Биоцидный сорбент на основе хлорметилированных сополимеров стирола

Изобретение относится к области сорбционных материалов для очистки и обеззараживания водных и газовых сред. Биологически активный сорбент содержит подложку из пористого сорбционного материала из хлорметилированного сополимера стирола и дивинилсодержащего сшивающего агента. На подложку в качестве биологически активного компонента нанесено гетероциклическое соединение каркасного типа 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1^3,8]додекан (теотропин). Нанесение теотропина на подложку проведено по реакции аминирования хлорметильных групп сополимера теотропином с образованием ковалентных связей в присутствии органических растворителей, выбранных из классов высших спиртов и гликолей. Изобретение обеспечивает создание сорбента, обладающего бактерицидными свойствами широкого профиля и способностью к увеличению времени свертывания плазмы. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области разработки сорбционных материалов для очистки и обеззараживания водных и газовых сред в целях обеспечения безопасной жизнедеятельности, а также для возможного применения в медицине для деконтаминации биологических жидкостей организма: крови, плазмы, ликвора, лимфы и фармакологии для обеззараживания технологических и инъекционных растворов.

Потребность в таких разработках связана с необходимостью борьбы с возбудителями опасных инфекционных болезней и возможностью их использования и в террористических целях. В первую очередь, к их числу относят возбудителей сибирской язвы, туляремии, чумы, ботулизма, натуральной оспы, геморрагических лихорадок, мутирующих штаммов гриппа, сапа, сыпного тифа, а также группу болезней сельскохозяйственных и экспериментальных животных. При этом весьма важным является подготовка воды и пищевых жидкостей для человека и сельскохозяйственных и экспериментальных животных, а также сорбционное обеззараживание воды, необходимой для санитарно-гигиенических целей при решении проблем БЖД и чрезвычайных ситуаций.

Одним из наиболее старых и надежных способов, пригодных для подготовки воды для человека и животных, является ее пропускание и фильтрация через колонку с сорбентом, обладающим бактерицидными, спороцидными, вирулицидными или фунгицидными свойствами. При этом находящиеся в воде микроорганизмы, вирусы, споры контактируют с бактерицидом, содержащимся на поверхности неподвижной фазы сорбента.

Для этих целей известны бактерицидные сорбенты, представляющие собой жесткие неорганические бактерициды и композиции на их основе, например йод-, сера- и серебросодержащие компоненты, сорбированные на ионообменных смолах или угольных сорбентах.

Из уровня техники известен бактерицидный сорбент, используемый в фильтрах для обеззараживания воды из водопровода и пресноводных источников. В качестве сорбента используется углеродсодержащий материал, а в качестве бактерицидной добавки - йодсодержащие и серебросодержащие компоненты [патент RU 2221641 C2, опубл. 20.01.2004].

Также из уровня техники известно использование для обеззараживания воды в слое гранул йодсодержащей анионообменной смолы, гранулированного активированного угля, катионообменной смолы и анионообменной смолы с серебросодержащим сорбентом [патент RU 2172720 C1, опубл. 27.08.2001].

В уровне техники также описана композиция, предназначенная преимущественно для дезинфекционной обработки природных и сточных вод, питьевой воды из открытых пресных водоемов (рек, озер), подземных источников (артезианского водозабора) и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Композиция содержит в качестве биоцидной добавки серебросодержащий препарат, включающий раствор йода или перекиси водорода, или перманганата калия, а в качестве сорбента - глауконит или активированный уголь [патент RU 2191163 C1, опубл. 20.10.2002].

Известные йод- и серебросодержащие иониты имеют ряд недостатков, основными из которых являются значимые выделения в плазму или кровь сильных окислителей йода, трииодид иона и высокотоксичных ионов серебра. Кроме того серебро- и йодсодержащие вещества четко ограничены в диапазоне своего применения только бактерицидными свойствами и в значительно меньшей степени - вирулицидными свойствами, и их действие не распространяется на биологически более опасные грибковые и споровые формы.

Большинство неорганических бактерицидов отличает относительно высокая токсичность и невозможность исключения взаимодействия с белками крови или плазмы, что ограничивает применение этих сорбентов для целей очистки биологических жидкостей организма на сорбционных колонках методом аутоплазмофереза.

Синтетические бактерициды, как правило, являются более мягкими и отличаются относительно малой видовой токсичностью для млекопитающих.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) настоящего изобретения может быть рассмотрен документ [патент RU 2312705 C1, опубл. 20.12.2007], в котором раскрывается высокоэффективный биоцидный сорбент, полученный путем фиксации широко распространенного в настоящее время бактерицида теотропина ионными связями на катионообменных смолах различной природы (сульфо-, фосфорных, карбоксильных) с образованием ионных связей «катионит-теотропин».

Использование теотропина позволило расширить спектр действия полимерного бактерицида, в первую очередь, к возбудителям сибирской язвы, туляремии, чумы, ботулизма, натуральной оспы, геморрагических лихорадок, сапа, свиного тифа и венесуэльского энцефалита. В прототипе показано, что использование теотропина позволяет достигнуть концентраций, необходимых для подавления данных инфекций. При этом сам теотропин относится к 4 классу и показывает токсичную концентрацию около 500 мг/кг живого веса. Выделение теотропина из твердой фазы происходит при контакте с водными средами посредством гидролиза с расщеплением сорбата теотропина, и в водном растворе появляются достаточные количества бактерицида, который оказывает свое действие.

Основной проблемой, ограничивающей применение полимерных бактерицидов известного типа для очистки нативных биологических жидкостей организма и пищевых жидкостей, является интенсивное вымывание токсичного химически активного бактерицида в обрабатываемую среду. Так серебро по степени вредного воздействия на высшие организмы относится ко 2-му классу опасности, высокоопасные вещества - средняя смертельная доза при введении в желудок 15-150 мг/кг. Согласно различным санитарным нормам ПДК серебра в питьевой воде составляет от 0,05 до 0,001 мг/л, что сопоставимо с такими кумулятивными супертоксикантами, как ртуть и свинец (ПДК 0,001-0,03 мг/л).

Переход в прототипе на синтетические органические бактерициды с меньшей токсичностью позволил создать более приемлемые системы для обеззараживания жидких сред. Так теотропин относится к 4 классу опасности и показывает значительно меньшую токсичность по сравнению с серебром - предельно допустимая доза около 500 мг/кг живого веса.

Для подобных систем с ионными связями «бактерицид - катионит» характерна малая удерживающая способность и быстрый гидролиз непрочных ионных связей. В итоге при контакте с водными средами наблюдается быстрый переход бактерицида в обеззараживаемую среду. Наличие в биологических жидкостях организма ионов металлов, например кальция и магния, или высокомолекулярных олигопротеидов, эффективно вытесняющих низкомомолекулярный теотропин с сульфокатионита, приводит к высокой избыточной концентрации теотропина в обеззараживаемой (деконтаминируемой) среде, например плазме крови, и увеличивает риск токсических воздействий на организм.

В процессе обеззараживания среды при пропускании ее через слой в подготавливаемой минерализованной воде и биологических жидкостях организма создается избыточная концентрация теотропина, сверх необходимой для эффективной бактерицидности и полного подавления микроорганизмов. В результате фиксации теотропина слабыми ионными связями и быстрого вытеснения теотропина повышается концентрация токсичного бактерицида в очищаемой среде и снижается время поддержания бактерицидности или удельный объем обеззараживаемой среды на объем слоя.

Технический результат настоящего изобретения заключается в создании сорбента, обладающего бактерицидными свойствами широкого профиля, в том числе по патогенным и суперпатогенным инфекциям, и характеризующегося при контакте с плазмой способностью к увеличению времени свертывания плазмы. Причем подобные сорбенты могут обеспечивать бактерицидный эффект как при контакте сорбент-раствор, так и при динамическом обеззараживании в протоке при различной форме фильтрующих элементов, т.е. его использовании в виде гранул, поропласта (сорбент с развитой пористостью), композитов, салфеток, волокон или жгута, а также пленочного и нетканого материала.

Кроме того, процесс обеззараживания плазмы на предлагаемых сорбентах сопровождается способностью к увеличению времени свертывания плазмы и приближению ее по показателям MHO (международное нормализованное отношение) к специальной плазме для лечения тромбоэмболий.

Указанный технический результат достигается биологически активным сорбентом, обладающим биоцидными свойствами, включающим подложку из пористого сорбционного материала, на которую в качестве биологически активного компонента нанесено гетероциклическое соединение каркасного типа 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1^3,8]додекан (теотропин), и характеризующимся тем, что подложка из пористого сорбционного материала представляет собой хлорметилированный сополимер стирола и дивинилсодержащего сшивающего агента, а нанесение теотропина на подложку проводят по реакции аминирования хлорметильных групп сополимера теотропином с образованием ковалентных связей, при этом реакцию аминирования проводят в органических растворителях, выбранных из классов высших спиртов и гликолей, в интервале температур 40-70°C в течение 2-8 часов.

Кроме того, предлагаемый в настоящем изобретении биологически активный сорбент характеризуется способностью к увеличению времени свертывания плазмы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения дивинилсодержащий сшивающий агент представляет собой дивинилбензол, и его количество составляет 2-30 масс. %, а содержание активного хлора в хлорметильных группах находится в интервале 6-18%.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения подложка из пористого сорбционного материала используются в виде гранул, поропласта (сорбента с развитой поверхностью), композитов, волокон, жгута или нетканого материала.

Поскольку тип наносимого вещества определяет спектр подавляемых микроорганизмов, выбор теотропина позволяет существенно расширить спектр бактерицидного действия, включая подавление возбудителей группы инфекционных заболеваний человека, а также сельскохозяйственных и экспериментальных животных: сибирской язвы, туляремии, чумы, ботулизма, натуральной оспы, геморрагических лихорадок, мутирующих штаммов гриппа, сапа, сыпного тифа и других, к которым известна высокая эффективность препаратов и композиций на основе теотропина.

Предлагаемая система хлорметилированный сополимер - теотропин обеспечивает в обеззараживаемых средах более высокую бактерицидность, что можно видеть по величинам усредненной толщины зоны полного подавления (ЗПП) для стандартных штаммов по результатам 21 и 42 часового термостатирования.

В настоящем изобретении предлагаются сорбенты, содержащие активные фрагменты теотропина, получаемые на широко распространенных хлорметилированных сополимерах, являющихся основой для анионообменных смол, путем связывания теотропина на полимерной подложке более прочными ковалентными связями. Связывание теотропина хлорметильными группами приводит к образованию весьма слабых четвертичных аммониевых оснований, которые подвергаются расщеплению или гидролизу, давая хлоргидрат теотропина и метилольные группы вместо хлорметильных.

В заявленном изобретении предлагается фиксировать теотропин в полимерной структуре за счет слабых гидролизующихся форм четвертичных аммониевых оснований. Существует еще одна возможность обеззараживания, которая связана с образованием клатратных структур с водой, обладающих четко выраженным бактерицидным действием. Некоторые такие компоненты были известны как вещества, повреждающие стенку клетки особо опасных микроорганизмов.

Основным преимуществом предлагаемого способа является отсутствие больших концентраций бактерицида в проходящей воде. Именно это позволяет использовать данный способ для очистки биологических жидкостей организма.

Другое преимущество - это возможность создания на основе предлагаемых сорбентов и их дополнительных модификаций. Сополимеры стирола, содержащие активное в химическом отношении алкилзамещенное бензольное кольцо, позволяют легко проводить реакции хлорметилирования в достаточно мягких условиях и получать высокие конверсии с введением хлорметильных групп. При этом возникает возможность использовать их не только в виде насыпного фильтра, но и в виде поропласта (сорбента с развитой поверхностью), различных композитов, содержащих алкилзамещенные ароматические кольца, нетканых материалов, а также волокон или жгутов, которые можно применять для набивки узких колонн и создания устойчивого сорбционного слоя. Это позволяет разрабатывать высокоэффективные сорбционные фильтры для обеззараживания жидких и газовых сред. Для последних наиболее подходит нетканый материал, который обладает до 95% пустот и создает малые сопротивления движению газовых потоков. Это возможно использовать в любых устройствах, поддерживающих жизнедеятельность человека или сельскохозяйственных животных, а также в различных вивариях для содержания экспериментальных животных.

Прививка полистирола легко проходит на различные поверхности, и сополимер стирола подвергается дальнейшей эффективной реакции хлорметилирования с образованием активных хлорметилированных производных. При этом облегчаются и последующие реакции присоединения или фиксирования теотропина.

Примеры 1-4 демонстрируют осуществление настоящего изобретения. Примеры носят иллюстрирующий характер и никоим образом не ограничивают объем притязаний.

Пример 1

В трехгорлый реактор объемом 500 мл, снабженный низкооборотной мешалкой (скорость 2 об/мин), контактным термометром и обратным холодильником, помещают 80 мл (≈35 г) воздушно-сухого хлорметилированного макропористого сополимера стирола и дивинилбензола (ДВБ) (30 масс. % ДВБ, порообразователь - изооктан 115 масс. %, содержание хлора - 18,8 масс. %), вносят 320 мл раствора теотропина с концентрацией 117,9 г/л (0,702 моль/л) в смеси растворителей (этанол и пропиленгликоль в соотношении 25:75 об. %) и выдерживают при непрерывном перемешивании в течение 4 часов при температуре 40°C.

После этого содержимое реактора разделяют на твердую и жидкую фазы на воронке, твердую фазу последовательно промывают в воронке Бюхнера дистиллированной водой (до отсутствия теотропина на выходе) и 48 мл ацетона (60% от объема исходного хлорметилированного сополимера) и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом и параллельно потенциометрическим титрованием по снижению концентраций теотропина в жидкой фазе. Экспериментальный привес составил 0,51 г/г сухого хлорметилированного сополимера, количество фиксированного теотропина 3,03 ммоль/г сухого хлорметилированного сополимера. Жидкую фазу после доукрепления по теотропину можно использовать в рецикле для получения следующей порции полимерного бактерицида.

Пример 2

Осуществляют в соответствии с примером 1. В трехгорлый реактор загружают 80 мл (≈40 г) воздушно-сухого хлорметилированного гелевого сополимера стирола и дивинилбензола (8 масс. % ДВБ, содержание хлора - 12,2 масс. %), затем вносят 320 мл раствора теотропина с концентрацией 82,5 г/л (0,491 моль/л) в смеси растворителей (этанол и пропиленгликоль в соотношении 25:75 об. %) и выдерживают при непрерывном перемешивании в течение 4 часов при температуре 50°C.

После этого содержимое колбы разделяют на твердую и жидкую фазы на воронке, твердую фазу последовательно промывают в воронке Бюхнера дистиллированной водой (до отсутствия теотропина на выходе) и 48 мл ацетона (60% от объема исходного катионита) и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом и параллельно потенциометрическим титрованием по снижению концентраций теотропина в жидкой фазе. Экспериментальный привес составил 0,40 г/г сухого хлорметилированного сополимера, количество фиксированного теотропина 2,1 ммоль/г сухого сополимера.

Пример 3

Осуществляют в соответствии с примером 2. В трехгорлый реактор загружают 20 г воздушно-сухого волокна с нанесенным на волокна и затем хлорметилированным полимером стирола (содержание хлора - 6,3 масс. %), затем вносят 320 мл раствора теотропина с исходной концентрацией 49,5 г/л (0,295 моль/л) в смеси растворителей (этанол и пропиленгликоль в соотношении 25:75 об. %) и выдерживают при непрерывном перемешивании в течение 4 часов при температуре 20°C.

После этого содержимое колбы разделяют на твердую и жидкую фазы на воронке, твердую фазу последовательно промывают в воронке Бюхнера дистиллированной водой (до отсутствия теотропина на выходе) и 48 мл ацетона (60% от объема исходного волокна) и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом и параллельно по снижению концентрации потенциометрическим титрованием. Экспериментальный привес составил 0,22 г/г сухого катионита, количество фиксированного теотропина 1,23 ммоль/г сухого хлорметилированного волокна.

Пример 4

В качестве контрольного образца для этого примера использовался исходный макропористый сополимер стирола с 20 масс. % дивинилбензола с порообразователем - изооктаном 115 масс. % и содержанием хлора - 18,8 масс. % без нанесения теотропина.

Достигнутый уровень и технический результат настоящего изобретения подтверждается исследованиями на стандартных штаммах, также анализами человеческой плазмы, выполненными в сертифицированных специализированных лабораториях.

Исследование бактерицидности проводилось по гостированной методике для варианта лунки на газоне (мясо-пептонный агар) в стандартных чашках Петри диаметром 90 мм, диаметр лунки 8 мм с фиксацией зон частичного (ЗПЧ) и полного (ЗПП) подавления с усреднением по восьми секторам с шагом 45°. Экспериментальная плотность на газоне толщиной 4 мм: E. coli К-12, S. aureus 290-Р - 10⁸ КОЕ/мл, B. anthracis - 10⁶ КОЕ/мл 55-ВНИИВВиМ в качестве стандарта мутности использовали коммерческий стандарт МакФарланда.

В таблице 1 приведены сравнительные величины среднего радиуса зон полного подавления (ЗПП) стандартных штаммов для двух времен контакта 21 и 42 часа по E коли (Эшерихия коли) E.c. 21, E.c. 42 и золотистому стафилококку (лат. Staphylococcus aureus) S.a. 21, S.a. 42. Каждая серия выполнена по гостированной методике для четырех навесок испытуемых полимерных бактерицидов (5, 10, 20, 40 мг) на одной чашке Петри.

Как видно из таблицы, разработанные материалы по величинам зон полного подавления обладают достаточно хорошим бактерицидным действием, в 1,5-2 раза превышающем таковые для прототипа.

Причем величины ЗПП для 42 часов термостатирования равны или больше, чем для 21 часа, что свидетельствует о длительности и устойчивости достигаемого эффекта. Величины ЗПП для S.a. в 1,5-2 раза выше, чем для Е.с, т.е. влияние на сапрофитов меньшее, чем для патогенов.

Для того чтобы использовать сорбенты как гемо- или плазмосорбенты, к ним должны дополнительно предъявляться соответственно требования гемо- и плазмосовместимости. Для образцов по примерам 1-4 были определены ряд показателей, определяющих свертывающую способность плазмы до и после контакта по общепринятым клиническим параметрам: время свертывания, содержание (в %) протромбина и антитромбина III, а также интегральным показателям MHO (международное нормализованное отношение).

Все предложенные композиции полимерных бактерицидов по анализу плазмы после 3-часового контакта не показали негативных изменений, приводящих к ускорению коагуляции или увеличению протромбина или отношения протромбин/антитромбин III, как показателей свертываемости, что свидетельствует об их хорошей совместимости с плазмой. Полученные сорбенты, как и исходные хлорметилированные сополимеры, поглощают из плазмы в основном протромбин и комплексы протромбина с антитромбином III. В этом случае значительно увеличивается время свертывания, вплоть до отсутствия свертывания в течение 40-180 с. Таким образом предложенные сорбенты при контакте с плазмой позволяют достичь эффекта гипокоагуляции, то есть повышения времени свертывания вплоть до его исчезновения и не дают негативного эффекта гиперкоагуляции.

1. Биологически активный сорбент, обладающий биоцидными свойствами, включающий подложку из пористого сорбционного материала, на которую в качестве биологически активного компонента нанесено гетероциклическое соединение каркасного типа 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1^3,8]додекан (теотропин), отличающийся тем, что подложка из пористого сорбционного материала представляет собой хлорметилированный сополимер стирола и дивинилсодержащего сшивающего агента, при этом нанесение теотропина на подложку осуществлено по реакции аминирования хлорметильных групп сополимера теотропином с образованием ковалентных связей, а реакция аминирования проводена в органических растворителях, выбранных из классов высших спиртов и гликолей, в интервале температур 40-70°C в течение 2-8 часов.

2. Биологически активный сорбент по п. 1, отличающийся тем, что он характеризуется способностью к увеличенному времени свертывания плазмы.

3. Биологически активный сорбент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дивинилсодержащий сшивающий агент представляет собой дивинилбензол, а его количество составляет 2-30 мас.%.

4. Биологически активный сорбент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подложка из пористого сорбционного материала выполнена в виде гранул, поропласта, композитов, волокон, жгута или нетканого материала.