Структура и свойства хитозановых плёнок и покрытий, получаемых из растворителей на основе диоксида углерода под высоким давлением

На правах рукописиЧАЩИН Иван СергеевичСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНОК ИПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ РАСТВОРИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМСпециальность 02.00.06 ― высокомолекулярные соединенияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква– 2013Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристалловфизического факультета Московского Государственного Университетаимени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наукГаллямов Марат Олегович,Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,заведующий лабораторией механики полимерови композиционных материалов ИнститутаВысокомолекулярных Соединений РАНдоктор химических наук, профессор,профессор Московского ГосударственногоУниверситета дизайна и технологийЮдин ВладимирЕвгеньевич,Кильдеева НаталияРустемовнаВедущая организация: Национальный исследовательский научный центр«Курчатовский институт».Защита состоится «19» июня 2013 г.

в 15 часов 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет МГУ, Южная физическаяаудитория.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разослан « 17 » мая 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.

В.Общая характеристика работыАктуальность темыВ настоящее время интенсивно исследуются закономерности формированияхитозановых покрытий и композитных пленок, в том числе начальный этап этогопроцесса при осаждении отдельных хитозановых макромолекул на плоскуюподложку.

Исследовательский интерес связан с возможностью использованияхитозановых покрытий в качестве протекторных для придания биосовместимыхсвойств медицинским устройствам, внедряемым в организм человека. Существуетважная частная проблема кальциноза (отложения солей кальция) коллагеновыхматриц перикарда биопротезного клапана сердца, который наиболее близок посовокупности физико-химических свойств заменяемому клапану человека, вотличие от механического протеза клапана сердца. Вследствие кальциноза срокслужбы биопротезного клапана сердца составляет не более 10 лет, что приводит кнеобходимости повторных операций по замене такого клапана у пациента.Кальциноз биопротезных клапанов сердца происходит вследствие взаимодействияостаточных альдегидных групп глутарового альдегида, которым необходимосшивать коллагеновые матрицы для хирургического использования, с кровянымпотоком в организме человека.

Сохранить преимущества биопротезов, но при этомустранить проблему кальциноза, является нетривиальной задачей, решениемкоторой может служить покрытие коллагеновой матрицы хитозановым материаломс целью маскирования свободных альдегидных групп.Также, хитозановые пленки находят широкое применение в качествекомпонентов для тканевой инженерии, например для решения задачи регенерациикожного покрова человека с целью заживления ожогов и ран. Дополнительно,можно усилить антимикробные свойства таких пленок путем внедрения в ихматрицу наночастиц серебра, например, при получении методом полива изсмешанных растворов хитозана и восстановленных непосредственно in situ вхитозановом растворе наночастиц серебра из растворённого прекурсора.На данный момент в научной литературе представлены исследованиязакономерностей формирования хитозановых пленок и покрытий, получаемых спомощью классических растворителей хитозана, в основном, уксусной кислоты.Однако, существует иной, принципиально отличающийся класс растворителей наоснове диоксида углерода под высоким давлением, к которому относятсясверхкритический диоксид углерода (ск СО2) и угольная кислота: вода,насыщенная СО2 под высоким давлением.

Их особенности в том что, во-первых,способность растворять хитозан у этих растворителей проявляется при высоких3давлениях. Во-вторых, данные растворители под давлением обладаютантимикробной активностью, а по завершении экспозиции и декомпрессииспонтанно и полностью переходят в безопасные для организма человекакомпоненты: воду и диоксид углерода.

Отметим, что одновременное сочетаниеантимикробной активности и биосовместимости является уникальным, чтопозволяет рассматривать этот класс растворителей как весьма перспективный сточки зрения биомедицинских приложений. В-третьих, в случае обоихрастворителей можно ещё и управлять растворяющей способностью по отношениюк хитозану вариацией давления, что позволяет добиваться изменениярастворяющей способности одновременно однородно и изотропно во всем объемераствора в силу свойства давления (Р). Напротив, в традиционных химическихрастворителях, растворяющая способность управляется вариацией температуры (Т)или концентрации растворителя (с). В этом случае состояние раствора меняется втечение характерного времени установления равновесия и процесс переходараствора в новое состояние происходит неоднородно в пространстве свозникновением градиентов температуры или концентрации молекул растворителя.Однако,закономерностиосажденияиндивидуальныххитозановыхмакромолекул на подложку и формирования конденсированных пленок ипокрытий из растворителей на основе диоксида углерода под высоким давлением,фактически, не изучены и в мировой научно-исследовательской литературепредставлены лишь единичные экспериментальные работы по данной задаче.Поэтому, проведённое исследование закономерностей формирования хитозановыхкомпозитных пленок и покрытий (в том числе наносимых на коллагеновуюматрицу перикарда), полученных с помощью таких растворителей, можетпослужить заделом для создания научных основ технологии получения новогопоколения абсолютно биосовместимых и антимикробных биомедицинскихустройств, а также биопротезных клапанов сердца с увеличенным сроком службы.Цель диссертационной работыЦелью работы является исследование структуры и свойств хитозановых пленоки покрытий, в том числе композитных, получаемых осаждением макромолекулхитозана из растворителей на основе СО2 под высоким давлением, а также анализобщих закономерностей их формирования.Следование этой цели требовало решения следующих задач:Выявить закономерности осаждения индивидуальных хитозановыхмакромолекул на модельную подложку из растворителей на основе СО24под высоким давлением, в том числе оценить растворимость исопоставить её в сравнительном анализе для различных образцовхитозана.Исследовать структуру и физико-химические свойства хитозановогопокрытия, нанесенного из таких растворителей на коллагеновуюматрицу перикарда биопротезного клапана сердца, включая анализмеханических характеристик модифицированных образцов, а также ихсродство к солям кальция, бактериям и клеткам организма.На основе сравнительного анализа выявить специфику формированиянанокомпозитных хитозановых пленок с внедренными наночастицамисеребра, получаемыми из таких растворителей во взаимодействии смакромолекулами хитозана.Научная новизна работыВпервые была обнаружена некоторая (ограниченная) растворимостьхитозана в ск СО2, что позволило осаждать из таких растворов на модельныеподложки хитозановые макромолекулы в форме одиночных расправленныхцепей и проводить количественный анализ их конформации с помощьюметода атомно-силовой микроскопии (АСМ).Впервые были получены хитозановые покрытия на коллагеновых матрицахперикарда с помощью метода прямого осаждения из растворов в угольнойкислоте, чьи остаточные следы в матрице являются абсолютнобиосовместимыми с организмом человека, причем обнаружено, чтоприсутствие хитозанового покрытия приводит к существенному изменениюмеханико-прочностных, биосовместимых свойств коллагеновой матрицы, атакже способности связывания с солями кальция и клетками бактерий.Впервые были получены композитные хитозановые пленки с внедренныминаночастицами серебра поливом из угольной кислоты, причем былапоказанавозможностьуправленияразмером,концентрациейимонодисперсностью наночастиц в пленках вариацией растворяющейспособности этого растворителя.Научная и практическая значимостьРезультатыисследованияпоказываютвозможностьпрактическогоиспользования растворителей на основе диоксида углерода под высоким давлением5в процессах модифицирования биомедицинских устройств, внедряемых в организмчеловека, нанесением хитозанового покрытия из растворителей, остаточные следыкоторых в изделии абсолютно биосовместимы.

С помощью комплексаэкспериментальных исследований было показано значительное улучшениехарактеристик коллагеновых матриц перикарда с нанесенным хитозановымпокрытием из угольной кислоты, в плане подавления кальцификации,способствования биосовместимости, усиления антимикробных свойств иповышения механико-прочностных характеристик. Эти полученные результатыявляются заделом для постановки и проведения дальнейших клиническихиспытаний, а также последующего практического внедрения развитойсравнительно простой технологии нанесения хитозановых покрытий из угольнойкислоты на коллагеновые матрицы перикарда, используемые в биопротезныхклапанах сердца.Также была показана возможность создания композитных хитозановых пленокиз растворов в угольной кислоте с внедренными наночастицами серебраконтролируемого размера.

Этого можно достичь путем варьированиярастворяющей способности угольной кислоты, что позволит регулироватьантимикробную способность таких пленок, которые могут быть широкоиспользованы в тканевой инженерии (в частности, можно получать пленки спролонгируемым антимикробным действием).Проведенный анализ конформации одиночных хитозановых макромолекул,осажденных на подложку из ск СО2, впервые, хоть даёт и косвенную информациюо конформации полимерных цепей в ск растворителях, позволяет, тем не менее, вопределенной степени верифицировать известные теоретические исследованиямодели поведения полимерных цепей в ск растворителе, зачастую дающие взаимнопротиворечивые результаты.Достоверность результатовДостоверность результатов диссертации обеспечивается систематическойпостановкой многочисленных контрольных экспериментов для выявленияспецифики, привносимой свойствам образцов, именно, влиянием осаждаемогополимера, многочисленными повторными сериями получения образцов прификсированных параметрах, тестирование характеристик которых показалохорошую воспроизводимость; а также корреляцией результатов, полученных рядомкомплементарных методов, друг с другом.6Апробация работыРезультаты различных частей работы докладывались и обсуждались нароссийских и международных конференциях:«European Polymer Congress EPF'09», (12-17 July 2009, Graz, Austria); IIIInternational nanotechnology forum RUSNANOTECH 2010, (1-3 November 2010,Moscow, Russia, 2010); международная конференция молодых ученых «Ломоносов2011», (11-15 апреля 2011, Москва, Россия); международная конференция молодыхученых «Ломоносов-2012», (9-13 апреля 2012, Москва, Россия); «7th InternationalSymposium Molecular Mobility and Order in Polymer», (June 6-10 2011, St.