана ракообразных и их применению в медицине для ускорения лечения ран, в качестве гемостатического средства и носителя клеток. Основной метод получения хитозановых нановолокон - электроформование, при этом используются разные аппаратурные вариации этого метода: как капиллярное, так и бескапиллярное формование, различные типы осадительных электродов, иногда с добавлением раздувочных головок [Recent Patents on Biomedical Engineering, 2008. №1. P.68-78; US 20100216211].
В состав нановолокон дополнительно включают биоактивные вещества разного типа: антимикробные, обезболивающие, факторы роста и т.д., или другие функциональные полимеры [Biomaterials, 2008 May. V.29 (13), P. 1989-2006; Biomacromolecules, 2011, V 12, P.3194-2204; eXPRESS Polymer Letters, 2011, V 5, N4, P.342-261; WO 2011151225].
Хитозан ракообразных - линейный жесткоцепной полимер с высокой степенью кристалличности [Хитин и хитозан: природа, получение и применение/Под ред. M.Sc.Ana Pastor de Abram, Российское хитиновое общество, 2010. - 292 с.]. Растворы хитозана даже с небольшой концентрацией 1-3% имеют высокую вязкость, что затрудняет их использование для электроформования. Предложенные в публикациях составы мало отличаются друг от друга. Вариации, в основном, обусловлены отличающимися характеристиками сырья. Электроформование нановолокон из хитозана ракообразных всегда осуществляют из растворов, содержащих второй (волокнообразующий) полимер, например, поливиниловый спирт (ПВС), полиэтиленоксид (ПЭО), поливинилпирролидон (ПВП) и др. Наиболее часто в качестве полимера, обеспечивающего формуемость хитозановых волокон, используют ПЭО в количестве 0,5-10 мас.% от хитозана.
Обычно содержание хитозана в формовочном растворе в зависимости от молекулярной массы варьируется в интервале от 1,5 до 3,5% [RU 2468129, US 20110111012, US 20100244331], а снижение молекулярной массы полимера до 30 кДа позволяет повысить концентрацию формовочного раствора до 7% [RU 2468129]. Однако использование низкомолекулярного хитозана не позволяет получать водоустойчивые материалы. Для повышения водоустойчивости используют модификаторы: глутаровый альдегид [US 20100216211, US 20110111012 J, глиоксаль, генипин [US 20110111012], фоточувствительные вещества [Recent Patents on Biomedical Engineering, 2008. №1. P.68-78], или термообработку [US 20110111012].
Известно многослойное волокнистое раневое покрытие [US 20110111012], которое состоит из подложки и нескольких индивидуальных электроформованных слоев, по меньшей мере один из которых - слой из хитозана. Хитозановый нановолокнистый слой получают по технологии Nanospider. Для бескапиллярного электроформования используют растворы с содержанием хитозана от 1,62 до 5,67%. Степень деацетилирования хитозана не менее 75%. ПЭО добавляют в раствор в количестве 7-13,7 мас.% от хитозана. Другие слои выполнены из полимеров следующего ряда:
- полисахариды: альгинат, целлюлоза и ее производные (окисленная целлюлоза, микродисперсная окисленная целлюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза), гиалуроновая кислота, крахмал, пектин;
- белки (коллаген, фибриноген, альбумин, желатин);
- другие полимеры: поливиниловый спирт, полиамид, полиуретан, силоксан, полилактиды, полигликолиды, полиакриловая кислота, полиэтиленоксид, поликапролактон, шелк, полигидроксибутират;
- или их комбинации.
По совокупности сходных существенных признаков этот материал наиболее близок к предложенному и взят в качестве прототипа.
Недостатком этого изобретения является невозможность использования формовочных растворов с концентрацией по хитозану более 6% из-за большой вязкости таких растворов (так как использован хитозан животного происхождения) и, следовательно, невозможность получения материалов с высокой поверхностной плотностью из-за низкой производительности.
Также отметим, что данные об электроформовании нановолокон из растительного хитозана в литературе не приводятся.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка многослойного материала с нетканым хитозановым слоем из нано/ультратонких волокон на основе растительного хитозана или смеси растительного и животного хитозана, который может включать добавки различного функционального назначения, например биологически активные вещества (антибиотики), а также содержащего наружные слои - подложку для электроформования и защитный слой. Дополнительно между ними могут находиться другие слои, в том числе из других полимерных /ультратонких волокон, количество и состав которых обусловлены назначением изделия. Изобретение обеспечивает:
- получение хитозанового нетканого материала из нано/ультратонких волокон с заданной поверхностной плотностью, диаметром волокон и массовым соотношением растительного и животного хитозана;
- целостность слоя(-ев) из нано/ультратонких волокон при изготовлении и эксплуатации изделий и удобство их применения;
- функциональность изделий (создание благоприятных условий для пролиферации тканей, высокие сорбционные свойства, фильтрующие свойства).
Техническим результатом изобретения является следующее.
1. Достижение высокого содержания хитозана в формовочном растворе - до 11%.
2
2. Достижение поверхностной плотности хитозанового нановолокнистого слоя до 50 г/м.
3. Придание слою(-ям) из нано/ультратонких волокон устойчивости к механическим воздействиям.
Технический результат достигается следующим.
1. Использованием формовочного раствора, содержащего растительный хитозан или смесь растительного и животного хитозана для получения хитозанового слоя из нано/ультратонких волокон методом электроформования.
2. Использованием подложки для электроформования нано/ультратонких волокон и наружного защитного слоя, обеспечивающих устойчивость электроформованных слоев при манипуляциях различного типа.
В частных воплощениях технический результат достигается тем, что содержание хитозана в хитозановом слое из нано/ультратонких волокон составляет от 80 до 99,5 мас.%, в том числе:
растительный хитозан - от 0,1% до 100%;
животный хитозан - от 0% до 99,9%.
2
2
В некоторых воплощениях технический результат достигается тем, что плотность хитозанового электроформованного слоя составляет от 0,5 г/м до 50 г/м.
В некоторых воплощениях технический результат достигается тем, что в качестве подложки для электроформования используется нетканый материал или бумага, а в качестве защитного слоя - нетканый материал, бумага или пленка.
В частных воплощениях технический результат достигается тем, что многослойный материал с хитозановым слоем из нано/ультратонких волокон содержит по меньшей мере еще один слой из биополимерных электроформованных волокон, которые могут быть выполнены из полисахаридов или белков (например, производных целлюлозы или желатина).
В некоторых воплощениях технический результат достигается тем, что электроформованный хитозановый слой содержит антибиотик.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в использовании именно растительного хитозана или его смеси с хитозаном животного происхождения для электроформования хитозанового слоя.
Благодаря аморфизированной структуре растительного хитозана создается возможность:
- варьировать состав формовочных растворов в широком интервале концентраций - вплоть до 11% по хитозану - с сохранением технологической вязкости и таким образом повысить производительность и снизить себестоимость материала. При использовании для приготовления формовочных растворов только хитозана ракообразных, согласно прототипу, можно получать растворы с концентрацией лишь до 5,67 мас.%, что, соответственно, обеспечивает производительность ~ в 2 раза ниже, а себестоимость - выше;
- получать материал по данному изобретению с различным диаметром хитозановых волокон за счет изменения лишь концентрации раствора по хитозану,
2
- получать хитозановый нановолокнистый слой с поверхностной плотностью до 50 г/м при технологичных скоростях работы оборудования за счет высокой производительности;
- повысить содержание хитозана до 99,5 мас.% благодаря улучшению формуемости волокон даже при низком содержании волокнообразующего полимера (ПЭО) в формовочном растворе;
- варьировать соотношение растительного и животного хитозана в зависимости от назначения материала, т.к. уровень специальных свойств зависит от содержания поли-β-(1-4)-2-амино-2-дезокси-D-глюкопиранозы.
2
Возможность получения хитозанового слоя из нано/ультратонких волокон с плотностью до 50 г/м расширяет области применения многослойного материала и позволяет:
- регулировать уровень биологической активности за счет получения материалов с заданной поверхностной плотностью β-(1-4)-2-амино-2-дезокси-D-глюкопиранозы;
- создавать 3D-структуры для клеток;
- создавать 3D-структуры для протезирования;
- повысить сорбционную емкость на единицу площади материала;
- повысить эффективность фильтрации;
- повысить механическую прочность индивидуального хитозанового слоя.
Использование подложки для электроформования нано/ультратонких волокон и наружного защитного слоя из различных материалов, обеспечивает:
- устойчивость электроформованных слоев к механическим воздействиям при манипуляциях различного типа (раскрой медицинских изделий, фильтров и др.) и эксплуатации;
- необходимый уровень гидрофильных/гидрофобных свойств;
- условия для регенерации сорбентов.
Материал по данному изобретению получают по следующей технологической схеме.
1. Приготовление формовочного раствора.
2. Электроформование нано/ультратонких хитозановых волокон на нетканую подложку или бумагу по одной из технологиий:
- бескапиллярная (Наноспайдер на оборудовании фирмы Elmarco (Чехия): NS Lab 200S, NS Lab 500S, NS Line 16W1600, NS 4S1000U);
- капиллярная.
3. Дублирование нетканым материалом, бумагой или пленкой, которые выполняют защитную функцию. Под дублированием подразумевается соединение нескольких материалов без склеивания или ламинирование с клеящим порошком.
Также в зависимости от назначения материала дополнительно перед дублированием в технологическую схему могут быть включены:
- Электроформование другого биополимера на хитозановый слой нано/ультратонких волокон при получении материала с количеством слоев более 3-х.
- Термообработка материала в зависимости от его назначения.
Ниже приводятся примеры использования изобретения.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нановолокон растительного хитозана.
Полимерный состав волокон: хитозан растительный 99,5%, ПЭО 0,5%.
Диаметр нановолокон 100-150 нм. Здесь и в других примерах ниже морфологию волокон исследовали на сканирующем электронном микроскопе Jeol JCM-1500 (Япония).
Подготовку образцов для электронной микроскопии осуществляли путем напыления в вакууме платины (слой 10 нм) на установке Jeol JFC-1600 (Япония).
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS Lab 200S (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 10,5%; ПЭО 0,0525%.
Напряжение 70 кВ.
Расстояние между электродами 140 мм.
Длина формующего электрода 135 мм.
Скорость движения подложки 1 см/мин.
Подложка - полипропиленовый спанбонд.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 2,6 г/м.
Условия термообработки: температура 100°C; продолжительность 15 мин.
Защитный слой - нетканый материал.
Стерилизация материала - радиационная.
Полученный материал предназначен для использования в качестве клеточного субстрата.
Пример 2.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нановолокон растительного хитозана и содержит антибиотик.
Состав волокон: хитозан растительный 97,9%, ПЭО 1,96%, антибиотик 0,106%. Диаметр волокон 300-600 нм (Рис.1).
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS 4S1000U (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 11,0%; ПЭО 0,22%, антибиотик 0,012%.
Напряжение 90 кВ.
Расстояние между электродами 140 мм.
Длина формующего электрода 1000 мм.
Скорость движения подложки 2 см/мин.
Подложка - силиконизированная бумага.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 15 г/м.
Температура сушки 40°C.
Защитный слой - пленка.
Стерилизация материала - радиационная.
Полученный материал предназначен для использования в качестве антимикробного раневого покрытия.
Пример 3.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нано/ультратонких волокон растительного хитозана.
Состав волокон: хитозан растительный 93,5%, ПЭО 6,5%.
Диаметр волокон 500-1200 нм (Рис.2).
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS 4S1000U (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 11,0%; ПЭО 0,77%.
Напряжение 90 кВ.
Расстояние между электродами 140 мм.
Длина формующего электрода 1000 мм.
Скорость движения подложки 2 см/мин.
Подложка - силиконизированная бумага.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 15 г/м.
Температура сушки 40°C.
Защитный слой - пленка.
Стерилизация материала - радиационная.
Трехслойный материал с хитозановым нановолокнистым слоем предназначен для местного лечения плоских гранулирующих вялотекущих, длительно незаживающих ран в стадии регенерации, ожогов I-IIIа степеней (в том числе радиационных, солнечных и др.), трофических язв, пролежней, обморожений, для временного закрытия после хирургической обработки ожоговых ран IIIб степени с целью их подготовки к аутодерматопластике и донорских участков, а также для заживления раневых поверхностей полости рта и др. Он использован в составе "Повязок раневых биополимерных "ХитоПран", стерильных", разрешенных к продаже и применению на территории Российской Федерации Приказом Росздравнадзора, регистрационное удостоверение № ФСР 2012/14071.
Пример 4.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нановолокон растительного и животного хитозана.
Состав волокон: хитозан растительный 76,19%, хитозан ракообразных 19%, ПЭО 4,76%.
Диаметр волокон 200-300 нм.
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS 4S1000U (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 8,0%; хитозана ракообразных 2,0%; ПЭО 0,5%.
Напряжение 90 кВ.
Расстояние между электродами 140 мм.
Длина формующего электрода 1000 мм.
Скорость движения подложки 5 см/мин.
Подложка - нетканый материал.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 1,0 г/м.
Температура сушки 100°C
Защитный слой - нетканый материал.
Полученный материал предназначен для использования в воздушных фильтрах.
Пример 5.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нановолокон растительного и животного хитозана.
Состав волокон: хитозан растительный 0,8%, хитозан ракообразных 90,9%, ПЭО 8,3%.
Диаметр волокон 250-300 нм.
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS 4S1000U (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 0,05%; хитозана животного 5,5%; ПЭО 0,5%.
Напряжение 90 кВ.
Расстояние между электродами 140 мм.
Длина формующего электрода 1000 мм.
Скорость движения подложки 10 см/мин.
Подложка - нетканый материал.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 0,5 г/м.
Температура сушки 100°C.
Защитный слой - нетканый материал.
Полученный материал предназначен для изготовления медицинских масок.
Пример 6.
Четырехслойный материал, содержащий два нановолокнистых слоя: один - из хитозана, второй - из диацетата целлюлозы.
Состав волокон хитозанового слоя: хитозан растительный 37,7%, хитозан животный 56,6%, ПЭО 5,7%.
Диаметр волокон 100-130 нм.
Состав второго нановолокнистого слоя: диацетат целлюлозы 98%, ПЭО 2%.
Диаметр волокон 500-700 нм (Рис.3).
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS 4S1000U (Elmarco, Чехия). Слои нановолокон наносились последовательно: в первом модуле - хитозановые, во втором - из диацетата целлюлозы.
Содержание в 1-м формовочном растворе:
хитозана растительного 2,0%;
хитозана животного 3,0%;
ПЭО 0,3%.
Содержание во 2-м формовочном растворе:
диацетата целлюлозы 4,0%;
ПЭО 0,08%.
Напряжение 90 кВ.
Расстояние между электродами 150 мм.
Длина формующего электрода 1000 мм.
Скорость движения подложки 5 см/мин.
Подложка - нетканый материал.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 1,5 г/м.
Температура сушки 100°C.
Защитный слой - нетканый материал.
Полученный материал предназначен для изготовления воздушных фильтров.
Пример 7.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нановолокон растительного хитозана.
Полимерный состав волокон: хитозан растительный 99,5%, ПЭО 0,5%.
Диаметр нановолокон 130-170 нм.
Электроформование материала осуществляли по бескапиллярной технологии Наноспайдер на установке NS Lab 200S (Elmarco, Чехия).
Содержание в формовочном растворе: хитозана растительного 9%; ПЭО 0,1%.
Напряжение 80 кВ.
Расстояние между электродами 170 мм.
Длина формующего электрода 135 мм.
Скорость движения подложки 3 см/мин.
Подложка - полиэфирный спанбонд.
2
Поверхностная плотность хитозанового нановолокнистого материала 0,8 г/м.
Защитный слой - полиэфирный спанбонд.
Полученный материал предназначен для использования в качестве сорбента радионуклидов.
Пример 8.
Трехслойный материал, один из слоев которого выполнен из нано/ультратонких волокон растительного и животного хитозана.
Состав волокон: хитозан растительный 10,9%, хитозан животный 76,1%, ПЭО 13%.
Диаметр волокон 700-2600 нм (Рис.4).
Электроформование материала осуществляли по капиллярной технологии на установке барабанного типа.
Содержание в формовочном растворе:
хитозана растительного 0,5%;
хитозана животного 3,5%;
ПЭО 0,6%.
Количество капилляров в гребенке 46.
Диаметр капилляров 0,5 мм.
Напряжение 70 кВ.
Расстояние между электродами 160 мм.
Подложка - нетканый материал
2
Поверхностная плотность хитозанового слоя ультратонких волокон 5 г/м.
Температура сушки 100°C.
Защитный слой - нетканый материал.
Полученный материал предназначен для фильтрации жидкостей.
Приведенные примеры демонстрируют возможности варьирования состава формовочного раствора, состава и свойств электроформованных слоев и области применения материалов, соответствующих заявленному изобретению.