Ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом

Настоящее изобретение относится к нановолокнистым биополимерным материалам с бактерицидным действием, применяющимся для создания терапевтических систем антибактериального действия.

Получение полимерных модификаций биологически активных соединений является активно развивающейся отраслью химической технологии и направлено на синтез полимерных материалов со значимыми биомедицинскими свойствами. Комплексы металлов с порфиринами, являются гомогенными катализаторами автоокисления ряда биогенных веществ. В этом процессе происходит промежуточное образование активных форм кислорода - супероксидного анион-радикала, пероксидного и гидроксильного радикалов, пероксида водорода, цитостатическая активность которых хорошо известна. Эти радикальные и ион-радикальные частицы вызывают окислительные деструктивные реакции в клетках, обуславливая бактерицидный эффект [1, 2].

Наиболее перспективными носителями для функциональных низкомолекулярных веществ (частиц) являются полимерные волокна наноразмерного диапазона. Одним из передовых методов получения таких волокон является электростатическое формование или элетроформование полимерного раствора (ЭФ). К основным преимуществам ЭФ относятся сравнительно низкая стоимость аппаратуры и простота инструментального оснащения, вариабельность условий получения волокон, а также многообразие различных типов волокон и изделий на их основе [3]. Использование ряда природных полимеров, например, поли-(3-гидроксибутирата) или полимолочной кислоты, создает дополнительные преимущества при разработке волоконных и матричных систем для экологических задач и в биомедицине. Они биосовместимы и одновременно проявляют свойства контролируемой биодеструкции без образования токсичных продуктов. [4, 5].

Известен способ создания антибактериальных волокнистых и пленочных полимерных материалов на основе диоксида титана. Антибактериальное свойство таких материалов основано на способности наночастиц диоксида титана генерировать на свету электроны, дырки, образовывать радикалы и частицы с высокой реакционной способностью, что приводит к гибели отрицательной микрофлоры [6, 7].

Недостатками данного изобретения являются: склонность наночастиц диоксида титана к агрегации и, соответственно, их плохое диспергирование в формовочном полимерном растворе, что приводит к снижению физико-механических характеристик и бактерицидной активности готового ультратонкого и нановолокна; ускоренное окисление биополимерного волокна, а также способность наночастиц диоксида титана накапливаться в тканях и органах животных и человека, вызывая тем самым токсикологические последствия по сравнению с настоящим изобретением.

Известен способ создания антибактериальных волокнистых и пленочных полимерных материалов на основе наночастиц серебра и бикомпонентных частиц меди и серебра в виде коллоидных растворов и золей. Антибактериальное свойство таких материалов основано на способности наночастиц серебра и меди и их соединений к окислению органических веществ в результате протекания окислительно-восстановительных реакций [8, 9].

Недостатками данного изобретения являются: способность наночастиц к агломерации в формовочном полимерном растворе, приводящая к ухудшению диспергирования частиц и падению физико-механических характеристик волокон; относительно низкая стабильность наночастиц серебра, меди и других металлов на воздухе; способность наночастиц металлов накапливаться в органах и тканях человека и животных.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому материалу является нетканый материал на основе волокон поли-(3-гидроксибутирата) (ПГБ) и комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином (FeClTФП), структурная формула которого представлена ниже:

Полученный волокнистый материал на основе ультратонких и нановолокон полигидроксибутирата и комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином представляет собой композит, состоящий из координационных комплексов металлопорфирина и полимерных макромолекул. Данный материал обладает высокими бактерицидными свойствами, физико-механическими характеристиками и не накапливается в тканях и внутренних органах по сравнению с волокнистыми материалами на основе полигидроксибутирата, содержащими наночастицы диоксида титана, серебра, меди и их соединений [10]. Высокие физико-механические свойства и бактерицидный эффект достигаются за счет взаимодействия на молекулярном уровне металлопорфирина и полимера при приготовлении формовочного раствора. Комплекс железа(III) с тетрафенилпорфирином хорошо растворим в хлороформе, составляющим основу формовочного раствора. Благодаря диспергированию молекул комплекса в полимерной матрице волокна, достигается бактерицидный эффект по объему и поверхности всего нетканого материала. При этом не исключается образование агломератов комплекса, что не снижает физико-механические характеристики волокнистых материалов.

Недостатком данного изобретения по сравнению с настоящим изобретением является недостаточно высокий уровень бактерицидной активности. Поскольку комплекс железа(III) с тетрафенилпорфирином способен образовывать μ-оксодимеры, каталитическая активность которых в реакциях превращений кислорода существенно ниже [11]. Проявлению этого эффекта способствует локальное концентрирование металлокомплекса, что, как правило, наблюдается в гибридных системах, таких как полимер-порфирин. При этом антибактериальная активность металлокомплекса снижается.

Для увеличения антибактериальной активности биополимерных нетканых волокнистых материалов предлагается использовать комплекс марганца(III) с тетрафенилпорфирином (структурная формула представлена ниже)

для получения волокнистого материала бактерицидного действия. Известно, что марганцевые комплексы порфиринов являются эффективными катализаторами активных форм кислорода, обеспечивающих биоцидные свойства [12-15].

Техническим результатом изобретения является создание нановолокнистого биополимерного материала с бактерицидным эффектом на основе полигидроксибутирата, полилактида или их смесей с комплексом марганца(III) с тетрафенилпорфирином, полученного методом электростатического формования.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в полимерный формовочный раствор на основе полигидроксибутирата, полилактида или их смесей вводят 1-5% масс. комплекса марганца(III) с тетрафенилпорфирином (относительно полимера).

Способ получения заявляемого нановолокнистого биополимерного материала с бактерицидным эффектом включает стадию смешения биополимера в хлороформе при температуре 50-60°С с использованием магнитной мешалки, ультразвуковой ванны и СВЧ-печи. Смешение полимерного раствора с раствором комплекса марганца(III) с тетрафенилпорфирином требуемой концентрации в хлороформе с использованием магнитной мешалки, ультразвуковой ванны и СВЧ-печи. Готовый формовочный раствор помещают в установку для электростатического формования, в которой происходит образование ультратонких и наноразмерных волокон.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением нановолокнистого биополимерного материала с бактерицидньш эффектом, выражается в увеличении антибактериальной активности материала по отношению ко многим штаммам болезнетворных микроорганизмов.

Примеры выполнения изобретения.

Пример 1

Изготавливают нановолокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе формовочного раствора в хлороформе, содержащего 7% полигидроксибутирата и 1% наноразмерного диоксида титана (размер частиц 5-20 нм). (Аналог изобретения).

Пример 2

Изготавливают нановолокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе формовочного раствора в хлороформе, содержащего 3,5% полигидроксибутирата, 3,5% полилактида и 1% наноразмерных частиц серебра (размер частиц 3-7 нм). (Аналог изобретения).

Пример 3

Изготавливают нановолокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе формовочного раствора в хлороформе, содержащего 7% полилактида и 1% наноразмерных бикомпонентных частиц меди и серебра (размер частиц 10-15 нм). (Аналог изобретения).

Пример 4

Изготавливают нановолокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе формовочного раствора в хлороформе, содержащего 7% полигидроксибутирата и 1% комплекса железа(III) с тетрафенилпорфирином. (Прототип изобретения).

Пример 5

Аналогично примеру 4, только формовочный раствор содержит 1% комплекса марганца(III) с тетрафенилпорфирином. (Изобретение).

Средние значения количества жизнеспособных микроорганизмов (КОЕ/мл) на биополимерных волокнистых материалах, содержащих различные антибактериальные вещества, за 30 минут инкубации приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, антибактериальная активность настоящего изобретения значительно превышает значения показателя материала - прототипа и весьма существенно превышает значения показателя материалов - аналогов.

В таблице 2 приведены средние значения разрывной длины и относительного удлинения биополимерных волокнистых материалеов, содержащих различные антибактериальные вещества.

Данные таблицы 2 демонстрируют, что физико-механические показатели изобретения находятся на одном уровне с показателями прототипа и существенно превышают значения материалов - аналогов.

Методика изготовления материалов и испытаний:

Ультратонкие и нановолокна на основе биополимера или смеси биополимеров с добавлением 1-5% (масс.) антибактериальных компонентов (относительно содержания ПГБ в растворе) получали методом электростатического формования раствора в хлороформе с помощью однокапиллярной установки ЭФВ-1 (Россия) при напряжении 11-15 кВ, расстоянии между электродами 15-20 см и концентрации полимера в формовочном растворе 7% при динамической вязкости раствора 9 Пз (0,9 Па⋅с) и объемном расходе формовочного раствора (10-12)⋅10^-5 г/с.

Биоцидную (антибактериальную) активность определяли методом диффузии в агар, содержащий тест-культуру, по определению диаметра зон задержки роста бактерий. В опытах с различным разведением препарата использовали тест-культуры Staphylococcus aureus Р209 (золотистый стафилококк), S. typhimurium (сальмонелла) и Escherichia coli 1257 (кишечная палочка). Культуры тест-микроорганизмов пересевали на скошенный мясо-пептонный агар и инкубировали в течение 17-18 часов при 37°С. Затем готовили в физиологическом растворе суспензию каждого микроорганизма и устанавливали концентрацию микробных клеток по стандарту мутности 10⁴ м.к./мл. В стерильные чашки Петри помещали образцы волокнистого материала (контрольные и опытные) размером 10×10 см². По поверхности ткани распределяли 1 мл суспензии тест-культуры и выдерживали при комнатной температуре в течение 30 мин. Затем в чашку наливали 9 мл стерильного физиологического раствора и выдерживали в течение 10-15 минут для элюирования тест-культуры с волокнистого материала. По истечении экспозиции материал из чашек в количестве 100 мкл (0,1 мл) высевали на поверхность мясо-пептонного агара, разлитого предварительно в чашки Петри. Посевы инкубировали в течение 14-48 часов при 37°С. Контролем служили образцы волокнистого материала, не содержащего антибактериальное вещество. Параллельно производили высев используемых в опыте суспензий тест-культур для контроля концентрации жизнеспособных микроорганизмов. Затем производили подсчет выросших на поверхности агара колоний жизнеспособных микроорганизмов.

Измерения механических свойств материалов (изделий) выполняют на разрывной машине РМ-3-1 по ТУ 25.061065-72 или РМ-30-1 по ТУ 25.061066-76 или другая, отвечающая следующим требованиям:- относительная погрешность измерения силы не должна превышать 1%; абсолютная погрешность измерения удлинения для машин с предельной нагрузкой до 300 Н включительно - 0,5 мм;

- центрирование элементарной пробы относительно оси приложенного усилия;

- плавность увеличения нагрузки, без ударов, толчков и пульсаций; фиксацию показаний разрывной нагрузки и абсолютного удлинения элементарной пробы материала;

- скорость перемещения нижнего зажима должна быть переменной с плавной регулировкой и отключением ее при любом установочном значении и не должна превышать 5%;

- расстояние между зажимами должно быть регулируемым и обеспечивать установку длины 50±1 и 100±1 мм.

Нижний зажим к разрывной машине. Ширина зажима должна быть 50±0,5 мм. Нижний зажим должен обеспечить предварительное натяжение элементарной пробы материала с усилием 0,10±0,01 Н. Жесткий шаблон длиной 60,0±0,1 мм, шириной 15,00±0,05 мм и толщиной не более 1 мм. При измерении используют метод наложения на элементарную пробу материала разрушающего усилия F с фиксированием его и измерением разрывной длины L и относительного удлинения s. Величину разрушающего усилия выражают в Н, разрывную длину - в км и относительное удлинение - в процентах.

При выполнении измерений механических свойств фильтрующих материалов и изделий из них соблюдают следующие условия. Подготовку и измерения механических свойств элементарных проб производят в специально отведенном помещении, изолированном от проникновения вредно действующих на оборудование паров и газов при температуре 20±10°С и давлении 760±30 мм рт.ст. Влажность воздуха в помещении не должна превышать 90%. При изготовлении элементарных проб не допускается загрязнение или разрушение пробы с потерей ее массы, влияющей на измерения. Элементарные пробы из материала при измерении должны иметь ширину 15,0±0,5 мм длину между зажимами 50,0±0,5 мм. Скорость движения нижнего зажима устанавливалась 25±5 мм/мин. Измерения проводились по трем пробам, вырезанным из каждого образца волокнистого материала. После измерения механических свойств образцы взвешивались на аналитических весах. Поскольку измерения проводились на машине, подключенной к компьютеру, то все значения в процессе измерения сразу в цифровом виде откладывались на кривой нагрузка-удлинение.

Разрывная длина рассчитывалась как:

L=(F⋅l₀/g⋅m₀)⋅10^-3 м, где

L - разрывная длина пробы; F - разрушающее усилие, Н; m₀ - масса разорванной элементарной пробы, г; l₀ - начальная длина образца, м. Разрывная длина и относительное удлинение рассчитывались по методике МИ-ЛА-4-01 для волокнистых фильтрующих материалов ФП.

Предлагаемый нановолокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом позволит получить эффективные, экологически безопасные, биодеградируемые и биорезорбируемые средства дезинфекции и гигиены в отношении условно-патогенных и патогенных микроорганизмов Данное изобретение найдет применение в медицине, микробиологии и ветеринарии.

Список литературных источников

1. Березин Б.Д. Координационные соединения порфиринов и фталоцианина. М.: Наука. 1978. - 280 с.

2. Лобанов А.В., Неврова О.В., Илатовский В.А., Синько Г.В., Комиссаров Г.Г. Координационные и фотокаталитические свойства металлопорфиринов в разложении пероксида водорода // Макрогетероциклы. 2011. Т. 4. №2. С. 132-134.

3. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). - М.: Нефть и газ, 1997. - 298 с.

4. Unverdorben М., Spielberger A., Schywalsky М., Labahn D., Hartwig S., Schneider M., Lootz D., Behrend D., Schmitz K., Degenhardt R., Schaldach M., Vallbracht C. A Polyhydroxybutyrate Biodegradable Stent: Preliminary Experience in the Rabbit // Cardio-vasc. Intervent. Radiol. 2002. V. 25. №2. P. 127.

5. Карпова С.Г., Ольхов А.А., Иорданский А.Л., Ломакин С.М., Шилкина Н.С., Попов А.А., Гумаргалиева К.З., Берлин А.А. Нетканые смесевые композиции на основе ультратонких волокон поли(3-гидроксибутирата) с хитозаном, полученные электроформованием // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2016. Т. 58. №1. С. 61-72.

6. Кузнецов О.Ю, Кумеева Т.Ю., Пророкова Н.П. Микробиологическая активность полиэфирных текстильных материалов, модифицированных диоксидом титана. С. 82-85]: сб. материалов XIX Междунар. науч. - практ. форума Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2016), 23-27 мая 2016 года. - Иваново: ИВГПУ, 2016. - Ч. 1. - 404 с.

7. Ольхов А.А., Староверова О.В., Оболенская Л.Н., Доморощина Е.Н., Кузьмичева Г.М., Филатов И.Ю., Иорданский А.Л. Полимерные композиционные волокна на основе биополимера полигидроксибутирата с функциональной основой наноразмерных модификаций диоксида титана // Пластические массы. 2015. №3-4. С. 47-52.

8. Ерохина Е.В., Дымникова Н.С. Бикомпонентные наночастицы меди и серебра для модификации полимеров. С. 90-92]: сб. материалов XIX Междунар. науч. - практ. форума Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2016), 23-27 мая 2016 года. - Иваново: ИВГПУ, 2016. - Ч. 1. - 404 с.

9. Дымникова Н.С., Ерохина Е.В. Наночастицы серебра для зашиты целлюлозных материалов от биодеструкции. С. 107-110]: сб. материалов XIX Междунар. науч. - практ. форума Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2016), 23-27 мая 2016 года. - Иваново: ИВГПУ, 2016. - Ч. 1. - 404 с.

10. Ольхов А.А., Карпова С.Г., Лобанов А.В., Тюбаева П.М., Гольцова Л.И., Кучеренко Е.Л., Иорданский А.Л. Ультратонкие волокна поли-3-гидроксибутирата, модифицированные комплексом железа (III) с тетрафенилпорфирином // Химические волокна. 2017. №3. С. 84-89.

11. Сычев А.Я., Исак В.Г. Соединения железа и механизмы гомогенного катализа активации О₂, Н₂О₂ и окисления органических субстратов // Успехи химии. 1995. Т. 64. №12. С. 1183-1209.

12. Weitner Т., Budimir A., Kos I., Batinic-Haberle I., Birus M. Acid-base and electrochemical properties of manganese meso(ortho- and meta-ethylpyridyl)porphyrins: potentiometric, spectrophotometric and spectroelectrochemical study of protolytic and redox equilibria // Dalton Trans. 2010. V. 39. P. 11568-11576.

13. Dolotova O., Yuzhakova O., Solovyova L., Shevchenko E., Negrimovsky V., Lukyanets E., Kaliya O. Water-soluble manganese phthalocyanines // J. Porphyrins Phthalocyanines. 2013. V. 17. No. 8-9. P. 881-888.

14. Weinraub D., Levy P., Faraggi M. Chemical properties of water-soluble porphyrins. 5. Reactions of some manganese (III) porphyrins with the superoxide and other reducing radicals // Int. J. Radiat. Biol. 1986. V. 50. P. 649-658.

15. Batinic-Haberle I., Rajic Z., Tovmasyan A., Reboucas J.S., Ye X., Leong K.W., Dewhirst M.W., Vujaskovic Z., Benov L., Spasojevic I. Tetrahydrobiopterin rapidly reduces the SOD mimic Mn(III) ortho-tetrakis(N-ethylpyridinium-2-yl)porphyrin // Free Radical Biology and Medicine. 2004. V. 37. No. 3. P. 367-374.