Получение и исследование желатин-танниновых гидрогелевых материалов медико-биологического назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Осетров Константин Олегович

• Осетров Константин Олегович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Осетров Константин Олегович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

1.1 Основные требования к полимерным материалам, используемых при лечении ран

1.2 Желатин и его применение в качестве гидрогелевых материалов

1.3 Способы сшивания и сшивающие агенты желатина

1.4 Желатин-танниновые гидрогели

1.5 Выводы из главы

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Объекты исследования и реагенты

2.2 Методики получения гидрогелевых материалов

2.2.1 Методика получения таннин-желатиновых гидрогелевых материалов

2.2.2 Методика получения таннин/ сукцинилированный желатин гидрогелевых материалов

2.2.3 Предлагаемая технологическая схема получения желатин-танниновых гидрогелей

2.3 Методы исследования желатин-танниновых гидрогелевых материалов

2.3.1 Сорбционные исследования материалов

2.3.2 Параметры сетки

2.3.3. Определение содержания золь фракции

2.3.4. Определение пористости

2.3.5. Физико-механический анализ

2.3.6. Исследование термических свойств

2.3.7 ИК-спектроскопия

2.3.8. Паропроницаемость

2.3.9. Кислородопроницаемость

2.3.10 Изучение морфологии материалов

2.3.11 Исследование стабильности полученных материалов

2.3.12 Анализ кинетики выделения ионов железа

2.3.13 Антибактериальная активность

2.3.14 Статистический анализ

Глава 3. Обсуждение результатов

3.1 Определение природы и доли окислительной системы при получении таннин -желатиновых гидрогелей

3.1.1 Изучение влияния доли и природы окислителя на структуру и морфологию желатин-танниновых гидрогелей

3.1.2 Изучение сорбционных свойств желатин-танниновых гидрогелей

3.1.3 Изучение влияния окислительной системы на свойства желатин-танниновых гидрогелей

3.2 Определение оптимальных технологических параметров получения таннин-желатиновых гидрогелей

3.3 Получение координационно связанных таннин-желатиновых гидрогелей

3.4 Синтез желатин-танниновых гидрогелей, модифицированных аскорбатом железа

3.5 Получение и исследование гидрогелей на основе таннина и

сукцинилированного желатина

3.6 Исследование антибактериальных свойств желатин-танниновых материалов

Заключение

Список использованных источников

Приложение А - Технологическая схема

Приложение Б - Дегидратация материалов на основе различных окислителей

Приложение В - Тексты публикаций

Реферат Общая характеристика работы Актуальность темы. Гидрогелевые материалы получили широкое распространение в медицинской практике. Они представляют собой сетчатые полимерные материалы, которые чаще всего имеют гидрофильную структуру, позволяющую им обратимо сорбировать влагу. Современные требования к материалам медицинского назначения для лечения ран довольно разнообразны, персонифицированы и приводят к необходимости разработки их новых типов. Кроме непосредственного обеспечения увлажнения раневой полости они также должны обладать определенными физико-механическими, адгезионными, сорбционными и специальными свойствами для обеспечения оптимального заживления раны. Такие материалы должны обеспечивать также необходимую паро- и газопроницаемость, сорбционную емкость, влажность раневой поверхности, а также обладать защитными функциями.

Наиболее распространенными полимерами, используемыми при создании гидрогелевых материалов медицинского применения, являются синтетические, такие как, полиакрилаты, ПВС, полиэтиленгликоли и др., что обеспечивает необходимые физико-механические и эксплуатационные характеристики, однако, зачастую, не гарантирует биосовместимость полученного материала с тканями человека. Для решения этого вопроса предпочтительно использовать природные полимеры, которые, в свою очередь, не обладают достаточной механической прочностью и высокой сорбционной способностью.

Одним из широко известных полимеров является желатин, который обладает сходной структурой с нативным коллагеном человека за счет чего его воспринятие организмом рецепиента происходит в упрощенной форме, не вызывая отторжения. Это позволяет использовать желатин в качестве источника белка при лечении заболеваний суставов, как кровоостанавливающее средство, осмотических диуретиков, а также при производстве капсул и свечей и т.д. Хорошо известны и плазмозамещающие средства на основе желатина, которые, влияя на гемостаз,

замедляют тромбообразование и подавляют агрегацию тромбоцитов. Однако, желатин, представляя собой, продукт теплового или химического гидролиза коллагена костей крупного рогатого скота или кожи животных, имеет низкую молекулярную массу до 100 кДа, и соответственно материалы на его основе обладают низкими физико-механическими характеристиками.

Для увеличения прочности полимерных материалов на основе желатина при их получении часто применяют сшивающие агенты, такие как, генипин, глутаровый альдегид и др. Одним из перспективных сшивающих агентов являются таннины, которые обладают антисептическим действием и являются отличными комплексообразователями для ряда металлов. Нанесение таннина на поверхность раны или слизистую оболочку приводит к частичной коагуляции белка, содержащегося в раневом экссудате или слизи, что способствует образованию белковой пленки, при которой, ограничивается внешнее воздействие на область повреждения, и как следствие, уменьшается воспаление.

Такие сшитые желатиновые системы - гидрогели, могут обладать рН чувствительностью, что позволяет применять подобные матрицы для адресной доставки лекарственных препаратов, а наличие ряда особых свойств (клеточная адгезия, самовосстановление и др.) открывает широкие перспективы для создания материалов специального применения.

Однако, применение полимерных систем на основе желатина и таннина ограничено в медицине рядом их существенных недостатков:

- широко используемая для получения такой системы окислительная система на основе периодата натрия при распаде образует продукты, такие как, иодат натрия и йод, которые могут представлять опасность для организма человека,

- малая сорбционная емкость (<10 г/г) при прочности > 50 кПа на растяжение,

- двустадийность процесса получения таких материалов.

Таким образом, разработка методики получения гидрогелевых систем на основе желатина и таннина с более технологически эффективной методикой синтеза и оптимизация процесса создания полимерных материалов на их основе

для обеспечения необходимой проницаемости материала, эффективного удаления раневого экссудата, заданных прочностных характеристик является актуальной задачей.

Именно поэтому целью настоящей работы является получение и исследование полимерных материалов на основе желатина и таннина, обладающих регулируемыми физико-химическими и адгезионными характеристиками, для применения в качестве материалов медицинского и биологического назначения.

Задачи работы:

1) Установить влияние природы и доли окислительной системы (перекиси водорода, диметилсульфоксида, перманганата и периодата калия) на физико-химические и эксплуатационные свойства желатин-танниновых гидрогелей;

2) Исследовать влияние технологических и рецептурных параметров: (температура синтеза, рН реакционной смеси, типа и мольного соотношения окислительной системы к таннину) на эксплуатационные характеристики полученных желатин-танниновых гидрогелей (сорбционная емкость, механическая прочность, кислородо/паропроницаемость, термическая стойкость).

3) Разработать оптимальные рецептуры для получения желатин-танниновых гидрогелей с заданными физико-химическими и регулируемыми адгезионными и сорбционными характеристиками, для их применения в качестве материалов медицинского и биологического назначения.

4) Проанализировать влияние модификации желатин-танниновых гидрогелей хлоридом железа (III) и аскорбатом железа (II) на структуру и свойства полученных полимерных материалов.

5) Разработать и исследовать гидрогелевые системы на основе таннина и сукцинилированного желатина, обладающие повышенной адгезией к коже и рН чувствительностью.

6) Оценить антибактериальную активность в отношении полирезистентных микроорганизмов группы ESKAPE и эффективность применения разработанных

желатин-танниновых материалов в качестве носителей лекарственных препаратов (аскорбат железа).

Степень разработанности темы

В современной литературе широко рассмотрены практические аспекты применения желатин-танниновых гидрогелей для создания самоадгезивных, самовосстанавливающихся и обладающих адгезией в водной среде полимерных материалов. Среди исследователей возможно выделить три основные группы, нацеленные на получение материалов, обладающих мукоадгезией (Q. Zhao, S. Yeon Lee, Z. Peng), гидрогелей (J. Du Pont, E. Middelkoop) и координационно-сшитых для медицинского применения (A. Andersen, H. Birkedal, A. Gaspar-Pintiliescu, J. Nath). Однако, имеется ограниченное количество работ, посвященных получению и применению материалов этого типа для доставки лекарственных препаратов. В большинстве работ используется окислительная система на основе периодата натрия, что ограничивает сферу применения таких материалов. В настоящее время слабоосвещенным остается вопрос применения альтернативных окислительных систем, кроме периодата натрия, для синтеза желатин-танниновых гидрогелей, предлагаемых для использования в качестве полимерных материалов, применяемых для лечения ран, а также формирования устойчивых полимерных систем, обладающих необходимой сорбционной емкостью и прочностью.

Методология и методы исследования

В диссертационной работе исследование структуры объектов исследования проводилось с использованием ИК-спектрометра Nicolet iS-50 ("Thermo Fisher Scientific", США) и ЯМР-спектрометра Bruker Avance 400 МГц ("Bruker", ФРГ).

Для исследования термических свойств гидрогелей применялись термогравиметрический анализ и дифференциально-сканирующая калориметрия с использованием термоанализатора SDT Q-600 ("Thermal analysis", США). Для анализа кинетики дегидратации полученных полимерных материалов

использовались изоконверсионные методы Киссинджер-Акахира-Суноза, Флинн-Уолл-Озава и методы с применением реакционных моделей Коатс-Редферн, Кеннеди-Кларк.

Изучение процесса набухания проводили гравиметрическим методом в дистиллированной воде и фосфатных буферах. Исследование кинетики набухания гидрогелевых желатин-танниновых образцов проводили с использованием уравнений псевдовторого порядка и Фика. Прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве и адгезионную прочность на сдвиг определяли на универсальной разрывной машине ^^юп 5966 ('Т^шп", США). Паропроницаемость гидрогелей изучали в соответствии со стандартом ASTM E96/E96M - 10 в термостате CM 60-150/250-TBX ("СМ Климат", РФ), кислородопроницаемость исследовали с помощью модифицированного метода Уинклера.

Для описания характера высвобождения ионов железа из полученных полимерных образцов, определяемых на спектрометре КФК-3 ("ЗОМЗ", РФ) использовались принятые для описания фармокинетики модели: нулевого порядка, первого порядка, Хигучи, Хиксона-Кроуэлла, Корсмайера-Пеппас, Бейкера-Лонсдейла, Вейбулла и Хопфенберга. В ходе работы были также исследованы антибактериальные свойства полученных таннин/желатиновых гидрогелей.

Положения, выносимые на защиту

1. Для получения рН-чувствительных желатин-танниновых гидрогелей, с размером элементарной ячейки более 10 А и долей активных цепей 0,5 ^ 0,6, обладающих высокой паро- и газопроницаемостью и термической стабильностью, оптимальным соотношением окислительной системы является 0,6 моль пероксида водорода/1 моль таннина.

2. Варьирование рецептурных и технологических параметров показало, что желатин-танниновые гидрогели, полученные при рН = 10 и T = 70 ^ обладают

постоянным градиентом скорости сорбции 0,5 ^ 1,7 г*(моль*мин)-1 и максимальной степенью набухания в дистиллированной воде до 40 г/г.

3. Модификация желатин-танниновых гидрогелей ионами железа (III) приводит к увеличению прочности на разрыв и уменьшению относительного удлинения при разрыве в 1,5 ^ 2 раза, а также к повышению устойчивости к деструкции в 10 М растворе мочевины в течении 48 ч, по сравнению с немодифицированными гидрогелевыми образцами.

4. Желатин-танниновые гидрогели, наполненные аскорбатом железа, имеют повышенную в 1,5 ^ 2 раза механическую прочность по сравнению с немодифицированными гидрогелями, а высвобождение ионов железа зависит от рН среды и подчиняется модели фармакинетики Хигучи.

5. Одностадийный способ получения желатин-танниновых гидрогелевых материалов на основе сукцинилированного желатина (смешение растворов сукцинилированного желатина и модифицированного таннина при нагревании) позволяет получить рН-чувствительные материалы с повышенной адгезией к коже.

6. Оценка антибактериальной активности в отношении полирезистентных микроорганизмов группы ESKAPE позволяет рекомендовать желатин-танниновые гидрогели, полученные с использованием 0,6 моль пероксида водорода/1 моль таннина, в качестве материалов медико-биологического назначения.

Научная новизна работы

1. Разработаны и научно обоснованы условия получения рН-чувствительных желатин-танниновых гидрогелей с различной степенью сшивки при использовании окислительных систем (ДМС0/KMn04/KЮ4/Н202).

2. Установлено, что желатин-танниновые гидрогели, полученные при использовании окилителей - перекиси водорода и ДМСО, обладают более упругой полимерной сеткой с прочными межмолекулярными взаимодействиями и большей долей связанной воды.

3. Продемонстрирована применимость использования для расчетов параметров кинетики дегидратации желатин-танниновых гидрогелей модельных методов Коатс-Редферна и Кеннеди-Кларка, как менее трудоемких по сравнению с изоконверсионными, при этом значения кажущихся энергий активации коррелируются со средними значениями, полученными изоконверсионными методами и варьируются от 16,1 до 41,8 кДж/моль.

4. Показано образование перекрестно-сшитых гидрогелей на основе желатина и таннина при использовании водного раствора хлорида железа (III) заданной концентрации за счет образования ион-координационных связей ионов железа (III) с гидроксильными группами таннина (бис- и трис- комплексы), а также карбоксильными группами аминокислотных остатков желатина, приводящее к структурированию полимерной сетки, обладающей хорошо развитой пористой поверхностью с равномерным распределением пор диаметром 5 ^ 10 мкм и низкой сорбционной емкостью 6 ^ 12 г/г.

5. Получены количественные характеристики процесса сорбции желатин-танниновых гидрогелей по модели псевдовторого порядка, определены кинетические параметры процесса в дистиллированной воде и фосфатных буферных растворах (рН = 2 ^ 9). Установлено, что синтезированные желатин-танниновые гидрогели обладали преимущественно Фиковским поведением (п < 0,5). Продемонстрировано, что максимум сорбционной емкости в дистиллированной воде (40 г/г) наблюдался для гидрогелей, полученных с использованием соотношения 0,6 моль перекиси водорода на моль таннина.

6. Показано, что модифицирование желатин-танниновых гидрогелей аскорбатом железа приводит к увеличению механической прочности материалов в 1,5 ^ 2 раза (до 82 кПа) по сравнению с немодифицированными, а высвобождение аскорбата железа контролируется рН среды и подчиняется модели фармакинетики Хигучи.

Теоретическая значимость работы

Методами ИК-, ЯМР- и УФ-спектроскопии определена структура желатин-танниновых гидрогелей, полученных формированием полимерной сетки с образованием вторичных аминов/иминных групп за счет взаимодействия альдегидных групп таннина с аминогруппами желатина. Установлена взаимосвязь между природой и долей окислительной системы (H2O2, ДМСО, KMnO4, KЮ4), долей получаемых производных таннина с различной функциональностью по альдегидным группам и степенью сшивки желатин-танниновых гидрогелей.

Основные параметры полимерной сетки, такие как, плотность сшивки, доля активных цепей и размер полимерной сетки, полученные из сорбционных исследований, показали небольшой варьируемый диапазон значений (66,7 ^ 68,5 г/моль, 1,97 ^ 2,02*10-2 моль/см3 и 11,7 ^ 12,5 А, соответственно), в отличие от значений, полученных на основе теории высокоэластичности, что свидетельствует о значительном вкладе межмолекулярных взаимодействий в структуру желатин-танниновых гидрогелей.

Показана применимость описания кинетики дегидратации связанной воды из желатин-танниновых гидрогелей с помощью модельных и изоконверсионных методов термического анализа.

Практическая значимость работы

Разработан способ получения из доступного и экономичного сырья гидрогелевых материалов на основе желатина и таннина для практического медицинского применения. Использование для синтеза хорошо известных в медицинской практике реагентов может способствовать внедрению полученного полимерного материала в промышленное производство. Показано, что варьирование технологических и рецептурных параметров получения желатин -танниновых гидрогелей позволяет получать материалы по своим паропроницаемости (более 500 г/[м2*сут]), влагосодержанию (до 10%) и механическим характеристикам (прочность до 100 кПа, относительное удлинение

при разрыве до 300 %), близким к эпидермису, что говорит о возможной применимости в качестве матрицы для создания эффективных раневых покрытий.

Была разработана и опробована концепция получения высокоадгезивного гидрогеля на основе сукцинилированного желатина и таннина, модифицированного хлоридом железа (III), для которого адгезионная прочность в равновесном состоянии при связи с модельной кожей достигала 3,8 МПа.

Показано, что разработанная методика позволяет получить системы на основе желатин-танниновых гидрогелей для адресной доставки лекарственных средств, в частности аскорбата железа (II). Практическая значимость части предлагаемых технических решений подтверждена актом испытаний (протокол испытаний №3 от 30.03.2023, ФГУП "КГНЦ").

Достоверность исследований

Достоверность полученных в ходе работы результатов исследований подтверждается использованием современного оборудования, соответствующих методов исследований и применение математических и статистических методов обработки экспериментальных данных, а также высокой воспроизводимостью полученных результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение и исследование желатин-танниновых гидрогелевых материалов медико-биологического назначения»

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены и апробированы на таких нучных конференциях как XX International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM-2020), Всероссийской научной конференции «Традиции и Инновации», посвященной 193-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ), VIII международной научной конференции молодых ученых: вирусологов, биотехнологов, молекулярных биологов и биофизиков "OpenBio-2021", открытой конкурс-конференции научно-исследовательских работ по химии элементоорганических соединений и полимеров «ИНЭОС OPEN CUP», международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021», II

Коршаковской Всероссийской конференции с международным участием "Поликонденсационные процессы и полимеры", Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные тенденции развития химической технологии, промышленной экологии и техносферной безопасности», XVI международной Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах», XXVIII Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы биомедицины - 2022», III Международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука для практической медицины -2023», Всероссийской конференции «Молодые профессионалы», на Конгрессах молодых ученых Университета ИТМО (2020, 2021, 2022 гг), Научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (2020, 2021, 2022 гг).

Внедрение результатов работы

Опытная партия желатин-танниовых гидрогелей была изготовлена и передана в филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» для физико-механических испытаний. Результаты настоящей диссертационной работы были внедрены в образовательный процесс при изучении дисциплин "Современные проблемы экологической и биомедицинской инженерии" в рамках направления подготовки (специальности) 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» для реализации основных профессиональных образовательных программ высшего образования магистратуры.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, из них 6 статей в научных изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования (Scopus и Web of Science) и 1 статья в журнале, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации

Текст диссертации представлен на русском языке и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 329 наименований и трех приложений. Работа изложена на 175 страницах, содержит 59 рисунков и 27 таблиц.

Содержание работы

В введении обоснована актуальность получения полимерных материалов на основе желатина и таннина для перспективного использования в качестве материалов медико-биологического назначения, определена цель и задачи исследования.

В первой главе представлен обзор современной научной и технической литературы, посвященный получению и исследованию полимерных материалов медицинского назначения на основе желатина и таннина. Рассмотрены основные требования, предъявляемые к полимерным материалам, используемым при восстановлении тканей человека.

Во второй главе представлены объекты, методики получения и методы

исследования полученных полимерных образцов.

Объекты исследования:

В качестве объектов исследования в представленной работе являлись гидрогелевые материалы на основе желатина/сукцинилированного желатина и таннина, полученные с использованием окислительных систем на основе перекиси водорода, диметилсульфоксида, перманганата и периодата калия с различным соотношением окислителя к таннину (0.5-1.0 моль/моль), а также перекрестно-сшитых систем с помощью хлорида железа (III) и желатин-танниновых гидрогелевых материалов, нагруженных аскорбатом железа (II).

Для получения полимерных образцов были использованы следующие исходные вещества:

• Желатин пищевой (марка П-11, ООО "ТД-Холдинг") с Mr=40 - 100 * 103

г/моль;

• Таннин (пищ., "Lafayette", Франция) c Mr=1670 г/моль;

• Диметилсульфоксид (фарм., АО "Татхимфармпрепарат");

• Перекись водорода 3% водный раствор (фарм., ООО "Самарская фармацевтическая фабрика");

• Перманганат калия (фарм., ООО "Фармацевтическая фабрика");

• Периодат калия (ХЧ, ООО "Уфимская химическая компания");

• Хлорид железа (III) (ХЧ, 6-водный, ООО "Реахим");

• Аскорбат железа (II) (ЧДА, 2-водный, "Dayang Chem", Китай).

Образцы полимерного материала получали следующим образом: предварительно 3,08 г желатина (8% масс.) набухали в физиологическом растворе (0,1 % масс. NaCl) в течение 30 мин при н.у., затем его растворяли при температуре 60 °С при постоянном перемешивании (ПЭ-6110, ООО "Экросхим", 200 об/мин). В исходный раствор желатина приливали предварительно приготовленную окислительную систему (ОкС), которую готовили смешением заданного количества окислителя при 200 об/мин с таннином в щелочной среде (pH = 8^10) в течение 30 минут при температуре 60 ^ 80 °С. рН раствора доводили с помощью 2М раствора NaOH. После этого нагревали смесь в течение 1 ч при перемешивании с последующим формованием методом полива 20 ^ 25 мл раствора сушкой до толщины 0,1 ^ 0,2 мм. Для материалов с хлоридом или аскорбатом железа на этой стадии вводили 1 г раствора, содержащего 0,32/0,46/0,58 мкмоль FeCl3 или 1,4/1,8/2,2 мкмоль аскорбата железа, соответственно. Мольные соотношения окислителей к таннину варьировали в пределах 0,5 ^ 1 моль.

Для приготовления гидрогелевых таннин/желатиновых образцов, модифицированных ионами железа, после добавления ОкС, на стадии перемешивания добавляли раствор, содержащий 0,32 ^ 0,58 ^моль FeCl3 или 1,4 ^ 2,2 ^моль аскорбата железа, соответственно.

Сукцинилированный желатин получали смешением 8 г желатина, 0,9 г хлорида натрия, 0,2 г янтарного ангидрида и 90,9 г воды при температуре 80 °С в течение 0,5 ч при перемешивании на верхнеприводной мешалке ES-8300 со

скоростью 600 об/мин с использованием колбонагревателя ES-4100 ("Экрос", РФ). Затем полученный раствор нейтрализовали до рН около 6,7 (10 % р-р N2CO3) стерилизовали в климатической камере CM 60-150/250-TBX ("СМ Климат", РФ) при температуре 120 °С и влажности 80% в течение 0,25 ч. В результате был получен гомогенный раствор желтого цвета, не подвергающийся гелеобразованию до + 2 °С.

Образцы на основе сукцинилированного желатина изготавливали следующим образом: ОкС на основе перекиси водорода готовили вышеописанным способом, после чего добавляли раствор хлорида железа. Затем приливали раствор 8% сукцинилированного желатина и перемешивали 10 мин при 80 °С.

Изучение процесса набухания проводили гравиметрическим методом в дистиллированной воде и в фосфатных буферных растворах. Для определения массы использовались аналитические весы ВЛ-120M ("Госметр", РФ).

Пористость определяли методом гидростатического взвешивания.

Физико-механические характеристики материалов определялись на универсальной разрывной машине Instron 5966, "Instron", США.

Термические свойства анализировали с помощью термоанализатора SDT Q-600 ("Thermal analysis", США).

ИК-спектры полимерных образцов были получены на спектрометре Nicolet iS-50 ("Thermo Fisher Scientific", США).

Исследования по паропроницаемости проводили в соответствии с ASTM E96/E96M - 10. Кислородопроницаемость пленок гидрогеля исследовали по содержанию кислорода в воде с помощью модифицированного метода Уинклера.

Морфологию поверхности образцов изучали с помощью оптического микроскопа МБС-9 с увеличением от 2 до 98 раз.

Исследования деструкции полученных полимерных материалов проводили в 10 М растворе мочевины, для сравнения использовали дистиллированную воду.

Фармакинетика высвобождения ионов железа при экспозиции полученных таннин-желатиновых образцов гидрогелей, изучалась в буферных растворах с помощью спектрофотометрии (КФК-3, "ЗОМЗ").

Электропроводность растворов измеряли с помощью кондуктометра Milwaukee EC59 ("Milwaukee", США), рН определяли с помощью рН-метра PCE-228 ("PCE instruments", ФРГ) при экспозиции образцов в дистиллированной воде.

Третья глава содержит результаты исследований по получению и изучения полимерных желатин-танниновых гидрогелей. В ходе работы было исследовано влияние технологических и рецептурных параметров: рН и температуры синтеза, типа и мольного соотношения компонентов окислительной системы к таннину, типа сшивки, возможность использования материалов для доставки лекарств и предложена схема синтеза гидрогелей на основе сукцинилированного желатина.

В первой подглаве представлены результаты исследований процесса синтеза желатин-танниновых гидрогелей с использованием различных окислительных систем (H-DMSO, H-KIO4, H-KMnO4 и H-H2O2). Переменной величиной было соотношение окислителя к таннину. Было рассмотрено влияние параметров процесса окисления таннина на сорбционные свойства материалов, а также с помощью ЯМР, УФ и ИК-спектроскопии была подтверждена схема реакций, выдвигавшаяся в более ранних исследованиях.

Наиболее распространенным методом для получения желатин-танниновых гидрогелей является двухстадийный синтез с использованием периодата натрия. Однако применение периодатных соединений в качестве окислителей сопровождается рядом недостатков. В связи с этим было принято решение рассмотреть возможность применения альтернативных окислительных систем. На первой стадии для обеспечения возможности образования сшитой структуры таннин предварительно необходимо окислить (рисунок 1). На второй стадии окисленный таннин способен к реакции с аминогруппами желатина. Для получения максимальной степени сшивки устанавливали наиболее жесткие для данной реакции условия (рН = 10, T = 80 °С).

Рисунок 1 - Схема реакций получения желатин-танниновых гидрогелей Подтверждение протекания представленных реакций основывается на методах ИК и ЯМР спектроскопии. Полосы амида I и II (1650 и 1550 см-1) в сшитых образцах были смещены в область меньших волновых чисел чем в желатине, что свидетельствовало об участии первичных аминогрупп в реакции с молекулами таннина. Также в гидрогелях наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения при 1450 см-1, связываемой с наличием связей СН=М

На вторых производных ИК-спектров гидрогелей (рисунок 2) в области амид I (1690^1600 см-1), являющейся чувствительной ко вторичной структуре полосой, заметно что все три полосы поглощения, характеризующие вторичную структуру желатина смещены по частоте.

1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900

Волновое число, см'*

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350

Волновое число, см"*

Рисунок 2 - ИК-спектры гидрогелей и исходных веществ: желатина (1), таннина (6), Н-ВМ$>0-0,6 (2), Н-К104-0,6 (3), Н-КМп04-0,6 (4), Н-Н202-0,6 (5) Также сшивание желатина и таннина было подтверждено с помощью ЯМР-спектроскопии по имеющимся для схожих по структуре соединений методикам: по появлению нового пика при 8,3 м.д., связываемого с протоном в иминной связи и по увеличению интенсивности пиков в интервале от 2,5 до 3 м.д, связываемых с возникновением новых вторичных аминов.

На поверхности образцов, полученных с использованием перманганата и периодата калия, были отмечены кристаллы, указывающие на образование продуктов марганца и йода, соответственно.

Во всех изученных средах на начальной стадии набухания наибольшей скоростью процесса, обладали полимерные гидрогелевые материалы при использовании перманганата калия в качестве окислителя таннина при соотношении от 0,7 до 1 моль (таблица 1).

Таблица 1 - Сорбционное поведение материалов согласно модели Фика (к) и

второго псевдопорядка (к2)

- Вода 9 7.4 5,8

k П k2 k П k2 k П k2 k п k2

ОкС - Перекись водорода

1 0,35 0,50 0,90 0,21 0,49 0,88 0,28 0,46 0,29 0,75 0,36 0,86

0,9 0,51 0,45 1,02 0,22 0,54 0,28 1,82 0,20 1,32 0,46 0,43 0,93

0,8 0,43 0,53 1,60 0,22 0,53 0,44 0,08 0,67 0,14 0,32 0,50 1,08

0,7 0,54 0,43 1,34 0,28 0,48 0,41 0,30 0,45 0,29 0,53 0,40 1,00

0,6 0,44 0,54 0,80 0,17 0,55 0,23 0,28 0,45 0,26 0,43 0,44 0,62

0,5 0,42 0,47 0,91 0,39 0,43 0,43 0,26 0,47 0,29 0,38 0,44 0,60

ОкС - ДМСО

1 0,45 0,46 0,88 0,76 0,43 0,77 0,80 0,39 1,90 1,07 0,35 3,57

0,9 0,67 0,37 0,99 0,33 0,44 0,54 0,33 0,49 0,70 1,00 0,32 2,25

0,8 0,44 0,44 0,65 0,43 0,43 0,66 0,45 0,41 0,59 0,49 0,44 1,64

0,7 0,55 0,42 0,24 0,41 0,45 0,51 0,58 0,40 0,70 0,70 0,37 1,08

0,6 0,32 0,47 0,48 0,38 0,45 0,42 0,46 0,41 0,57 0,59 0,40 0,75

0,5 0,33 0,49 0,47 0,46 0,45 0,49 0,40 0,44 0,51 0,50 0,43 0,88

ОкС - Перманганат калия

1 0,59 0,36 0,99 0,40 0,49 0,88 0,39 0,42 0,71 0,49 0,44 1,54

0,9 0,67 0,41 0,50 0,59 0,49 1,94 0,57 0,44 1,17 0,83 0,40 3,27

0,8 1,18 0,30 0,42 0,67 0,42 1,01 1,99 0,18 0,79 0,41 0,98 1,17

0,7 0,59 0,55 0,73 0,25 0,55 0,40 1,65 0,49 0,46 0,67 0,49 2,37

0,6 0,59 0,36 0,41 0,34 0,53 1,02 1,79 0,20 1,14 0,53 0,50 1,35

0,5 0,47 0,41 0,44 0,33 0,50 0,94 1,40 0,42 1,01 0,43 0,46 1,08

ОкС - Периодат калия

1 0,43 0,53 1,02 0,50 0,42 0,72 0,51 0,40 0,60 0,60 0,40 1,57

0,9 0,20 0,68 1,50 0,20 0,55 0,44 0,27 0,49 0,48 0,49 0,42 1,72

0,8 0,44 0,55 1,42 0,83 0,35 0,76 0,58 0,40 0,73 0,77 0,37 1,80

0,7 0,32 0,59 1,35 0,39 0,45 0,46 0,24 0,53 0,55 0,44 0,44 1,64

0,6 0,21 0,65 1,36 0,39 0,45 0,86 0,32 0,47 0,67 0,53 0,44 2,64

0,5 0,19 0,75 2,70 0,42 0,44 0,72 0,36 0,48 0,68 0,53 0,43 1,79

В то же время наиболее стабильное набухание (с постоянным градиентом скорости набухания) во всех рассмотренных средах и при всех окислительных системах происходило при соотношении 0,5 и 0,6 моль.

Низкая вариабельность скорости сорбции при изменении рН является важным фактором для рН чувствительных гидрогелей. Рассмотренные гидрогели обладали преимущественно Фиковским поведением (п < 0,5, Я2 > 0,95).

Наибольшие значения равновесной степени набухания в воде и среде с рН=5,8 обладали образцы, полученные с использованием 0,6 моль (14 и 10 г/г) К104 и 0,7 моль (12 и 8 г/г) КМп04, в растворах с рН=7.4 и 9 материалы полученные с использованием 0,8 моль (7 и 8 г/г) и 0,7 моль (6 и 9 г/г) КМп04.

Для дальнейшей работы было отобрано 4 рецептуры полученных гидрогелей с различной системой (Н-Н2О2-О.6, Н-БМ80-0,6, Н-КМп04-0,6, Н-КЮ4-О.6), как соответствующие, с одной стороны, наиболее близкими градиентами скорости сорбции как в начальный период, так и на всем промежутке исследования, с другой стороны, оптимальной скоростью дегидратации и максимальным размером сетки.

Содержание гель-фракции варьировалось в пределах 74,3 - 95,9 ± 0.4 % (таблица 2). При этом наибольшей пористостью обладали гидрогели, полученные при использовании в качестве окислителя - КМп04 (Хр = 80,8 ± 0,6 %), и наименьшей КЮ4 (Хр = 17,3 ± 0,2 %).

В контрольных пробах значения паропроницаемости составили в открытой -(3046 ± 86), в закрытой - (50 ± 1) г/(час*м2). Наличие паропроницаемости раневых покрытий более 500 г/м2*сут, уже создает благоприятные условия для лечения ран и ожогов.

Результаты контрольных проб на кислородопроницаемость составили (7,19 ± 0,03) и (9,68±0,05) мг/л (для закрытой и открытой пробы, соответственно). Все изучаемые желатин-танниновые гидрогели обладали кислородопроницаемостью (входили в диапазон от 7,19 до 9,68 мг/л).

Таблица 2 - Свойства гидрогелей, определенные сорбционными методами

Образец Содержание золь фракции,% Пористость , % Паропроница-емость, г/(час^м2) Кислородопроница-емость, мг/л

Н-Н202-0,6 4,1 ± 0,4 37,5 ± 0,4 1848±54 7,82 ± 0,04

Н-БМ80-0,6 14,3 ± 0,3 56,1 ± 0,5 1729± 50 8,94 ± 0,04

Н-КМп04-0,6 6,8 ± 0,4 80,8 ± 0,6 1793 ± 52 9,29 ± 0,05

Н-К104-0,6 25,7 ± 0,3 17,3 ± 0,2 1542±45 8,38 ± 0,05

К основным требованиям раневой повязки также относится и достаточная механическая прочность и эластичность материала. Гидрогели показали достаточную прочность при растяжении для их дальнейшего использования (рисунок 3). Относительное удлинение при разрыве варьировалось от 150 до 300 %.

Рисунок 3 - Физико-механические свойства: (а) предел прочности при разрыве,

(б) удлинение при разрыве

Плотность сшивки и размер сетки (таблица 3) показали, что большей плотностью сшивки обладали гидрогели, полученные с применением больших окислителей (КМп04 и КЮ4), что объяснимо ограничениями теории высокоэластичности резины.

Таблица 3 - Сравнение плотности сшивки гидрогелевых образцов, полученных при исследовании сорбционных и физико-механических характеристик

Образец Сорбция Физико-механика

Мс1, г/моль Хп1 • 102, моль/см3 £1, А Уа Мс2, г/моль Хп2 • 102, моль/см3 £2, А

И-Н2С>2-0,6 66,7 2,02 12,5 0,581 226,4 0,59 23,4

Н-БМ80-0,6 67,7 1,99 12,1 0,589 197,0 0,69 20,9

Н-КМпС4-0,6 68,5 1,97 11,7 0,597 80,0 1,69 12,9

Н-К104-0,6 68,1 1,98 11,9 0,593 63,5 2,13 11,7

Одним из важных свойств полученных таннин-желатиновых гидрогелей, являются термические параметры, которые также дают информацию о структуре материалов. В ходе работы нами были использованы изоконверсионные методы анализа кинетики дегидратации таннин-желатиновых гидрогелей, такие как Киссинджера-Акахиры-Суноз, Озавы-Флинна-Уолла.

Все термогравиметрические кривые для различных скоростей нагрева обладали схожим профилем для образцов одного типа и соответветствующие стадии деструкции смещались к более высоким температурам с увеличением скорости нагрева. Были определены три стадии процесса, связанные: 1) с испарением связанной воды (25 ^ 250) °С, 2) деструкцией желатина (250 ^ 350) °С и 3) разложением остатков (450 ^ 550) °С.

Сначала кинетику стадии дегидратации изучали изоконверсионными методами для получения зависимостей энергии активации от степени конверсии (рисунок 4). Стадия 1 была выбрана для кинетического анализа, поскольку она демонстрирует легкость испарения связанных молекул воды, что косвенно может указывать на различие структуры.

Значения, полученные методами Флинн-Уолл-Озава и Киссинджер-Акахира-Суноза, сильно различались в диапазоне конверсии 0,2 - 0,6 (примерно в два раза). Рассчитанные средние значения для этого диапазона возрастали с 4 - 18 до 14 - 38 кДж/моль в зависимости от используемой окислительной системы и метода.

Рисунок 4 - Расчетная энергия активации для степеней конверсии (0,2 - 0,8), рассчитанная по методам: (а) Флинн-Уолл-Озава и (б) Киссинджер-Акахира-

Суноза

Для более подробного изучения гидрогелей, полученных с использованием различных окислителей, применялся метод ДСК, показавший что температура стеклования для гидрогелей была близка по значениям (рисунок 5).

Рисунок 5 - ДСК кривые высушенных гидрогелей на основе разных окислителей

(соотношение 0,6 моль)

Для определения соотношения связанной и общей воды в синтезированных материалах использовались данные ДСК по энтальпии испарения воды и ТГА (таблица 4).

Таблица 4 - Распределение связанной и свободной воды в гидрогелях

ОкС Доля свободной и полусвязанной воды, г/г Доля связанной воды, г/г (из данных ДСК) Доля связанной воды, г/г (из данных ТГА)

ДМСО 0,802 0,125 0,024

ШС2 0,572 0,126 0,248

0,603 0,166 0,083

0,652 0,169 0,062

Доля связанной воды в образцах с окислителями KЮ4 и KMnO4 была выше, что соответствует ранее полученным данным и означает, что эти гидрогели имели большее количество функциональных групп способных сильно связывать молекулы воды.

Для определения соотношения иминных и вторичных аминных связей использовали деконволюцию ИК-спектров. Предполагаемые местоположения иминной связи, было определено на вторых производных ИК-спектров, как 1680 и 1685 см-1. Наибольшая доля иминных связей была определена в гидрогелях, полученных с использованием в качестве окислителя Н2О2, что согласуется с данными ДСК и ТГА.

Гидрогелевые материалы, полученные с применением в качестве окислителя KMnO4 и КЮ4 обладали большей плотностью сшивки, как по физико-механическим данным, так и по термической стабильности. Однако, наличие неорганических продуктов разложения ОкС после получения таннин-желатиновых

гидрогелей, требует введения дополнительной стадии очистки. Кроме того, Н-КМп04-0,6 обладал не стабильной кинетикой дегидратации, а Н-К104-0,6 низкими значениями пористости и паро- и кислородопроницаемости, что в дальнейшем может создать трудности при использовании этих материалов для инкорпорирования и доставки лекарств на их основе. В связи со всем вышеперечисленным было решено отказаться от этих окислительных систем для рассмотрения в дальнейшем исследовании.

Материалы на основе ДМСО и перекиси водорода обладали схожей степенью сшивки, термической стабильностью, физико-механическими характеристиками, паро- и газопроницаемостью, а также сорбционным и десорбционным поведением. Образцы Н-ВМ$>0-0,6 обладал меньшей сорбционной емкостью и большим содержанием золь фракции по сравнению с гидрогелями, полученными при использовании в качестве окислителя перекиси водорода. Вследствие чего для дальнейшей работы была выбрана окислительная система на основе 0,6 моль пероксида водорода/1 моль таннина.

Во второй подглаве были определены оптимальные условия синтеза гидрогелевых материалов для выбранной окислительной системы (0,6 моль перекиси водорода), где варьировали рН (8 - 10), температуру (50 - 80 °С) и оптимальное время окисления таннина.

Определение оптимального времени окисления таннина проводилось по изменению степени превращения гидроксильных групп в альдегидные методом ИК-спектроскопии. В качестве основы была выбрана полоса в области 1720 см-1, усиливающаяся с увеличением степени окисления таннина до альдегидных групп. Интенсивность пика увеличивается при повышении времени окисления до 60 мин. Дальнейшее повышение времени окисления до 120 мин не приводит к повышению интенсивности исследуемой полосы.

При ужесточении условий реакции увеличивалось количество дефектов на поверхности материалов, изменялся их характер и размер (рисунок 6).

С ростом обоих регулируемых параметров (таблица 5) увеличивалась прочность на разрыв, а относительное удлинение при разрыве несколько снижалось.

Рисунок 6 - Морфология гидрогелевых материалов в зависимости от условий

синтеза

Таблица 5 - Механическая характеристика материалов полученных при различных рН и температуре: прочность на разрыв, относительное удлинение

рН 8 9 10

Т, °с 60 70 80 60 70 80 60 70 80

F, кПа с 23 ± 4 27 ± 4 21 ± 4 26 ± 4 29 ± 5 48 ± 6 40 ± 5 34 ± 5

£р, % 329 ± 32 311 ± 29 305 ± 29 331 ± 33 315 ± 31 300 ± 30 292 ± 29 287 ± 28 279 ± 28

В дистиллированной воде (рН = 7) наблюдались два максимума у гидрогелей, полученных при рН = 10, Т = 60 и 70 °С, составившие 32 и 40 г/г, соответственно.

Константа Фика для рассматриваемых материалов изменялась в пределах 0,3 ^ 1 мин-1 в нейтральном буфере и 0,1 ^ 0,8 мин-1 в щелочном, а в воде и кислой среде была сильно снижена (менее 0,1 мин-1). Характер набухания был аномальным

в кислой среде за исключением материалов, полученных при 60 °С и рН = 8. В остальных средах образцы следовали закону Фика.

При определении скорости диффузии растворителя на всем времени исследования было выявлено повышение константы сорбции для двух типов образцов в кислой и щелочной средах составившие 3,4 и 4,6 г*(моль*мин)-1 (рН = 8, Т = 60 °С), а в дистиллированной воде 3,2 г*(моль*мин)-1 (рН = 10, 1°=80 °С). Для других материалов значение константы варьировалось в пределах 0,5 - 1,7 г*(моль*мин)-1.

Наиболее сшитые гидрогели были получены при рН = 9 - 10 и температуре 70 °С (таблица 6). Наибольший размер сетки был получен при (рН = 8, Т = 60 °С). Таблица 6 - Структурные параметры материалов: распределение степеней сшивки, размера сетки и доли активных цепей в зависимости от использованной температуры и рН

Условия рН = 8, рН = 9, рН = рН = 8, рН = 9, рН = рН = 8, рН = 9, рН =

Т = 60 Т = 60 10, Т = Т = 70 Т = 70 10, Т = Т = 80 Т = 80 10, Т =

синтеза °с °с 60 °с °с °с 70°с °с °с 80 °с

Хп, моль/см3 1,97 1,89 2,14 1,84 2,15 2,17 1,94 1,99 2,02

е, А0 12,27 10,54 10,82 11,09 10,23 10,70 10,82 12,06 12,51

Уа 0,595 0,623 0,548 0,637 0,547 0,542 0,606 0,592 0,581

Желатин-танниновые гидрогели, синтезированные при рН = 10 и Т = 70 °С обладали постоянным градиентом скорости набухания в рассмотренных растворах (дистиллированная вода, фосфатные буферы с рН=5,8/7,4/9), одними из наиболее высоких значений механической прочности (40 кПа) и степени сшивки (2,17* 10-2 моль/см3). Кроме того, значения равновесного набухания в дистиллированной воде также были максимальны (40 г/г). В результате проведенных исследований именно

эти параметры были выбраны как наиболее оптимальные для дальнейших экспериментов.

В третьей подглаве для увеличения механической прочности была опробована методика получения координационно связанных таннин-желатиновых гидрогелей с использованием ионов Fe3+. Для этого на последней стадии синтеза вводили 0,32/0,46/0,58 мкмоль хлорида железа (образцы H-Fe0,32/H-Fe0,46/H-Fe0,58). Более прочные гидрогели позволят в перспективе расширить сферу применения биоматериалов.

Схема реакций образования координационно связанных гидрогелей на основе желатина и таннина (рисунок 7) схожа с ранее приведенной схемой (рисунок 1). За исключением, того что после стадии окисления таннина и во время смешения его с раствором желатина вводится раствор хлорида железа. Ионы железа интенсивно формируют ион-координационные связи с гидроксильными группами таннина. Скорость взаимодействия ионов железа много больше скорости образования связей между желатином и окисленным таннином, что структурирует сетку и приводит к формированию бис и трис комплексов.

Рисунок 7 - Схема реакций формирования таннин-желатиновых материалов Формирование трис-комплексов таннина и железа подтверждали с помощью УФ-спектроскопии (рисунок 8) по возникновению и росту интенсивности поглощения при длине волны около 560 нм при увеличении содержания ионов железа в образце.

Н-БеО

200 400 600 800 1000 1200

Длина волны, нм

Рисунок 8 - УФ-спектры гидрогелей с различным содержанием железа Для гидрогелей с ионами железа наблюдалось увеличение прочности и снижение относительного удлинения по сравнению с референтными образцами в 1,5 - 2 раза. Наибольшими значениями прочности обладали образцы И-Ев0,46 (101 кПа), а относительного удлинения при разрыве И-¥в0 (285%).

Гидрогелевые материалы, модифицированные ионами железа (III), продемонстрировали снижение степени набухания в кислых и щелочных буферных растворах в 1,5 - 2 раза с увеличением количества введенных ионов железа (рисунок 9). В воде и щелочной среде наблюдался небольшой рост сорбционной емкости материалов у И-Ев0,46 в 1,2 раза по сравнению с образцами И-Ев0,32 и И-Ев0,58. Скорость набухания была снижена относительно референтной рецептуры в 5 - 20 раз и уменьшалась с увеличением доли ионов железа от 0,06 до 0,02 мин-1.

Рисунок 9 - Сорбционные параметры гидрогелей: (а) степень набухания, (б)

константа по уравнению Фика.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Осетров Константин Олегович, 2023 год

Литература

1. Krogsgaard M., Behrens M.A., Pedersen J.S., Birkedal H. Self-Healing Mussel-Inspired Multi-pH-Responsive Hydrogels // Biomacromolecules. - 2013. - Vol. 14. - №. 2. - Рр. 297-301.

2. Birkedal H., Chen Y. Mussel inspired self-healing materials : Coordination chemistry of polyphenols // Advances in inorganic chemistry. - 2020. - Vol. 76. - Рр. 269-298.

3. Chen Y.N., Peng L., Liu T. et al. Poly(vinyl alcohol)-Tannic Acid Hydrogels with Excellent Mechanical Properties and Shape Memory Behaviors // ACS Applied Materials and Interfaces. - 2016. - Vol. 8. - №. 40. - Рр. 2719927206.

4. Lee S.Y., Lee J.N., Chathuranga K. et al. Tunicate-inspired polyallylamine-based hydrogels for wet adhesion: A comparative study of catechol- and gallol-functionalities // Journal of Colloid and Interface Science. - 2021. - Vol. 601. - Рр. 143-155.

5. Hu X., Wang Y., Zhang L., Xu M. Morphological and mechanical properties of tannic acid/PAAm semi-IPN hydrogels for cell adhesion // Polym Test. - 2017. - Vol. 61. - Pр. 314-323.

6. Zhou L., Fan L., Yi X., Zhou Z., Liu C., Fu R., Dai C., Wang Z., Chen X., Yu P., Chen D., Tan G., Wang Q., Ning C. Soft Conducting Polymer Hydrogels Cross-Linked and Doped by Tannic Acid for Spinal Cord Injury Repair // ACS Nano. - Vol. 12. - №. 11 - Pр.10957-10967.

УДК 544.773.43

ГИДРОГЕЛЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛАТИНА И ТАННИНА

Осетров К.О., Ковалева П.А.

Научный руководитель - д.т.н., профессор Успенская М.В.

В работе представлены результаты получения полимерных гидрогелей на основе желатина и сшивающего агента - таннина, окисленного периодатом калия. Синтезированные материалы были исследованы методом инфракрасной спектроскопии и микроскопии. Изучены сорбционные характеристики полимерных композиционных материалов в физиологическом растворе. Показана возможность образования различной структуры полимерного материала в зависимости от содержания периодата калия.

Ключевые слова: гидрогель, биокомпозиты, желатин, таннин, сорбция

Гидрогели - гидрофильные полимерные композитные материалы, способные сорбировать и удерживать большое количество влаги, увеличиваясь в объеме за счет связывания молекул воды кулоновскими силами. Благодаря своим свойствам гидрогелевые материалы находят широкое применение в фармакологии, медицине в качестве раневых повязок или покрытий [1].

Одним из широко используемых биополимеров для доставки лекарственных препаратов, а также основы при создании гидрогелевых материалов является желатин - белковый продукт гидролиза коллагена со средней молекулярной массой 65000-300000 г/моль, который при переработке сырья животного происхождения теряет характерную структуру тройной спирали, но сохраняет возможность для ее образования при увеличении температуры за счет конформационных переходов, происходящих вследствие стабилизации водородными связями и гидрофобными взаимодействиями [2].

Однако, применение желатина без дальнейшей модификации ограничивает потенциальные области применения за счет низких физико-механических характеристик полимерных материалов на его основе. Использование различных наполнителей либо сшивающих агентов (кросслинкеров) значительно расширяет практический спектр применения желатиновых материалов. В медицине в качестве кровоостанавливающих, противовоспалительных, а также антимикробных средств широко используют таннинсодержащие препараты. Таннины представляют собой группу фенольных соединений растительного происхождения, содержащих, главным образом, смесь эфиров глюкозы и м-дигалловой и три-галловой кислот. Из-за большого количества сопряженных гидроксильных групп таннины превосходно сорбируют металлы и связывают белки, образуя непроницаемую для молекул воды полимерную пленку [3]. Поэтому, с одной стороны, применение таннина способствует уменьшению воспаления, с другой стороны, сворачивание крови приводит к остановки кровотечения.

Ранее [4] было предложено использовать окисленный периодатом натрия таннин как сшивающий агент для желатина. Один из альтернативных промышленно доступных периодатов является периодат калия. В связи с большим радиусом иона калия в сравнении с ионом натрия, последний будет иметь большую плотность поверхностного заряда и, как следствие, более плотную гидратную оболочку в растворе. Из-за менее плотной гидратной оболочки ионы калия будут легче притягиваться к карбоксилатным анионам белка и нейтрализовывать их, что приведет к сдвигу изоэлектрической точки (для желатина П-11 изоэлектрическая точка = 5^7) в более кислую область. Таким образом, учитывая, что уже для 2% раствора таннина рН=4^5, а окисление гидроксильных групп происходит только в щелочной среде, вероятно изменится и сам процесс гелеобразования (рис. 1).

На стадии I гидроксильные группы, входящие в остатки галловой кислоты, присоединенные к молекуле глюкозы, окисляются периодат ионами до альдегидных групп, способных взаимодействовать с пептидной связью на стадии II, в зависимости от условий

процесса гелеобразования с преобладанием образования различных структур (рис. 1, II, А, Б, В).

Поэтому достаточно важно было исследовать влияние доли периодата калия, на структуру и свойства конечного продукта - гидрогеля на основе системы таннин - желатин. В ходе работы решались следующие задачи: синтез гидрогелевых материалов при различной концентрации окислителя (исследованные рецептуры представлены в табл.1) и изучение сорбционных характеристик полученных полимерных материалов в физиологическом растворе.

Методика синтеза: к 15% (масс.) раствору желатина в дистиллированной воде, добавляли 2 % (масс.) раствор таннина, доводили рН до 10 с помощью 1 М водного раствора NaOH. После этого приливали водный раствор периодата калия, интенсивно перемешивали и оставляли при 250С до образования конечного продукта.

Контрольный образец без периодата калия оставался в золь-форме, подтверждая, что таннин в неокисленном состоянии в щелочной среде препятствует гелеобразованию желатина [5].

Методы исследования: морфологию поверхности полученных полимерных систем изучали с помощью микроскопа МБС-9 и ИК-спектроскопией с помощью спектрометра iS-50 с приставкой НПВО с кристаллом из алмаза.

После синтеза образцы высушивали при 250С до постоянной массы. В табл.1 представлены результаты времени гелеобразования, а также значения равновесной степени набухания в физиологическом растворе.

Возможно предположить, что с увеличением доли периодата калия в системе растет окисленность таннина, и как следствие функциональность. При соотношении периодат калия: таннин равном 2:1 достигается окисление наиболее доступных гидроксильных групп таннина. Однако, вследствие стерических препятствий из-за близкого расположения альдегидных групп и объемной жесткой структуры дигаллового остатка, начинает наблюдаться преобладание образования водородных связей, наименее устойчивых в растворе.

На рис. 2 представлены ИК-спектры полученных полимерных гидрогелей. Как видно из рис. 2, происходит сдвиг полос поглощения в области 1500 и 1650 см-1 в более длинноволновую область, что некоторыми исследователями [5,6] относится со связыванием окисленного таннина и белков.

Поверхность полученных полимерных образцов представлена на рис. 3.

Как видно из рис. 3, для полученных образцов характерны крупные пористые надмолекулярные образования, связанные друг с другом в одну непрерывную сеть, перемежающиеся участками гидратированной поверхности. Видны вытянутые поры размером менее 10цм, 10^30 цм х 60^90 цм, равномерно распределенные по поверхности. Багрово-фиолетовая (рис. 3.5.2) окраска среза образца (отличная от типовой для других рассмотренных рецептур оранжево-красной), а также выделившиеся на поверхности кристаллы (рис. 3.5.1) говорят об избытке периодата калия, и возможно максимальном окислении таннина в рассмотренных условиях.

В представленной работе были получены гидрогели на основе таннина и желатина с использованием окислителя - периодата калия. Исследовано влияние содержания периодата калия на морфологию поверхности, получены ИК-спектры композиций и изучены сорбционные характеристики гидрогелей. Полученные гидрогелевые материалы могут быть использованы как основа при дальнейшей разработке материалов для изготовления раневых покрытий.

Осетров К.О. (автор)

Успенская М.В. (научный руководитель)

УДК 544.773.432

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТАННИНА И ЖЕЛАТИНА В ЦИКЛАХ СОРБЦИЯ-ДЕСОРБЦИЯ. Осетров К.О. (Национальный исследовательский университет ИТМО) Научный руководитель - д.т.н., профессор Успенская М.В.

(Национальный исследовательский университет ИТМО)

Гидрогелевые материалы получали в ходе двухстадийного синтеза (окисление и сшивка) на основе таннина и желатина. Было изучено тип и мольное соотношение (в диапазоне 0.5^1 моль/моль) окислителей к таннину на кинетику десорбции гидрогелевых материалов желатина. Показано, что минимальной скоростью десорбции обладали гидрогели, синтезированные при использовании в качестве окислителя таннина перманганата калия в соотношении 0.5 моль/моль, а максимальной - периодата калия в соотношении 0.9 моль/моль.

Введение. Обладание рядом многообещающих свойств у композиций на основе таннина и желатина позволяет отнести их к перспективным биоматериалам. К таким свойствам обычно относят биосовместимость, антисептичность, потенциальную адгезию к тканям человека и другие. Как известно, одной из наиболее важных характеристик гидрогелевого материала является - сорбционная емкость, определяющая максимальную степень водопоглощения гидрогеля. Не менее значимым параметром является десорбция полимерных материалов.

Основная часть. Гидрогелевые материалы получали в ходе двухстадийного синтеза (схема реакции приведена ранее). На первой стадии окисляли таннин при помощи различных окислителей (таких как перекись водорода, ДМСО, перманганата и периодата калия) в щелочной среде. Далее, на второй стадии в систему вводили предварительно растворенный желатин, молекулы которого сшивал окисленный таннин. В зависимости от соотношения окислителя к таннину образовывались продукты с различной функциональностью и соответственно с различной степенью сшивки. Поскольку каждый окислитель обладает специфической реакционной способностью в каждой рассматриваемой реакции, интерес представляло рассмотрение соотношений от 0.5 до 1 моль окислителя на 1 моль таннина. Образцы представляли собой диски диаметром 35 мм и толщиной 2 мм, кинетика каждого исследованного сооотношения изучалась на трех параллельных образцах. После синтеза образцы помещали в дистиллированную воду до достижения равновесного набухания. После чего извлекали из водной среды, убирали с поверхности излишки воды фильтровальной бумагой и помещали в термостат, стабилизированный при 250С. Кинетику дегидратации изучали гравиметрически: извлекая в выбранные промежутки времени образцы, взвешивая и строя кривые зависимости относительного уменьшения массы от времени, чтобы в дальнейшем провести анализ в соответствии с первым законом Фика.

Для этого преобразовывали графики в логарифмический масштаб и строили прямые отрезки. Из наклона и смещения которых находили: константу дегидратации к и показатель диффузии п. При этом было выявлено, что показатель диффузии лежит в пределах от 0.5 до 1, что указывает на неФиковский (аномальный) механизм протекания диффузии у рассмотренных материалов. Т.е. скорость диффузии растворителя и релаксации полимерных цепей незначительно отличаются друг от друга. Анализ проводился на первоначальной стадии десорбции (до потери 60% массы)

Значения характеристической константы дегидратации к свели в 3Б график для наглядности отображения.

У окислительных систем на основе перекиси водорода и периодата калия наблюдались максимумы скорости десорбции при использовании соотношений 0.7 и 0.9 моль/моль соответственно. Экстремум на графике для пероксида водорода, предположительно,

образуется из-за малого размера окисляющего агента и потенциала к окислению внутренних гидроксильных групп стерически заблокированных для окислителей большего размера. Композиции на основе перманганата калия показали, что возможно максимум дегидратации приходится на соотношения более 1 моль/моль (судя по характеру кривой). Линейный рост константы дегидратации гидрогелей перманганата и периодата калия с увеличением содержания в рецептуре, возможно, указывает на то что с увеличением окисляющей способности степень сшивки гидрогелей стала выше, приводя к большей структурированности системы.

Десорбционная активность гидрогелей на ДМСО была приблизительно одинакова во всем промежутке исследованных концентраций. Что, вероятно, говорит о том, что ДМСО является слабоэффективным окислителем для данной реакции. При использованном соотношении 0.5 моль окислителя на 1 моль таннина, все материалы продемонстрировали наименьшую способность к десорбции растворителя.

При рассмотрении окислителей между собой набольшей средней константой обладали материалы на основе периодата калия (5.3) по сравнению с гидрогелями, полученными с помощью перекиси водорода (3.9), перманганата калия (4.1), минимальной - ДМСО (3.6).

Выводы Исследовано воздействие типа и мольного соотношения (в диапазоне 0.5^1 моль/моль) окислителей к таннину на кинетику десорбции гидрогелевых материалов желатина. Показано, что минимальной скоростью десорбции обладали гидрогели, синтезированные при использовании в качестве окислителя таннина перманганата калия в соотношении 0.5 моль/моль, а максимальной - периодата калия в соотношении 0.9 моль/моль.

Il

Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных

Ломоносов - 2021 Секция «Химия»

Влияние условий синтеза на сорбционное поведение таннин-желатиновых

гидрогелей Осетров КО.1

Аспирант, 2 курс 1 Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия E-mail: ко osetrov(ci)jtmo. г и

Гидрогелевые материалы находят широкое применение в различных областях деятельности человека. Для медицинского использования такие материалы должны обладать рядом свойств. В случае раневых покрытий основные характеристики - это биосовместимость, прочность и высокая сорбционная емкость.

Таннин-желатиновые гидрогели обладают достаточной прочностью и совместимостью с тканями человека, однако их сорбционные характеристики невелики [1]. Кроме того, таннины проявляют антисептические и противоспалительные свойства [2], что позволяет подавить микробную активность не желательную при ранениях. В то же время, использованные ранее в процессе синтеза окислительные системы не приводят формированию достаточно гидрофильной структуры из-за большей степени сшивки в результате преобладания образования оснований Шиффа (рис. 1).

В связи с этим предлагается окислительная система на основе перекиси водорода. Цель данной работы: рассмотреть влияние технологических факторов (температура и рН среды) на сорбционное поведение таннин-желатиновых гидрогелей.

©

но-он +

I

I Перекись водорода

> хО

Таннин

f рН

+

я'- Y ""г'

Таннин Пептидная

в окисленной форме СвЯЗЬ

I

R1=

колой

• « _ ШЁШ ШЁЁЛ ШШШШ ^V N.

Ч

ï \ с

Присоединение Михаэля

___/

I V \ I

Образование /водородных связей

Образование - '"основания Шиффау

Рисунок 1 - Схема реакций, согласно [3] В ходе работы было рассмотрено влияние температуры (в интервале 5(Н70 °С) и рН реакционной среды (8^-10) в процессе синтеза на сорбционную емкость гидрогелевых материалов. Показано, что максимальное набухание в буферных растворах: щелочном (рН=9) и кислом (рН=5.8), соответственно 30 и 32 г/г, было достигнуто при (рН=8, t°=50°C); в дистиллированной воде (рН=7) - 39 г/г при (рН=9, t°=60°C). Примечание: автор выражает благодарность за рецензирование доклада своему научному руководителю д.т.н. Успенской М.В.

Литература

1. Репа С., Caba К., Eceiza A., Ruseckaite R., Mondragon I. Enhancing water repellence and mechanical properties of gelatin films by tannin addition // Bioresource technology. 2010, V. 101. doi: 10.1016/j .biortech.2010.03.112

2. Hupkens P., Boxma H., Dokter J. Tannic acid as a topical agent in burns: historical considerations and implications for new developments // Bums. 1995, V. 21, № 1. doi : 10.1016/0305-4179(95)90784-w

3. Zhao X., Ma P., Zhang M., Gou B. Mussel-inspired Injectable Supramolecular and Covalent Bonds Crosslinked Hydrogels with Rapid Self-healing and Recovery via a Facile Approach Under Metal-free Conditions // Journal of Materials Chemistry B. 2016, № 4. doi: 10.1039/C6TB01776B

Подсекция

«Высокомолекулярные соединения»

■ Секция «БИОМЕДИЦИНСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

ко уже со второго пассажа наблюдалось уменьшение количества МСК, при этом к их поверхности адгезировалось большое количество Т-клеток линии Jurkat В местах контакта клеток находились многочисленные, небольшие по площади участки МММ с очень высокой оптической плотностью. Далее, в третьем и четвертом пассажах в культурах присутствовали лишь округлые клетки, тогда как ФК и участки МММ отсутствовали. В присутствии КФП наблюдалось сохранение общих закономерностей поведения смешанной культуры, однако общая и средняя площади участков МММ были значительно больше.

Выводы. Таким образом, показано сильное стимулирующее влияние КФП и Т-клеток линии Jurkat на остеобластическую дифференцировку МСК. Однако при увеличении срока жизни, Т-клетки линии Jurkat оказывают угнетающее действие на жизнеспособность и остеобластическую дифференцировку МСК как в контакте с КФП, так и без него.

Осетров К.О.

СИНТЕЗ ЖЕЛАТИН-ТАННИНОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ,

МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЖЕЛЕЗА

(Научныйруководитель - д.т.н., проф. УспенскаяМ.В.)

Национальный исследовательский университет ИТМО Санкт-Петербург, Российская Федерация

Введение. В последние десятилетия широкое распространение в медицинской практике получили полимерные материалы на основе гидрогелей. Благодаря большому влагосодержанию, биосовместимости и ряду других специальных свойств их применение довольно разнообразно: доставка лекарственных препаратов, регенерация и замена костей и тканей, а также в качестве покровных материалов и раневых повязок. Применяемые в настоящее время в медицине гидрогели не обладают полным соответствием всем предъявляемым к ним требованиям. Ранее автором уже была отработана методика получения желатин-танниновых гидрогелей с использованием различных окислительных систем и продемонстрирована чувствительность гидрогелей на основе желатина и таннина к изменению рН среды. Высокомолекулярные белковые соединения отлично подходят для создания полимерных материалов медицинского назначения, позволяя избежать токсичности прекурсоров и обеспечивая биосовместимость гидрогелей с тканями организма, а таннины показывают безопасность для применения в качестве сшивающих агентов и подавляют рост ряда бактериальных культур.

Хорошо известно, что таннины обладают способностью сорбировать и удерживать ионы металлов би- и поливалентных металлов, поэтому актуальным является получение желатин-танниновой гидрогелевой матрицы, модифицированной ионами железа, для дальнейшего использования при создании раневых повязок, имеющих потенциал применения при значительном объеме повреждения кожи.

Цель. Получение рН-чувствительных желатин-танниновых гидрогелей, модифицированных аскорбатом железа (II), способных к выделению ионов железа при изменении рН среды, и исследование свойств потенциальных раневых покрытий.

Материал и методы. Для исследования функциональных свойств гидрогеле-вых материалов применяли сорбционные методы, физико-механический анализ,

■ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОМЕДИЦИНЫ - 2022

были исследованы влаго/кислородопроницаемость. Изучение кинетики выделения железа из гидрогелей проводилось в средах с различным рН (5.5/6.4/7.4) в течение 48 часов, количественный анализ - с помощью спектроскопии видимой области. Изучение структуры материалов - с помощью ИК-спектроскопии.

Результаты. Синтезированные гидрогели с содержанием 1,8х10-6 моль аскор-бата железа продемонстрировали высокую влаго/кислородопроницаемость и необходимую физико-механическую прочность для использования в качестве раневых повязок. Кинетика выделения железа в буферные растворы из гидрогелевых материалов показала зависимость от рН среды. Сорбционная емкость полимерных композитов в рассмотренных растворах достигала 10^12 г/г. При изучении ИК-спектров гидрогелевых образцов было отмечено частичное связывание ионов железа с полимерной сеткой.

Выводы. В ходе работы была показана возможность синтеза желатин-танниновых гидрогелей, модифицированных ионами железа, изучены сорбцион-ных характеристики полученных полимерных композитов и показана их перспективность для дальнейшей разработки систем с контролируемым выделением микроэлементов.

1 2 3 1

Пивина Е.И. , Пасатецкая Н.А. ' , Мусихин С.Ф.

ПРИМЕНЕНИЕ КОНФОКАЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ КОМЕНОВОЙ КИСЛОТЫ

(Научныйруководитель - д.б.н. Лопатина Е.В.) Санкт-Петербургский политехнический университет им. Петра Великого Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет

им. акад. И.П. Павлова Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова Санкт-Петербург, Российская Федерация

Введение. Коменовая кислота является одной из производных гамма-пирона. Субстанция представляет собой мелкокристаллический порошок от белого до белого с сероватым оттенком цвета. Доказано наличие у субстанции антиноцицептивных, противовоспалительных и метаботропных свойств. Диапазон цветности инъекционной лекарственной формы, изготовленной на основе коменовой кислоты, лежит в диапазоне от желтовато-зеленого до зеленого. Исходя из этого, нами была выдвинута гипотеза о наличии флуоресценции у кристаллов коменовой кислоты.

Цель. Оценить характеристики кристаллов коменовой кислоты с помощью конфокальной микроскопии.

Материал и методы. Исследование проведено на комплексе оборудования на базе лазерного сканирующего конфокального микроскопа LSM 710, с программным обеспечением ZEN_2011 (ЦКП Конфокальная микроскопия Института физиологии им. И.П.Павлова РАН). Для облучения кристаллов использовали DPSS, аргоновый и диодный лазеры с длинами волн 561 нм, 488 нм и 405 нм соответственно.

Результаты. Впервые зарегистрировано, что кристаллы коменовой кислоты имеют форму правильной пирамиды. Обнаружено явление автофлуоресценции при

ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЖЕЛАТИН-ТАННИНОВЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЛАУРИЛСУЛЬФАТОМ НАТРИЯ Осетров К. О., Успенская М.В.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования ««Национальный исследовательский университет ИТМО»

e-mail: [e-mail]

THERMAL ANALYSIS OF THE GELATIN-TANNIN HYDROGELS WITH SODIUM LAURYL SULFATE Osetrov K.O., Uspenskaya M.V.

ITMO University

Биоматериалы находят широкое применение в решении множестве прикладных задач. Один из классов этих материалов - гидрогели. Использование их довольно широко особенно в области медицины. С их помощью создают перевязочные и гигиенические материалы, протезы, биоклеи и многое другое.

Как правило, полимерная основа гидрогелей представляет собой гидрофильную часть, способную к обратимой сорбции большого количества воды. В то же время для предотвращения растворения полимерной матрицы, ее предварительно сшивают с помощью сшивающих агентов. Однако, необходимость обеспечения биосовместимости зачастую приводит к потребности введения дополнительной стадии - очистки для удаления остатков сшивающего агента, негативно влияющих на организм человека.

Таннины - вещества полифенольного ряда, способные к взаимодействию с аминогруппами белков после соответствующего окисления. На данный момент они признаются не только безопасными при воздействии на человеческий организм, но и подавляющие рост ряда бактериальных культур [1].

Как известно, одним из основных параметров полимерной структуры является степень сшивки. Степень сшивки возможно регулировать для достижения необходимого значения в зависимости от требуемых свойств. В связи с непосредственным влиянием на размер сетки изменение этого параметра приводит к обеспечению контроля за выделением лекарственных средств, связанных внутри матрицы.

Ранее была продемонстрирован способ воздействия на размер сетки модификацией гидрофобных участков полимерной цепи с помощью поверхностно-активных веществ [2]. Для обладающего гидрофобными хинноноподобными структурами таннина это приведет к изменению степени сшивки, что найдет отражение в кинетике термодеструкции материалов. По характеру кривых термогравиметрического анализа, полученных при различных скоростях нагрева возможно определить влияние поверхностно-активных веществ на структурные особенности гидрогелевых материалов.

В текущей работе представлен синтез желатин-танниновых гидрогелей модифицированных лаурилсульфатом натрия. Оценка воздействия модификатора на степень сшивки проводилась с помощью положений теории Флори-Ренера и теории высокоэластичности. Рассмотрена кинетика разложения с помощью изоконверсионных методов термического анализа.

Литература:

1. Laddha A.P. and Kulkarni Y.A. (2019) Tannins and vascular complications of Diabetes: An update. Phytomedicine, 56, 229-45.

2. Akay G., Hassan-Raeisi A., Tuncaboylu D.C., Orakdogen N., Abdurrahmanoglu S., Oppermann W. and Okay O. (2013) Self-healing hydrogels formed in catanionic surfactant solutions. Soft Matter, 9, 2254-61.

УДК 544.773.43

Ц СИНТЕЗ ЖЕЛАТИН-ТАННИНОВЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПЕРИОДАТА КАЛИЯ Осетров К.О. \ Ковалева П.А. 1 Научный руководитель - д.т.н., профессор Успенская М.В.1

1Университет ИТМО

e-mail: [e-mail], [e-mail], [e-mail]

В работе представлены результаты получения полимерных гидрогелей на основе желатина и сшивающего агента - таннина, окисленного периодатом калия. Синтезированные материалы были исследованы методом инфракрасной спектроскопии и микроскопии. Изучены сорбционные характеристики полимерных композиционных материалов в физиологическом растворе. Показана возможность образования различной структуры полимерного материала в зависимости от содержания периодата калия.

Ключевые слова: гидрогель, биокомпозиты, желатин, таннин, сорбция.

Гидрогели - гидрофильные полимерные композитные материалы, способные сорбировать и удерживать большое количество влаги, увеличиваясь в объеме за счет связывания молекул воды кулоновскими силами. Благодаря своим свойствам гидрогелевые материалы находят широкое применение в фармакологии, медицине в качестве раневых повязок или покрытий [1].

Одним из широко используемых биополимеров для доставки лекарственных препаратов, а также основы при создании гидрогелевых материалов является желатин - белковый продукт гидролиза коллагена со средней молекулярной массой 65000-300000 г/моль, который при переработке сырья животного происхождения теряет характерную структуру тройной спирали, но сохраняет возможность для ее образования при увеличении температуры за счет конформационных переходов, происходящих вследствие стабилизации водородными связями и гидрофобными взаимодействиями [2].

Однако, применение желатина без дальнейшей модификации ограничивает потенциальные области применения за счет низких физико-механических характеристик полимерных материалов на его основе. Использование различных наполнителей либо сшивающих агентов (кросслинкеров) значительно расширяет практический спектр применения желатиновых материалов. В медицине в качестве кровоостанавливающих, противовоспалительных, а также антимикробных средств широко используют таннинсодержащие препараты. Таннины представляют собой группу фенольных соединений растительного происхождения, содержащих, главным образом, смесь эфиров глюкозы и м-дигалловой и три-галловой кислот. Из-за большого количества сопряженных гидроксильных групп таннины превосходно сорбируют металлы и связывают белки, образуя непроницаемую для молекул воды полимерную пленку [3]. Поэтому, с одной стороны, применение таннина способствует уменьшению воспаления, с другой стороны, сворачивание крови приводит к остановки кровотечения.

Ранее [4] было предложено использовать окисленный периодатом натрия таннин как сшивающий агент для желатина. Один из альтернативных промышленно доступных периодатов является периодат калия. В связи с большим радиусом иона калия в сравнении с ионом натрия, последний будет иметь большую плотность поверхностного заряда и, как следствие, более плотную гидратную оболочку в растворе. Из-за менее плотной гидратной оболочки ионы калия будут легче притягиваться к карбоксилатным анионам белка и нейтрализовывать их, что приведет к сдвигу изоэлектрической точки (для желатина П-11 изоэлектрическая точка равна 5^7) в более кислую область. Таким образом, учитывая, что уже для 2% раствора таннина рН=4^5, а окисление гидроксильных групп происходит только в щелочной среде, вероятно изменится и сам процесс гелеобразования (рис. 1).

И-1Ч

рн=ю я » \ л1 «

Периойят таиНин Таннин

калий о окисленной форме

/? =

6 зде^е/лиос/т*!/ от нсшп честен одослнтеетя: МО ОН

•^кЧл

©

но ом

Ял

•70 „ О ^

Дигалпоил- — ^

^ \ Окисленный I —. галлоил- ^^ |

^ I

Т

!

Л7еятибная| связь |

1

|г +

Присоединение Михаэля

Образование водородных связей

Образование основания Шиффа

Рис. 1. Предполагаемая схема реакций при синтезе таннин-желатиновых гидрогелей

На стадии I гидроксильные группы, входящие в остатки галловой кислоты, присоединенные к молекуле глюкозы, окисляются периодат ионами до альдегидных групп, способных взаимодействовать с пептидной связью на стадии II, в зависимости от условий процесса гелеобразования с преобладанием образования различных структур (рис. 1, II, А, Б, В).

Поэтому достаточно важно было исследовать влияние доли периодата калия, на структуру и свойства конечного продукта - гидрогеля на основе системы таннин - желатин. В ходе работы решались следующие задачи: синтез гидрогелевых материалов при различной концентрации окислителя (исследованные рецептуры представлены в таблице) и изучение сорбционных характеристик полученных полимерных материалов в физиологическом растворе.

Методика синтеза: к 15% (масс.) раствору желатина в дистиллированной воде, добавляли 2 % (масс.) раствор таннина, доводили рН до 10 с помощью 1 М водного раствора NaOH. После этого приливали водный раствор периодата калия, интенсивно перемешивали и оставляли при 250С до образования конечного продукта.

Контрольный образец без периодата калия оставался в золь-форме, подтверждая, что таннин в неокисленном состоянии в щелочной среде препятствует гелеобразованию желатина [5].

Методы исследования: морфологию поверхности полученных полимерных систем изучали с помощью микроскопа МБС-9 и ИК-спектроскопией с помощью спектрометра iS-50 с приставкой НПВО с кристаллом из алмаза.

После синтеза образцы высушивали при 250С до постоянной массы. В таблице представлены результаты времени гелеобразования, а также значения равновесной степени набухания в физиологическом растворе.

Таблица. Состав изученных гидрогелей

№ образца Мольное соотношение желатин: таннин : периодат калия Время гелеобразования, ч Равновесная степень набухания, г/г

1 1:1:1 >5 8

2 1:1:1.5 <0,01 10

3 1:1:2 25

4 1:1:2.5 <0,01 10

5 1:1:3 к2 8

Возможно предположить, что с увеличением доли периодата калия в системе растет окисленность таннина, и как следствие функциональность. При соотношении периодат калия: таннин равном 2:1 достигается окисление наиболее доступных гидроксильных групп таннина. Однако, вследствие стерических препятствий из-за близкого расположения альдегидных групп и объемной жесткой структуры дигаллового остатка, начинает наблюдаться преобладание образования водородных связей, наименее устойчивых в растворе.

Обрывц Л®

Рис. 2. ИК спектры полученных гидрогелей

На рис. 2 представлены ИК-спектры полученных полимерных гидрогелей. Как видно из рис. 2, происходит сдвиг полос поглощения в области 1500 и 1650 см-1 в более длинноволновую область, что некоторыми исследователями [5, 6] относится со связыванием окисленного таннина и белков.

Поверхность полученных полимерных образцов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Фото поверхности таннин - желатиновых гидрогелей

Как видно из рисунка 3, для полученных образцов характерны крупные пористые надмолекулярные образования, связанные друг с другом в одну непрерывную сеть, перемежающиеся участками гидратированной поверхности. Видны вытянутые поры размером менее 10цм, 10^30 цм х 60^90 цм, равномерно распределенные по поверхности. Багрово-фиолетовая (рис. 3.5.2) окраска среза образца (отличная от типовой для других рассмотренных рецептур оранжево-красной), а также выделившиеся на поверхности кристаллы (рис. 3.5.1) говорят об избытке периодата калия, и возможно максимальном окислении таннина в рассмотренных условиях.

В представленной работе были получены гидрогели на основе таннина и желатина с использованием окислителя - периодата калия. Исследовано влияние содержания периодата калия на морфологию поверхности, получены ИК-спектры композиций и изучены сорбционные характеристики гидрогелей. Полученные гидрогелевые материалы могут быть использованы как основа при дальнейшей разработке материалов для изготовления раневых покрытий.

Литература

1. Cascone S., Lamberti G. Hydrogel-based commercial products for biomedical applications: a review // International journal of pharmaceutics. 2019. V. 573. P. 118803.

2. Pena C., Caba K., Eceiza A., Ruseckaite R., Mondragon I. Enhancing water repellence and mechanical properties of gelatin films by tannin addition // Bioresource technology. 2010. V. 101. pp. 6836-6842.

3. Ninan N., Forget A., Prasad S., Voelcker N., Blencowe A. Anti-bacterial and anti-inflammatory pH-responsive tannic acid carboxylated agarose composite hydrogels for wound healing // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. V. 8. pp. 28243-29196.

4. Ge S., Ji N., Cui S., Xie W., Li M., Li Y., Xiong L., Sun Q. Coordination of Covalent Cross-Linked Gelatin Hydrogels via Oxidized Tannic Acid and Ferric Ions with Strong Mechanical Properties // Journal of agricultural and food chemistry. 2019. V. 67. pp. 11489-11497.

5. Aewsiri T., Benjakul S., Visessanguan W., Wierenga P., Gruppen H. Antioxidative activity and emulsifying properties of cuttlefish skin gelatin-tannic acid complex as influenced by types of interaction // Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2010. V. 11. pp. 712-720.

6. Chou S., Luo L., Lai J., Ma D. On the importance of Bloom number of gelatin to the development of biodegradable in situ gelling copolymers for intracameral drug delivery // International Journal of Pharmaceutics. 2016. V. 511. pp. 30-43.

Биотехнология

43

STUDY ON THE INFLUENCE OF SODIUM LAURYL SULFATE ON GELATIN-TANNIN HYDROGELS

K. O. Osetrov, M. V. Uspenskaya ITMO University, St. Petersburg

E-mail: [e-mail]

Abstract

The synthesis of gelatin-tannin hydrogels modified by sodium lauryl sulfate is presented. The modifier concentration effect is demonstrated by methods of thermal analysis and IR-spectroscopy. Kinetic study shows change in swelling behavior of hydrogels followed by lauryl sulfate addition.

Hydrogel materials have found a pretty wide application in many areas [1]. These materials need to provide different properties regarding to their function. It must be biocompatibility, antimicrobial resistance and high hydrophility to act as biomaterial.

The main background for obtaining such materials is appropriate selection of polymer and type of the crosslinking. The formation of polymer network by the reaction of gelatin and tannin is quite challenging. However, that could bring a lot of benefits. In that way, gelatin provide structure similar to extracellular matrix, tannin act as antiseptic agent. The crosslinking reaction of that precursors was studied previously [2].

Hydrogels need to contain medicaments to find usage for medical purposes. Incorporating drug into highly crosslinked structure may find some limitations. One of the main properties of polymer network is crosslinking density and, related to it, mesh size. That parameters restrict maximum size of drug molecule.

The synthesized materials of gelatin and tannin demonstrated relatively low mesh size of the network. The existing technology needs to be optimized to expand possible application of that materials.

Inclusion of surfactant have major potential for that goal. Usage in low concentrations allows to increase mesh size and alter release rate of remedy [3]. Anionic surfactants, like sodium lauryl sulfate, modifies the structure by attaching to hydrophobic parts and changing distribution of charges density.

In current study, authors display possibility of obtaining gelatin and tannin hydrogels, modified by sodium lauryl sulfate. The surfactant effect is determined regarding to sorption, thermal properties and structure. Considered concentrations (0.6/1.2/1.8 • 10-3 w/w %) let to control network characteristics.

References

1. Fan H., Gong J. P. Fabrication of Bioinspired Hydrogels: Challenges and Opportunities // Macromolecules. 2020. Vol. 8. P. 2769-2782.

2. Осетров К. О., Успенская М. В., Стрельникова И. Е. Получение и исследование сорбционных характеристик таннин-желатиновых гидрогелевых материалов // Химическая промышленность сегодня. 2020. Т. 6. С. 58-61.

3. Pereira T. A., Ramos D. N., Lopez R. F. V. Hydrogel increases localized transport regions and skin permeability during low frequency ultrasound treatment // Scientific Reports. 2017. Vol. 9. P. 1-10.

© K. O. Osetrov, M. V. Uspenskaya, 2021

P-30

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕКРЕСТНО-СШИТЫХ ТАННИН-ЖЕЛАТИНОВЫХ

ГИДРОГЕЛЕЙ

Осетров К О.1, Успенская М.В.1 1 Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 E-mail: [e-mail]

Используемые в настоящее время биоматериалы на основе природных полимеров обладают рядом недостатков. К наиболее значимым из них можно отнести - низкие прочностные характеристики, фрагментацию материала и невысокую воспроизводимость значений из-за широкого молекулярно-массового распределения [1].

Таннин-желатиновые гидрогели являются перспективными материалами для решения прикладных задач в области медицинских приложений, поскольку сочетают биосовместимость, нетоксичность, антисептичность и др. [2]. Вместе с тем, образующаяся в ходе получения сшитая структура полимерного материала нерегулярна и обладает высокой неравномерностью распределения свойств в объеме.

Применение смешанного (по ковалентному и ионному) механизма сшивания (рис. 1 [3]) полимерных цепей биополимеров позволяет получить более упорядоченную сетку и добиться воспроизводимости характеристик. В ходе работы предложена методика формирования сетки гидрогелей при взаимодействия окисленного таннина с желатином, которые в дальнейшем структурируются ионами Fe3+. Были исследованы морфология, термические и сорбционные характеристики полученных таннин-желатиновых композиций. Показано влияние мольного соотношения Ре3+-таннин на структуру гидрогелевых материалов.

где © - ковалентная сшивка, - остаток молекулы таннина, Р2 - остаток молекулы желатина

Рисунок 1. Схема образования перекрестно-сшитого гидрогеля.

Ссылки

[1] N. Saha, A. Saarai, N. Roy, T. Kitano, P. Saha Polymeric Biomaterial Based Hydrogels for Biomedical Applications // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. - 2011. № 2. - С. 85-90.

[2] W. Zhang и др. Catechol-functionalized hydrogels: biomimetic design, adhesion mechanism, and biomedical applications // Chemical Society Reviews. - 2020. № 49. - С. 433-464.

[3] D. Oh, K. Sansik, L. Dohoon , S. Dong Tunicate-mimetic nanofibrous hydrogel adhesive with improved wet adhesion // Acta Biomaterialia. - 2015. № 20. - С. 104-112.

3. Ragnar M., Torngren A. Ways to reduce the amount of organically bound chlorine in bleached pulp and the AOX discharges from ECF bleaching // Nordic Pulp and Paper Research Journal. - 2002. V.17. N.3. P. 234-239.

4. Patent 20030056295А1. US, PCT/SE01/01262. Reduction of organically bound chlorine formed in chlorine dioxide bleaching: US 2003/0056295 A1: 27.03.2003.

5. Colodette J.L., Mounteer A., Gomes C.M., Rabelo M.S., Eiras K.M. Eucalyptus kraft pulp bleaching: State-of-the-art and new developments :Материалыконференции 2005 TAPPI Engineering, Pulping, Environmental Conference - Conference Proceedings, 2006.

УДК 544.773.43

ПОЛУЧЕНИЕ ТАННИН-ЖЕЛАТИНОВЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ

КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ РАНЕВЫХ

ПОВЯЗОК

Осетров К О., Ковалева П.А., Успенская М.В.

Университет ИТМО e-mail:kesilo1592@gmail. com

THE USE OF COMPLEX OXIDIZING SYSTEM FOR PRODUCING TANNIN-GELATIN HYDROGEL COMPOSITION

Osetrov K.O., Kovaleva P.A., Uspenskaya M.V.

ITMO University

Гидрогели, благодаря своей вязко-эластичной структуре, биосовместимости, упругости и ряду других уникальных свойств являются идеальными материалами для применения в качестве раневых покрытий и замещения человеческих тканей. Основу таких полимерных материалов обычно составляет синтетический или природный полимер, способный к сорбции-десорбции жидкости.

Желатин широко используется в медицине, поскольку он способен образовывать термообратимые гели, с одной стороны, но обладающий низкими физико-механическими характеристиками, с другой, для усиления которых необходимо применять дополнительно к физической сшивке-химическую. Большая часть используемых в настоящее время кросслинкеров токсична, что приводит к необходимости отмывки от остатковреагента и дополнительного контроля состава конечного продукта. Эфиры галловой кислоты, из которых по большей части состоит таннин (ТА), обладают

большим количеством гидроксильных групп, которые возможно окислить в альдегидные группы, способные взаимодействовать с амидными группами желатина [1], что с учетом противоспалительного и анальгетического действия танина превращают его в перспективныйбезопасныйкросслинкер для веществ белковой природы.

Для окисления гидроксильных групп ТА ранее применялись периодат натрия [1,2] и перекись водорода [3]. В то же время известна предложенная для контроля чистоты воды смешанная окислительная система (ОкС) из периодата калия и пероксида водорода [4], способная к быстрой генерации реакционноспособных радикалов (0270Н,Ю3\Ю4^).

Таким образом цель настоящей работы - получение таннин-желатиновых композиций с использованием различных окислительных систем и сравнении их структуры с помощью метода ИК-спектроскопии.

Состав исследованных рецептур отображен в табл. 1.

Таблица 1

Состав изученных гидрогелей_

№ рецептуры Желатин, мг Таннин, мг Периодат калия, мг Перекись водорода (3 % р-р), мл ОкС :Таннин (моль/моль)

1 150 20 - 0,15 1:01

2 150 20 - 0,33 2:01

3 150 20 2,5 0,075 1:01

4 150 20 5 0,165 2:01

5 150 20 5 - 1:01

6 150 20 7,5 - 2:01

Методика синтеза: готовили 15%(масс.) раствор желатина в дистиллированной водой. К нему приливали 2 % (масс.) раствор таннинаи 10М №0Н добавляли по каплям до рН=10 при интенсивном перемешивании. После чегов раствор добавляли смесь периодата калия и перекиси водорода,

заданных концентраций. Гелеобразование протекало при комнатной температуре в течение 4 часов.

Методика исследования: после синтеза гидрогелевые образцы высушивали до постоянной массы. ИК-спектры были полученына приборе Мсо1е^50 FTIR (ThemoScientific).

ИК-спектры полученных полимерных таннин-желатиновых композиций показали, что интенсивность пиков, обусловленных наличием водородных связей ЫЫИ групп (3273см-1) и деформационных колебаний связей Ы-Ибелков (1539 см-1), ассоциируемых с образованием оснований Шиффа [1], максимальна при использовании избытка смешанной ОкС. Для гидрогелевых образцов, синтезированных с большей концентрацией периодата калия, наблюдалось увеличение интенсивности пиков в областях 1656см-1(С-О) и 1317 и 1394 см-1(С-Ы), обусловленных прохождением реакции Михаэлиса [2]. Увеличение количества перекиси водорода в изучаемой системе (рецептуры №1 и 2) не привело к существенному изменению структуры образующихся полимерных гидрогелей.

□ .10

<

0.00

о.ю

0.00

о.ю

<

0.00

о.ю

<

0.00

3600 зюо згоо зооо 2300 волновое число см 11800 1600 1400 1200 1000

Рис. 1 - ИК-спектры полученных композиций

В ходе работы были получены и изучены ИК-спектры таннин-

желатиновых гидрогелей. Было показано, что оптимальная окислительная способность, приводящая к наибольшей степени сшивке гидрогелей, была достигнута применением избытка смешанной окислительной системы относительно таннина.

Библиографический список

1. Zhao Q., Mu S., Long Y., Zhou J., Chen W., Astruc D., Gaidau C. Gu H. Tannin-Tethered Gelatin Hydrogels with Considerable Self-Healing and Adhesive Performances// Macromolecular materials and engineering. - 2019. - V. 304. - № 4. - P. 1800664.

2. Ge S., Ji N., Cui S., Xie W., Li M., Li Y., Xiong L., Sun Q. Coordination of Covalent Cross-Linked Gelatin Hydrogels via Oxidized Tannic Acid and Ferric Ions with Strong Mechanical Properties // Journal of agricultural and food chemistry. - 2019. - V. 67. - P. 1148911497.

3. Santos T.M., Souza Filho M.M., Muniz C.R. and other. Zein films with unoxidized or oxidized tannic acid// Journal of the science of food and agriculture. -2017. - V. 97. -№ 13. - P. 4580-4587.

4. Chadi N., Merouani S., Hamdaoui O., Bouhelassa M., Ashokkumar M. H2O2/Periodate (IO4-): A novel advanced oxidation technology for the degradation of refractory organic pollutants // Environmental Science: Water Research & Technology. - 2019. - V. 5. - P. 1113-1123.

УДК 630.813.2

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ

Петрова Е.А., Демьянцева Е.Ю.

Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна

Высшая школа технологии и энергетики e-mail: [e-mail]

PHYSICAL CHEMICAL PROPERTIES OF WATER-SOLUBLE SUBSTANCES OF SOFTWOOD

Petrova E.A., DemiantsevaE.Yu.

Saint-Petersburg state university of industrial technologies and design Higher School of technology and

power engineering

Комплексное использование лесных ресурсов предполагает применение всей биомассы дерева, переработку древесных отходов, которые образовались в процессе заготовки древесины и переработки ее. На данный момент все больше внимания стало привлекаться к изучению и путям использования всей биомассы дерева, в том числе и хвои. Хотя основную массу хвои составляют