Синтез и свойства биосовместимых криогелей на основе интерполиэлектролитного комплекса хитозан-геллан

Вискозиметрически о пределены молекулярные массы природных полимеров хитозана и геллана. Методом потенциометрического титрования установлена степень деацетилирования хитозана. Степень деацетилирования хитозана показала поликатионный характер хитозана и подтвердила его комплексообразующие свойства. В условиях криотропоного гелеобразования посредством проведения интерполиэлектролитной реакции между поликатионным хитозаном и полианионным гелланом осуществлен синтез криогеля Хитозан-Геллан. Исследованы свойства синтезированного криогеля (кинетика набухания гидрогелей в воде, пропускание жидкостей через объем криогеля). Степень набухания криогеля составила 5 г/г, максимальная скорость протекания жидкости через объем криогеля проявляется при рН 3.

Ключевые слова : биополимер, хитозан, геллан, интерполиэлектролитный комплекс, криогель.

Введение. Изучение криогелей на основе продуктов ассоциации комплементарных структур — интерполиэлектролитных комплексов (ИПЭК) с участием природных макромолекул представляет интерес, так как совокупность уникальных свойств делают их перспективными материалами, находящими применение в различных направлениях науки, промышленности и технологии.

Интерес к данному классу полимерных композитов вызван очевидным биологическим, экологическим и практическим преимуществом по сравнению с индивидуальными компонентами — высокой физиологической активностью при низкой токсичности, биосовместимостью, высокой проницаемостью, способностью набухать в воде и биологических средах, что позволяет использовать криогели в качестве материалов широкого спектра действия [1].

Перспективными биополимерами для получения криогелей на основе ИПЭК являются хитозан (Хит) и геллан (Гел).

Как известно, в структуре молекулы хитозана содержатся свободные первичные аминогруппы, благодаря которым хитозан проявляет поликатионные, комплексообразующие, сорбционные и другие свойства [2].

Геллан, представляющий собой линейный анионный гетерополисахарид, обладает способностью к геле-, волокно- и пленкообразованию, ионному обмену и комплексообразованию [3].

В данной работе рассматривается получение и изучение свойств биоактивных криогелей на основе ИПЭК хитозана с гелланом.

Материалы и методы исследования

В работе использовали:

1. хитозан марки Sigma — Aldrich (USA) без дополнительной очистки.

2. Геллан производства Zhejiang DSM Zhongken Biotechnology Co., Ltd. (China) без дополнительной очистки

Определение молекулярной массы Хит. Молекулярную массу полимеров устанавливали вискозиметрическим методом в соответствии с [4]:

Вязкость растворов полимеров определяли с помощью вискозиметра Убеллоде с диаметром капилляра 0,2 мм при температуре 25 С.

Раствор хитозана готовили в ацетатно-буферном растворе, раствор геллана — в 0,1 м KCl.

В колено вискозиметра заливали 5 мл растворителя, термостатировали в течение 5 минут и измеряли его время истечения через капилляр вискозиметра (  ₀ ). После сливали растворитель, тщательно промывали вискозиметр, заливали в колено вискозиметра 5 мл раствора полимера, термостатировали и измеряли время истечения раствора полимера (  ). Затем производили разбавление раствора полимера, последовательно добавляя 1, 2, 3 и 5 мл растворителя. При каждом разбавлении измеряли время протекания раствора полимера.

На основании полученных данных рассчитывали относительную, удельную, приведенную и логарифмическую приведенную вязкость и строили график зависимости и от концентрации раствора полимера (таблица 1).

Значения вязкости растворов полимеров

Экстраполяцией логарифмической приведенной вязкости к нулевой концентрации полимера находили характеристическую вязкость.

Молекулярную массу полимеров определяли с помощью уравнения Марка-Куна-Хаувинка [5].

(1)

где – характеристическая вязкость, К и  эмпирические константы.

Определение степени деацетилирования Хит проводили методом потенциометрического титрования согласно методике, описанной в работе [6].

Для этого навеску Хит растворяли 0,1 М растворе соляной кислоты, после полного растворения к раствору приливали бидистиллированной воды и перемешивали на магнитной мешалке. 10 мл полученного раствора растворяли в 10 мл бидистиллированной воды и оттитровывали раствором NaOH с концентрацией 0,1 М на рН-метре-кондуктометре Seven Multi (Mettler-Toledo, Switzerland). Строили график зависимости ∆рН раствора Хит от объема NaOH.

Степень деацетилирования Хит (DD) определяли по следующей формуле (2):

где m — масса Хит, V ₁ , V ₂ — объемы 0,1 M раствора гидроксида натрия отвечающие точкам эквивалентности, 0,3 — коэффициент пересчета на молекулярную массу звена хитина, 0,0042 — коэффициент пересчета разности молекулярных масс звеньева хитозана и хитина.

Синтез криогелей на основе ИПЭК Хит — Гел

Синтез криоглей проводили методом смешения растворов биополимеров с с последующей заморозкой ИПЭК [7]. Для чего 2 % раствор лимоннокислого хитозана смешивали с 1 % водным раствором геллана и оставляли на сутки. Полученный раствор переносили в пластиковые колбы и замороживали при температуре минус -12 °С. Сформировавшийся криогель высушивали с помощью лиофильной сушки. Полученные образцы разрезали на доли и использовали для дальнейших исследований.

Определение степени набухания криогеля проводили гравиметрическим методом [7]. Образец криогеля, взвешенный на анлитических весах, погружали в стакан с водой при комнатной температуре. Через 5 минут извлекали образец, промакивали фильтровальной бумагой и взвешивали его массу. Повторяли эту операцию 10, 20, 30, 60, 120, 180 мин, 1, 2, 3 сутки.

Степень набухания криогеля определяли по формуле (3):

где m _t — масса геля после набухания, мг; m ₀ — первоначальная масса геля, мг.

Определение скорости протекания жидкости через криогель . В нижнюю часть стеклянной трубки помещали набухший криогель, сверху с создавали столб жидкости высотой 30 см, при этом скорость протекания жидкости регулировали таким образом, чтобы жидкость устойчиво находилась на отметке 30 см. Вытекающую жидкость собирали в пустой стакан приемник. Время истечения жидкости замеряли в течении 1 минуты. Спустя 1 минуту стакан убирали и измеряли объем вытекшей жидкости с помощью мерного цилиндра.

Методом вискозиметрии была определена молекулярная масса хитозана и геллана. На рисунке 1 представлена зависимость приведенной вязкости хитозана в ацетатно-буферном растворе от концентрации хитозана.

Рис. 1. Зависимость приведенной вязкости раствора хитозана в ацетатно-буферном растворе от концентрации

Как видно из рисунка, значение логарифмической характеристической вязкости Хит составило10 дл/г.

Молекулярная масса, рассчитанная по уравнению Марка-Куна-Хаувинка:

г/моль

Таким образом, молекулярная масса Хит составила 16 301 г/моль или 16,3 кДа.

На рисунке 2 представлена зависимость приведенной вязкости раствора геллана в 0,1М КCl от концентрации геллана

Рис. 2. Зависимость приведенной вязкости раствора геллан в 0,1М КCl от концентрации геллана

Логарифмическая характеристическая вязкость раствора Гел, в соответствии с рисунком 2, составила 4,56 дл/г. Рассчитанное по уравнению Марка-Куна-Хаувинка значение молекулярной массы Гел составило:

г/моль

Методом потенциометрического титрования была определена степень деацетилирования хитозана, показывающая мольное содержание аминогрупп в полимере. Степень деацетилирования может меняться от 70 до 90 %. Результаты потенциометрического титрования солянокислого раствора Хит раствором NaOH представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость рН солянокислого раствора Хит от объема NaOH

Как видно из рисунка, на кривой потенциометрического титрования наблюдается два максимума: первый максимум соответствует количеству NaOH, израсходованного на титрование свободной соляной кислоты, второй — количеству NaOH, необходимого для взаимодействия с ионизованными первичными аминогруппами хитозана. Полученные данные позволили рассчитать значение степени деацетилирования хитозана по уравнению:

Таким образом, степень деацетилирования хитозана составляет 83,9 %. Хитозан со степенью деацетилирования > 50 % становится растворимым в кислых водных растворах и ведет себя как катионный полиэлектролит.

Наличие большого числа аминогрупп, а следовательно и высокого положительного заряда обуславливает высокую комплексообразующую способность хитозана по отношению к полианионным полимерам, в частности к геллану. Ранее, в работе [8] показано взаимодействие хитозана с гелланом с образованием интерполиэлектролитного комплекса состава [Хит]: [Гел]=1:1.

Путем проведения интерполиэлектролитной реакции между поликатионным хитозаном и полианионным гелланом умеренном замораживании (-12 С) получен криогель Хит-Гел.

На рисунке 4 представлены образцы синтезированных криогелей.

Рис. 4. Образцы криогеля на основе ИПЭК Хит — Гел

Образование гелевой структуры возможно за счет образования ионных мостиков между ионизированными аминогруппами хитозана и карбоксильной группой геллана.

Определены физико-химические свойства синтезированных криогелей — кинетика набухания и пропускание через криогель жидкостей с различным значением рН.

Рис. 5. Кинетика набухания криогеля Хит — Гел в воде

Измерение массы образца набухшего криогеля через определенные промежутки времени показало увеличение массы криогеля, что свидетельствует о сорбции криогелем воды (рисунок 5). Согласно полученным данным, криогель на основе ИПЭК Хит-Гел в среднем поглощает до 5 г воды.

Важнейшей характеристикой криогелей является их проницаемость для различных жидкостей. С этой целью была определена скорость протекания жидкостей с различным значением рН через криогель на основе ИПЭК Хит-Гел (рисунок 6).

Высота столба жидкостей составляла 30 см, значение рН варьировалось от 3 до 8.

Рис. 6

Как видно из рисунка, максимальная скорость протекания жидкости через объем криогеля наблюдается при рН 3. При повышении рН скорость протекания раствора снижается, что может быть связано с набуханием криогеля и сужением его пор. Такое поведение криогеля позволяет использовать его в качестве сорбентов, катализаторов проточного типа, хроматографических материалов [9].

Таким образом, на основании экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. Определены физико-химические характеристики природных полимеров — молекулярная массахитозана и геллана, степень деацетилирования хитозана. Молекулярные массы составляют: 16 301 г/моль для хитозана и 1 150 г/моль для геллана. Степень деацетилирования хитозана составляет 83,9 %, что показывает его поликатионный характер и высокую комплексообразующую способность.

2. Методом криотропного гелеобразования при отрицательной температуре получен криогель на основе интерполиэлектролитного комплекса биоактивных полимеров хитозана с гелланом.

3. Изучены свойства криогеля — кинетика набухания и пропускание жидкостей через объем криогеля. Полученные результаты показывают высокие сорбционные свойства и хорошую проницаемость криогеля.

Полученные данные представляют интерес и имеют большую теоретическую и практическую значимость. Синтезированные криогели могут найти применение в различных областях химической науки, биотехнологии, медицины и др. отраслях промышленности.

Литература:

1. Lozinsky V. I. A Brief History of Polymeric Cryogels / V. I. Lozinsky // Advanced polymer science. — 2014. — V. 263. — P.1–48.
2. Chitosan Market Size, Share & Trends Analysis Report by Application (Pharmaceutical & Biomedical, Water Treatment, Cosmetics, Food & Beverage), By Region (APAC, North America, Europe, MEA), and Segment Forecasts, 2020–2027); Report ID: 978–1-68038–798–8; Grand View Research: San Francisco, CA, USA, 2020; Available online: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/global-chitosan-market (accessed on 31 August 2020).
3. Ishwar B., Shrikant S., Parag S., Rekha S. Gellan Gum: fermentative production, downstream processing and applications // Food Technol. Biotechnol. — 2007. — V. 45. — P.341–354.
4. Тагер А. А. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1978 544 с.
5. Торопцева А. М., Белогородская К. В., Бондаренко В. М. Лабораторный практикум по химии и технологии высокомолекулярных соединений. Л.: Химия, 1972 416 с.
6. Погодина, Н. В. Конформационные характеристики молекул хитозана по данным диффузионно-седиментационного анализа и вискозиметтрии / Н. В. Погодина, Г. М. Павлов, С. В. Бушин, А. Б. Мельников, Е. Б. Лысенко, Л. А. Нудьга, В. Н. Маршева, Г. Н. Марченко, В. Н. Цветков // Высокомолек. соед. А. — 1986. — Т. 28 А. — № 2. — С. 232–239
7. Klivenko A. N. Synthesis and phisico-chemical properties of macroporous cryogels / A. N. Klivenko, G. S. Tatykhanova, G. A. Mun, S. E. Kudaibergenov // International Journal of Biology and Chemistry. — 2015. — V. 8 (1). — P. 52–60.
8. Plieva F. M., Karlsson M., Aguilar M.-R., Gomez D., Mikhalovsky S., Galaev I. Y. Pore structure in supermacroporous polyacrylamide based cryogels. // Soft Matter, 2005, V. 1 № 4. P. 303–309.
9. Адильханова, М. У. Влияние внесения интерполимерного комплекса в темно-каштановую супесчаную почву на морфометрические показатели пестрой фасоли / М. У. Адильханова, Ж. С. Касымова, А. Н. Кливенко.
10. В. И. Лозинский, Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения, Успехи химии, 2002, т. 71, с. 559