патент
№ RU 2681319
МПК A61K31/409

Ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом

Авторы:
Ольхов Анатолий Александрович Лобанов Антон Валерьевич Тюбаева Полина Михайловна
Все (18)
Номер заявки
2017137619
Дата подачи заявки
27.10.2017
Опубликовано
06.03.2019
Страна
RU
Дата приоритета
19.04.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к медицине. Описан ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе полигидроксибутирата, полилактида или их смесей с комплексами марганца(III) с тетрафенилпорфирином в количестве 1-5 мас.%, полученный методом электростатического формования. Ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом позволит получить эффективные, экологически безопасные, биодеградируемые и биорезорбируемые средства дезинфекции и гигиены в отношении условно-патогенных и патогенных микроорганизмов. 2 табл., 5 пр.

Формула изобретения

Ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе полигидроксибутирата, полилактида или их смесей с комплексами марганца(III) с тетрафенилпорфирином в количестве 1-5 мас.%, полученный методом электростатического формования.

Описание

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 104м.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.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты