Структура и свойства хитозановых плёнок и покрытий, получаемых из растворителей на основе диоксида углерода под высоким давлением, страница 4

А.Н. Бакулева). Было получено, чтоксеноткань перикарда имеет лишь 1,2×10-3 весовых % солей кальция послепроведения модельного in vivo эксперимента на крысах (крысам подкожновшивались по паре образцов контрольных матриц и матриц с хитозановымпокрытием) в течение 4 месяцев со специальной кальций-промоутирующей диетой,что моделировало неблагоприятные условия кальцификации клапана сердца ворганизме человека. Количество кальцинатов у матрицы с покрытием на двапорядка ниже, чем у исходной контрольной коллагеновой матрицы нативногоперикарда.

Кроме того, оказалось, что интенсивность кальцификации перикарда схитозаном, осажденным из растворов в угольной кислоте, в три раза ниже, чемдля образца перикарда с хитозановым покрытием, полученным стандартным путемосаждения хитозана из водного раствора уксусной кислоты.Такое рекордное снижение интенсивности кальцификации может бытьобусловлено следующими факторами. Во-первых, это связано с улучшеннойстабильностью хитозанового покрытия, осажденного из угольной кислоты.Действительно, изначально хитозановые цепи протонированы в угольной кислоте(H2O/CO2 под высоким давлением), но после того как давление H2O/CO2 смесиснижается до атмосферного давления, хитозановая цепь спонтанно теряет заряд,без какой-либо нейтрализации её щелочью.

Незаряженные макромолекулыхитозана в покрытии медицинского изделия, внедряемого в организм, фактическине имеют сродства к воде, поэтому в условиях внутренней водной средыорганизма, такое хитозановое покрытие является механически стабильным.Напротив, хитозановые цепи в покрытии, полученном стандартным осаждением израстворов уксусной кислоты, сохраняют некоторый остаточный положительныйзаряд, окруженный ацетат анионами, что снижает механическую стабильностьпокрытия вследствие взаимодействия с диполями воды и придаёт изделиюдолговременный характерный запах.Во-вторых, специфика нанесения хитозана из угольной кислоты какрастворителя под высоким давлением, позволяет придать коллагеновой матрицыболее монолитную структуру, фактически полностью сжав поры внутри матрицы,стенки которых эффективно связываются хитозаном.

Действительно, монолитная17устойчивая структура коллагеновой матрицы приводит к существенномууменьшению вероятности контакта содержащего соли кальция кровяного потока свнутренними областями коллагеновой матрицы, подавляя, тем самым, развитиекальцификации изнутри коллагеновой матрицы. Кроме того, под действиемвысокого давления раствор хитозановых макромолекул в угольной кислоте можетпроникать в более мелкие поры коллагеновой матрицы, чем из классическогорастворителя хитозана — уксусной кислоты, тем самым, увеличивая общуюплощадь покрытия коллагеновых фибрилл.В пятой главе нами было проведено исследование структуры и свойствнанокомпозитных хитозановых пленок с восстановленными и стабилизированныминаночастицами серебра, получаемыми поливом из растворов в угольной кислоте.Было установлено, что размером, степенью монодисперсности и однородностьюраспределения металлических наночастиц серебра в матрице хитозана можноуправлять вариацией растворяющей способностью угольной кислоты поотношению к хитозану.

Изначально, поливом из растворов хитозана с прекурсоромсеребра (нитрат серебра) в угольной кислоте были получены композитные плёнки.С помощью синтеза результатов РДА (кривые дифракции сняты м.н.с. химическогофакультета МГУ Э.Е. Левиным) и ПЭМ (изображения получены Абрамчуком С.С.,к.т.н., с.н.с физического факультета МГУ) анализа было установлено, что такиехитозановые пленки включают круглые наночастицы металлического серебраотносительно большого размера 100-150, сформированные агрегатами из многих,порядка сотен-тысяч единиц, нанокристаллитов серебра кубической модификации(рис. 5а, табл.2). Размеры данных частиц сильно отличались от размеровнаночастиц серебра в полученных нами нанокомпозитных хитозановых пленках,политых из растворов уксусной кислоты (около 10нм, что соответствует данным,представленным в научной литературе).

Однако, размер нанокристаллитов серебра,определенный по данным РДА, для обоих образцов порядка 10 нм. Поэтому, былапредложена гипотеза, что структура хитозановых пленок с наночастицами серебразависит от способности макромолекул хитозана стабилизировать наночастицысеребра в растворе, что должно определяться конформацией хитозана в растворе. Внашей лаборатории были получены данные, позволяющие считать, что в угольнойкислоте макромолекулы хитозана сохраняют локальную степень компактности,поэтому имеют сравнительно малое количество свободных функциональных групп,способных стабилизировать наночастицы серебра, в результате сформированныенанокристаллиты серебра агрегируют с образованием наночастиц крупногоразмера.

По мере увеличения расправленности хитозановых макромолекул, за счетповышения растворяющей способности растворителя, стабилизирующая18способность хитозанового раствора увеличивается, что должно приводить кменьшей агрегации нанокристаллов с образованием наночастиц меньшего размера.Действительно, улучшив растворяющую способность угольной кислоты, добавивуксусную кислоту в малом количестве (концентрация 1,3 г/л), выступающую вкачестве промоутера растворимости, мы получили, что концентрация наночастиц впленке возросла и, в среднем, диаметр наночастиц уменьшился и стал составлять20-30 нм (рис.5б, табл.2), при этом размер нанокристаллов остался неизменным.Табл.2.

Размер наночастиц серебра и нанокристаллов металлического серебра, внанокомпозитных хитозановых пленках, полученных поливом из различных растворителейхитозана (концентрация хитозана 10 г/л) при фиксированной концентрации прекурсора серебра (1г/л)РастворительРазмернаночастиц,нмРазмер нанокристаллов,нмУгольная кислота (Р=30 МПа, 240±20Т=25ᵒС, 3 мол. % растворенногоСО2 в воде при этих условиях,согласно литературным данным)11±1Смесь угольной (Р=30Т=25ᵒС) и уксусной (1,3 г/л)МПа, 18±212±210±210±3Уксусная кислота (20 г/л)1400010 звеньев хитозана на 1 ион Ag+20 звеньев хитозана на 1 ион Ag+Интенсивность в отн. ед.120005 звеньев хитозана на 1 ион Ag+100008000600040002000051015202530354045502Θа)б)в)Рис.5.

ПЭМ изображения ультратонких срезов хитозановых пленок с наночастицами серебраполитых: а) из раствора в угольной кислоте (Р=30 МПа, Т=25ᵒС, 3 мол. % растворенного СО2 вводе, согласно литературным данным), б) из раствора в угольной (Р=30 МПа, Т=25ᵒС) сдобавлением уксусной кислоты в качестве промоутера растворимости (С[CH3COOH]=1,3 г/л), в)рентгенограммы хитозановых нанокомпозитных пленок с наночастицами серебра, полученныхполивом из растворов в угольной кислоте с различной концентрацией прекурсора (детектированолишь металлическое серебро, иных кристаллических фаз не обнаружено)19Размер, нмТаким образом, было показано, что вариацией конформации макромолекулхитозана в угольной кислоте можно управлять структурой композитныххитозановых пленок с наночастицами серебра политых из таких растворов.4038363432302826242220181614121086Зависимость размера наночастиц серебраЗависимость размра нанокристаллов серебра024681012Концентрация прекурсора AgNO3, мМ/лРис.

6. Зависимости размеров наночастиц и нанокристаллов серебра в хитозановой пленкеполученной поливом из растворов раствора угольной (Р=30 МПа, Т=25ᵒС) с добавлением уксуснойкислоты в качестве промоутера растворимости (С[CH3COOH]=1,3 г/л) от концентрациипрекурсора серебра – AgNO3 в этих растворахДля пленок, полученных поливом из растворов в угольной кислоте, характерноналичие порогового значения концентрации прекурсора серебра, при которомнаблюдается максимальный размер наночастиц (рис.6) и их минимальнаяконцентрация в пленке. При значениях концентрации прекурсора выше такогопорогового значения, наблюдается равномерное распределение наночастицпостоянного размера в пленке. По-видимому, это связано с конкуренциейследующих факторов.

С одной стороны, при повышении концентрации прекурсора,ионам серебра, диссоциированным в растворе, энергетически выгоднееобразовывать крупные нанокристаллы с меньшей суммарной поверхностью, именьшей суммарной поверхностной энергией. Но, с другой стороны, будетвыигрыш в энтропии в системе «молекулы хитозана в растворе-ионы серебра» привозникновении многих равномерно распределенных нанокристаллов в пленке,полученной поливом из такого раствора, при увеличении концентрации ионовсеребра, являющимися потенциальными центрами образования нанокристаллов.Так как количество нанокристаллов в пленке зависит также и от количествафункциональных групп, способных контактировать с ионами серебра, то ясно, что20при различной растворимости количество таких групп будет разным, поэтомунеобходимо большее количество ионов серебра для преобладания энтропийноговклада свободной энергии системы над энергетическим.

Следовательно, пороговоезначение концентрации будет различным для растворителей с отличающейсярастворяющей способностью по отношению к хитозану, в которых конформацияхитозановых цепей различается.Выводы1) Методом АСМ было обнаружено, что макромолекулы некоторыххитозановых материалов могут быть растворены в ск СО2 и осаждены изтаких растворов на подложку в форме изолированных одиночных цепей. Спомощью анализа АСМ изображений установлено, что как растворимостьмакромолекул в ск СО2, так и их конформация при осаждении из такихрастворов на подложку зависят от степени ацетилирования. Для осаждённыхмакромолекул на подложке характерно наличие высокой степенирасправленностимакромолекулярногоконтуракакцелого,чтоколичественно выражается в высоком значении показателя ν=0,78–0,80,близкого к характеристическому значению для статистики двумерныхслучайных блужданий без самопересечений.2) Установлено, что, в силу влияния высокого давления угольной кислоты,нанесение хитозана из растворов в этой среде на коллагеновую матрицуперикарда приводит к модификации не только приповерхностного слояматрицы, но и к внедрению хитозана по всей её толще.

Хотя, методоммеченых атомов было обнаружено, что при таком нанесении количествопривносимого хитозана составляет лишь около 1% процента от весаколлагеновой матрицы, удается детектировать улучшение её механикопрочностных характеристик, что обусловлено схлопыванием пор в объёмематрицы в условиях высокого давления и эффективным связываниемхитозаном их стенок с повышением общей монолитности структуры.

Врезультате изменения структуры коллагеновой матрицы при нанесениихитозана из угольной кислоты и повышенной стабильности получаемогохитозанового покрытия достигается:• рекордное улучшение характеристик матрицы в плане подавлениякальцификации, интенсивность которой снижается на два порядка посравнению с исходной немодифицированой матрицей;21• существенное снижение степени адгезии грамотрицательных бактерий (надва-три порядка) и полное подавление грамположительных бактерий, засчёт интенсивного взаимодействия их стенки с покрытием;при этом сохраняется высокая биосовместимость получаемого материала.3) Поливом из растворов в угольной кислоте получены композитныехитозановые плёнки с наночастицами серебра размером порядка десятковсотен нанометров. Установлено, что такие наночастицы сформированыагрегатами нанокристаллитов металлического серебра размером около 10 нм,восстановленных хитозаном, причем агрегационное число зависит отконформации макромолекул хитозана, определяющейся растворяющейспособностью угольной кислоты, и составляет порядка сотен–тысяч единиц.Оказалось, что размером, степенью монодисперсности и однородностьюраспределения наночастиц серебра в хитозановой плёнке можно управлятьизменением конформации макромолекул в исходном растворе.Публикации автора по теме диссертации1.Marat O.