Способ получения хитозановой губки (варианты)
Владельцы патента RU 2700693:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU)
Группа изобретений относится к химии высокомолекулярных соединений, касается вариантов способа получения хитозановой губки, которая может быть использована в медицине в качестве раневых покрытий, гемостатических материалов, матриц для тканевой инженерии. Способ получения хитозановой губки включает растворение хитозана в водном растворе уксусной кислоты, соляной кислоты или молочной кислоты. После полного растворения хитозана при перемешивании добавляют вспениватель. В качестве вспенивателя используют гидрокарбонат натрия, гидрокарбонат калия или гидрокарбонат аммония. Затем осуществляют отмывку полученной губки от остатков кислоты и вспенивателя, сушку полученной губки. Компоненты используют в заявленных соотношениях. Группа изобретений обеспечивает упрощение синтеза и расширение области применения получаемой губки за счет возможности регулирования скорости процесса ее получения и пористости. 3 н.п. ф-лы, 7 ил., 10 пр.
Предлагаемая группа изобретений относится к химии высокомолекулярных соединений, касается вариантов способа получения хитозановой губки, которая может быть использована в медицине в качестве раневых покрытий, гемостатических материалов, матриц для тканевой инженерии.
В области биоматериалов (изготовление скаффолдов для тканевой инженерии и кровоостанавливающих губок) находят широкое применение пористые трехмерные структуры на основе биосовместимых полимеров. Поликатионный полисахарид хитозан, продукт деацетилирования хитина, представляет собой биосовместимый и биоразлагаемый полимер. Хитозан может использоваться в различных формах, таких как пленки, гидрогели, трехмерные пористые структуры, нановолокна, но для формирования данных структур хитозан предварительно растворяют в водном растворе кислоты, в результате чего, хитозан переходит в солевую форму (фиг. 1).
Известно несколько способов получения трехмерной пористой структуры хитозана.
Известен метод лиофилизации хитозана (ЕР 2394670 А1, кл. A61L 15/28, A61L 15/42, опубл. 14.12.2011 г. ), основанный на замораживании раствора хитозана с последующей лиофилизацией, в результате чего вода, находившаяся в растворе удаляется путем сублимации. После чего полученную губку нейтрализуют и проводят повторную лиофилизацию.
Недостатком этого метода является длительность процесса и высокая стоимость оборудования.
Известно использование сверхкритического диоксида углерода (Ozdemir, Е., Sendemir-Urkmez, A., Yesil-Celiktas, О. (2013). Supercritical СО2 processing of a chitosan-based scaffold: Can implantation of osteoblastic cells be enhanced? The Journal of Supercritical Fluids, 75, 120-127), заключающееся в растворении хитозана в угольной кислоте под высоким давлением, после чего давление доводят до нормального значения, при этом угольная кислота разлагается с образованием углекислого газа, в результате чего образуются поры.
Недостатком данного метода является общая сложность и высокая стоимость оборудования.
Известен метод удаления растворителя (Denkbas ЕВ, , N. Ozdemir, К. Kececi, С. Agalar, Norfloxacin-loaded chitosan sponges as wound dressing material// Journal of Biomaterials Applications 2004; 18(4):291-303.), заключающийся в добавлении легколетучих растворителей в раствор хитозана с последующим их испарением, в результате чего получается пористая структура.
Недостатком данного метода является проблема регенерации реагентов и загрязнение окружающей среды.
Известен способ получения биосовместимого биодеградируемого пористого композиционного материала (RU 2471824 C1, C08J 9/00, C08L 5/08, C08L 101/16, C08J 3/03, А61K 33/00, А61Р 19/08, опубл. 10.01.2013 г.), включающий смешивание предварительно диспергированного в водной среде с рН 5-7 в ультразвуковом поле с частотой v=20-100 кГц в течение 5-60 мин гидросиликатного наполнителя с хитозаном в количестве, соответствующем его концентрации в растворе 1-4 мас. %, при этом количество наполнителя составляет 0,05-10% от массы хитозана, затем полученную смесь интенсивно перемешивают при температуре 20-50°С в течение 20-60 мин, добавляют концентрированную уксусную кислоту в количестве, соответствующем получению в смеси водного раствора уксусной кислоты концентрацией 1-3%, интенсивно перемешивают смесь при температуре 20-50°С в течение 20-250 мин, охлаждают до температуры -5 - -196°С, удаляют растворитель в вакууме, обрабатывают полученный целевой материал нейтрализующим реагентом, промывают водой до рН 5-7 и высушивают. Способ обеспечивает наличие системы сквозных пор и стабильность пористой структуры материала в водных средах, а также отсутствие цитотоксичности.
Недостатком указанного способа является необходимость использования специализированного оборудования для генерации ультразвука, использование «лишнего» компонента, такого как гидросиликатный наполнитель, а также узкая область применения.
Известен способ получения пористых губок на основе хитозана для заполнения костных дефектов (RU 2356581 С1, кл. A61L 27/00, опубл. 27.05.2009 г. ), включающий введение в водный раствор высокомолекулярного хитозана (хитозан с молекулярной массой более 300000 г/моль) при перемешивании, добавку карбонат аммония с последующей промывкой губки в этаноле и сушкой при температуре до 40°С, при введении добавки в водный раствор хитозана должно выполняться следующее соотношение между компонентами, мас. %: хитозан 30-80, добавка карбоната аммония - 20-70. За счет эластичности и высокой пористости данные хитозановые губки заполняют костные дефекты с минимальным зазором, что способствует равномерному формированию костной ткани по всему объему дефекта.
Недостатком указанного способа является необходимость использования высокомолекулярного хитозана, а также узкая область применения получаемых губок.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению является способ получения биодеградируемых пористых материалови, защищенный патентом US 8729171 В2, кл. A61F 2/28, А61K 35/00, А61K 38/18, А61K 9/127, А61K 9/14, А61Р 43/00, C08J 9/08, С08K 3/26, С08K 3/32, С08K 3/34, C08L 67/04, опубл. 24.11.2011 г., принятый за ближайший аналог (прототип).
Способ по прототипу включает смешивание биодеградируемого полимера и усиливающего агента при 110°С, загрузку смеси в контейнер и насыщение смеси сверхкритической текущей средой, повышение давления смеси и сверхкритической текущей среды с последующей быстрой разгерметизацией. В качестве биодиградируемого полимера могут быть использованы полимеры на основе полилактида (PLA), полигликолида (PGA), поликапролактона поли (лактико-гликолевой кислоты (PLGA)), их сополимеры и их смеси. Дополнительные материалы включают, но не ограничиваются ими, хитозан, метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, поливинилацетат, альгинат, полиэтиленгликоль (ПЭГ), поли (2-гидроксиэтилметакрилат) (РНЕМА), полиметилметакрилат (ПММА), этилен-винилацетат (EVA), полиакриламид и полиамин. Сверхкритическая текучая среда предпочтительно представляет собой диоксид углерода, который может существовать в виде жидкости, обладающей свойствами как жидкости, так и газа. В качестве усиливающего агента предпочтительно используют органически модифицированную глину - смектитную глину. Способ осуществляют с использованием ряда устройств, таких как смеситель, экструдер, машина для литьевого формования или любое другое подходящее устройство, способное загружать материал, такой как глина, полимер и сверхкритическая текучая среда, и способно поддерживать постоянное давление на загруженный материал. В результате получают нанокомпозит пористой конструкции с практически однородной дисперсией усиливающих частиц, подходящий для применения в структурных заменителях костного трансплантата с нагрузкой, с размером пор 100-750 мкм, более предпочтительно около 200-250 мкм. В некоторых вариантах осуществления нанокомпозит может включать в себя два или более различных размеров пор или взаимосвязи пористости. Размер пор чистых полимерных конструкций могут регулировать посредством регулирования температуры обработки.
Преимуществами и общими признаками способа по прототипу с предлагаемым изобретением является схожий механизм генерации пор, которые образуются за счет пузырьков диоксида углерода.
Однако, способ по прототипу является более технически сложным и требует специализированного оборудования. Кроме этого, способ направлен на получение нанокомпозитов, используемых только в тканевой инженерии.
В задачу изобретения положена разработка нового способа получения хитозановой губки.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является упрощение, расширение области применения получаемой губки за счет возможности регулирования скорости процесса ее получения и пористости.
На фиг. 1 представлены формы хитозана, где: А - основная форма; Б - солевая форма.
На фиг. 2 представлен механизм реакции получения хитозаной губки.
На фиг. 3-7 представлены фото структуры хитозановых губок, полученных согласно представленным примерам 1-5.
Предлагаемый способ получения хитозановой губки осуществляют следующим образом.
В водном растворе уксусной кислоты, или молочной кислоты, или соляной кислоты (рН раствора 3-6.5), растворяют хитозан, в результате чего хитозан из основной формы переходит в солевую. После полного растворения хитозана при перемешивании добавляют вспениватель, в результате чего происходит вспенивание с одновременным переходом хитозана из солевой формы в основную. В качевстве вспенивателя используют или гидрокарбонат натрия, или гидрокарбонат калия, или гидрокарбонат аммония от 30 до 150% от массы сухого хитозана. При добавлении вспенивателя меньше 30% от массы сухого хитозана не происходит реакция перевода хитозана в основную форму и губка не образуется. При добавлении вспенивателя больше 150% от массы сухого хитозана, реакция происходит слишком быстро, в результате получаются поры с большим диаметром, что делает губку механически неустойчивой.
По 1 варианту используют компоненты при следующем соотношении, масс. %:
хитозан - 3
уксусная кислота - 0,5-6
вспениватель - 1,5-4,5
вода - 86,5-95,0.
По 2 варианту компоненты используют при следующем соотношении, масс. %:
хитозан - 3
соляная кислота - 0,3-3
вспениватель - 1,5-4,0
вода - 90-95,2.
По 3 варианту компоненты используют при следующем соотношении, масс. %:
хитозан - 3
молочная кислота - 0,5-6
вспениватель - 1,0-4,5
вода - 86,5-95,5.
Механизм протекания реакции (фиг. 2) основан на обменной реакции между анионом кислой соли и солевой формой хитозана, сопровождающейся образованием трехмерной структуры за счет межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей у основной формы хитозана, с одновременным выделением углекислого газа как порообразователя. Солевая форма хитозана, за счет одноименных зарядов на протонированных аминогруппах хитозана, затрудняет образование трехмерной структуры. Эта проблема решается переводом хитозана в основную форму. Основная форма хитозана образует жесткую трехмерную структуру за счет формирования водородных связей. Варьирование природы катиона гидрокарбоната, позволяет регулировать скорость реакции.
Полученную губку промывают от остатков кислоты и остатков гидрокарбоната, и сушат до постоянной массы.
Полученная губка является биосовместимой, биоразлагаемой, а так же обладает взаимосвязанной системой пор с размером пор от 30 до 230 мкм, что позволяет использовать ее, как в качестве кровоостанавливающей губки, так и для регенерации поврежденной костной ткани. При замене кислоты, участвующей в разложении гидрокарбоната, диаметр пор изменяется в пределах 15-20%.
Далее представлены примеры конкретного осуществления предлагаемого изобретения.
Пример 1.
3 грамма хитозана растворяли в 100 мл 0.5% водного раствора уксусной кислоты. К полученному раствору добавляли 1.5 г гидрокарбоната натрия. Полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе.
Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 40-180 мкм.
Пример 2.
3 грамма хитозана растворяли в 100 мл 6% водного раствора уксусной кислоты. К полученному раствору добавляли 4.5 г гидрокарбоната натрия. Полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 60-210 мкм.
Пример 3.
3 грамма хитозана растворяли в 100 мл 1.2% водного раствора уксусной кислоты. К полученному раствору добавляли 2 г гидрокарбоната калия. Полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 30-190 мкм.
Пример 4.
3 грамма хитозана растворяли в 100 мл 1.2% водного раствора уксусной кислоты. К полученному раствору добавляли 1.5 г гидрокарбоната аммония. Полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 35-180 мкм.
Пример 5.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 0.3% водного раствора соляной кислоты, к полученному раствору добавили 1.5 г гидрокарбоната натрия, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 30-150 мкм.
Пример 6.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 3% водного раствора соляной кислоты, к полученному раствору добавили 4 г гидрокарбоната калия, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе.
Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 50-200 мкм.
Пример 7.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 0.5% водного раствора соляной кислоты, к полученному раствору добавили 2 г гидрокарбоната аммония, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 40-150 мкм.
Пример 8.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 0.5% водного раствора молочной кислоты, к полученному раствору добавили 1 г гидрокарбоната натрия, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 50-200 мкм.
Пример 9.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 6% водного раствора молочной кислоты, к полученному раствору добавили 4.5 г гидрокарбоната аммония, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 70-230 мкм.
Пример 10.
3 грамма хитозана растворили в 100 мл 1.5% водного раствора молочной кислоты, к полученному раствору добавили 2 г гидрокарбоната калия, полученную в результате губку сушили до постоянной массы и наблюдали на электронном микроскопе. Полученная губка характеризовалась пористой структурой с открытой системой пор с диаметром пор 30-170 мкм.
1. Способ получения хитозановой губки включает растворение хитозана в водном растворе уксусной кислоты, добавление вспенивателя после полного растворения хитозана при перемешивании, в качестве которого используют или гидрокарбонат натрия, или гидрокарбонат калия, или гидрокарбонат аммония, промывку и сушку полученной губки, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| хитозан | 3 |
| уксусная кислота | 0,5-6 |
| вспениватель | 1,5-4,5 |
| вода | 86,5-95,0 |
2. Способ получения хитозановой губки включает растворение хитозана в водном растворе соляной кислоты, добавление вспенивателя после полного растворения хитозана при перемешивании, в качестве которого используют или гидрокарбонат натрия, или гидрокарбонат калия, или гидрокарбонат аммония, промывку полученной губки от остатков кислоты и остатков гидрокарбоната, сушку полученной губки, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| хитозан | 3 |
| соляная кислота | 0,3-3 |
| вспениватель | 1,5-4,0 |
| вода | 90-95,2 |
3. Способ получения хитозановой губки включает растворение хитозана в водном растворе молочной кислоты, добавление вспенивателя после полного растворения хитозана при перемешивании, в качестве которого используют гидрокарбонат натрия, или гидрокарбонат калия, или гидрокарбонат аммония после полного растворения хитозана при перемешивании, отмывку полученной губки от остатков кислоты и остатков гидрокарбоната, сушку полученной губки, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| хитозан | 3 |
| молочная кислота | 0,5-6 |
| вспениватель | 1,0-4,5 |
| вода | 86,5-95,5 |
