PL223739B1 - Sposób wytwarzania biodegradowalnego kompozytu polimerowo-włóknistego o powierzchni o charakterze hydrofilowym - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania biodegradowalnego kompozytu polimerowo-włóknistego o powierzchni o charakterze hydrofilowym, polega na tym, że materiał bazowy w postaci materiału włóknistego zamocowuje się, bezpośrednio lub za pośrednictwem materiału przewodzącego prąd, na jednej z elektrod, które umieszcza się w roztworze polielektrolitu w postaci roztworu wodnego alginianu sodu lub roztworu chitozanu w kwasie octowym i po ustawieniu elektrod w równomiernej od siebie odległości przykłada się do nich prąd stały o napięciu 5-30V w czasie 10-12s, po czym otrzymany w wyniku elektronanoszenia materiał kompozytowy oczyszcza się z pozostałości alginianu lub chitozanu oraz suszy. Jako materiał bazowy stosuje się materiał włóknisty otrzymany m.in. metodą elektroprzędzenia z roztworu, ze stopu, metodą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania biodegradowalnego kompozytu polimerowowłóknistego o powierzchni o charakterze hydrofilowym.

Znane są nanokompozyty polimerowe, w których składnikiem będącym w postaci nano jest przeważnie wypełniacz rozproszony w matrycy polimerowej.

Z opisu zgłoszenia patentowego US nr 0229551 A1 jest znany proces otrzymywania kompozytów na bazie nanowłókien oraz struktur włóknistych otrzymanych metodą elektroprzędzenia z różnego rodzaju organicznych bądź nieorganicznych biopolimerów ulegających lub też nieulegających procesowi biodegradacji, zawierających substancje aktywne. Struktury włókniste są otrzymywane z poli-εkaprolaktonu (PCL), polidioksanu, poli(tlenku etylenu) (PEO), poliglikolidu (PGA), poli(kwasu mlekowego) (PLA) oraz jego kopolimerów z glikolidem (PGLA) i ε-kaprolaktonem, z nylonu, poli(kwasu akrylowego), poliakrylonitrylu (PAN), kolagenu, celulozy.

Przedmiotem zgłoszenia patentowego US nr 0112998 A1 jest otrzymywanie scaffoldów na bazie struktur włóknistych uzyskanych metodą elektroprzędzenia, z czynnikami bioaktywnymi, mających charakter kompozytu warstwowego. Polimerami użytymi do otrzymania nanostruktur włóknistych są zarówno biodegradowalne jak i niebiodegradowalne polimery, jak PGLA, PLA, PGA, poly(glaxanon) poli(orto estry), poli(kwas pirolowy). Włóknotwórczy materiał może być ponadto wzbogacony o dodatki pozyskane z żywych tkanek, jak kolagen, żelatyna, proteiny oraz ich pochodne i syntetyczne biopol imery. Środkami użytymi do modyfikacji właściwości struktur włóknistych mogą być środki farmaceutyczne. W skład kompozytu wchodzą również komórki ssaków.

Z opisu patentowego US nr 0303881 jest znany sposób otrzymywania kompozytów z jednego lub więcej rodzajów polimerów przetworzonych metodą elektroprzędzenia w postać włóknistą, z jednym lub więcej czynnikami biologicznie aktywnymi. Jako polimery proponuje się zarówno naturalne, jak i syntetyczne związki wielkocząsteczkowe, również białka i ich kombinacje.

Inne struktury włókniste uzyskane metodą elektroprzędzenia z dodatkiem związków organicznych znane są z opisu zgłoszenia patentowego US nr 0061496 A1. Opisuje się w nim otrzymywanie struktur włóknistych z kapsułkowanymi żywymi organizmami, jak bakterie czy wirusy. Polimerami do otrzymania nanostruktur włóknistych są polimery włóknotwórcze odpowiednie do przetwórstwa metodą elektroprzędzenia z roztworu, np. PGLA, PAN, PCL, alginian, chitozan. Struktury biologiczne najpierw kapsułkowane, wprowadzane są do roztworu przędzalniczego, po czym uzyskiwane są kompozyty włókniste z ich udziałem w matrycy polimerowej.

Z opisu zgłoszenia patentowego US nr 0093093 A1 jest znany sposób fabrykacji trójwymiarowego scaffoldu z właściwościami modyfikowanymi poprzez wprowadzenie do struktury włóknistej dodatków biologicznych. Scaffold zbudowany jest z podłoża włóknistego otrzymanego metodą elektroprzędzenia z biokompatybilnych polimerów, jak elastyna, kolagen, PLA, PGLA, PEO, poli(alkohol winylowy) (PVA). W celu zmiany właściwości i nadania funkcjonalności takim podłożom do roztworu przędzalniczego dodawane są takie składniki, jak czynniki wzrostu czy biologiczne molekuły (fibronektyna, laminina).

Znane jest także stosowanie metody elektronanoszenia do nanoszeniu związków polielektrolitów na płaskie powierzchnie metaliczne. Dzięki takiemu nanoszeniu zmianie ulega charakter powierzchni z hydrofobowego na hydrofilowy, co w znacznym stopniu zmienia właściwości takiego kompozytu oraz zakres jego zastosowań.

Zarówno z opisów patentowych jak i publikacji znane są sposoby nanoszenia warstw alginianowych metodą elektronanoszenia na materiał bazowy w postaci materiału przewodzącego (metalowej płytki).

Z czasopisma European Polymer Journal, 34, 1998, s. 229 jest znane wytwarzanie żeli kwasu alginowego pod wpływem pola elektrycznego.

Znane jest także, z czasopisma Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 328 (2008) 73-78, wytwarzanie cienkiej folii z kwasu alginowego lub kompozytu kwasu alginowego zawierającego nanododatki na powierzchni elektrody.

W czasopiśmie Biomacromolecules, 2012, nr 13, s. 1181-1189 opisano otrzymanie filmów hydrożelowych chitozanu na metalowej elektrodzie, w drodze nanoszenia metodą elektronanoszenia.

W czasopiśmie Journal of Biotechnology & Biomaterials, 2012, S6:002 omówiono wpływ lepkości alginianu na kinetykę procesu jego nanoszenia na warstwy przewodzące - elektrody.

Znane jest wytwarzanie warstw z kwasu alginowego metodą elektronanoszenia na warstwy m etalowe elektrod.

PL 223 739 B1

Alginiany oraz kwas alginowy są to naturalne polimery o liniowej budowie makrocząsteczki, należące do polisacharydów, które występują przede wszystkim w ścianie komórkowej wodorostów, przy czym uzyskiwane są głównie z brunatnie (Phaeophyceae), włączając gatunki Laminaria hyperborean, Laminaria digitata, Laminaria japonica, Ascophyllum nodosum i Macrocystis pyrifera. Alginiany i kwas alginowy mają wyśmienite właściwości sorpcyjne. Kwas alginowy jest w stanie zaabsorbować 20-30 razy więcej wody w stosunku do swojej masy. Alginiany są rozpuszczalne w wodzie, tworzą roztwory charakteryzujące się wysoką lepkością i mają charakter żelu. Biodegradacja tych biopolimerów w ż ywym organizmie ludzkim właściwie nie jest możliwa, co związane jest z brakiem enzymu odpowiad ającego za rozpad tych związków, ale polimery te charakteryzują się biokompatybilnością, brakiem toksyczności i są wykorzystywane m.in. do modyfikacji powierzchni implantów, kapsułkowania leków, enzymów czy komórek lub też wytwarzania materiałów opatrunkowych.

Sposób wytwarzania biodegradowalnego kompozytu polimerowo-włóknistego o powierzchni o charakterze hydrofilowym, metodą elektronanoszenia warstwy polielektrolitu na materiał bazowy, według wynalazku polega na tym, że materiał bazowy w postaci materiału włóknistego o masie powierzchniowej 10-40 g/m , otrzymany metodą elektroprzędzenia z roztworu, ze stopu, metodą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro, metodą rozdmuchu stopionego polimeru lub metodą bezpośredniego formowania włókien z granulatu polimeru, z polimerów należących do grupy: poli-L kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), mieszanka polimeru złożonego z izomeru (L) i (D) kwasu mlekowego, kopolimer poli(L-DL) laktydu z poli(kwasem glikolowym), zamocowuje się, bezpośrednio lub za pośrednictwem materiału przewodzącego prąd, na jednej z elektrod z materiału kwasoodpornego, które umieszcza się w roztworze polielektrolitu w postaci roztworu wodnego algini anu sodu o stężeniu 0,5-2% lub roztworu chitozanu w kwasie octowym o stężeniu 0,1-5%, i po ustawieniu elektrod w równomiernej od siebie odległości równej 1-2 cm, przykłada się do nich prąd stały o napięciu 5-20 V w czasie 30-90 s, po czym otrzymany w wyniku elektronanoszenia materiał kompozytowy oczyszcza się z pozostałości alginianu lub chitozanu oraz suszy w strumieniu ciepłego powietrza w temperaturze do 40°C. Materiał bazowy zamocowuje się do anody w przypadku użycia roztworu alginianu lub do katody w przypadku użycia chitozanu. Stosuje się korzystnie alginian sodu wysokomannuronowy lub wysokoguluronowy.

Sposobem według wynalazku otrzymuje się materiał kompozytowy zawierający warstwę materiału włóknistego z naniesioną warstwą polielektrolitu, którego powierzchnia posiada charakter hydrofilowy. Materiał ten ulega biodegradacji zarówno w warunkach żywego organizmu jak w środowisku naturalnym.

Materiał kompozytowy otrzymany w wyniku stosowania sposobu według wynalazku znajduje zastosowanie zwłaszcza do celów medycznych, spożywczych, rolniczych.

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady, z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1 przedstawia widma FTIR ATR kompozytów otrzymanych w przykładach, zaś fig. 2 przedstawia zdjęcia SEM kompozytu otrzymanego w przykładzie I.

P r z y k ł a d I.

Przygotowano roztwór alginianu sodu. W tym celu naważkę 10 g alginianu wprowadzano małymi porcjami do 1 dm wody destylowanej przy jednoczesnym mieszaniu mieszadłem mechanicznym, w temperaturze pokojowej. Po uzyskaniu jednorodnego roztworu całość pozostawiano na 24 h w temperaturze 40°C. Przed użyciem sporządzonego roztworu ponownie go mieszano. Następnie materiał włóknisty z nanowłókien z kopolimeru polilaktydu z poli(kwasem-glikolowym) (PLGA), o masie po₂ wierzchniowej 5 g/m , naniesiony na folię z aluminium, umieszczono na anodzie w taki sposób, aby nośnik włókniny miał dobry kontakt z anodą. Przygotowaną anodę z włókniną umieszczano w sporządzonym roztworze alginianu sodu, w którym umieszczono także, w równomiernej odległości od anody równej 1 cm, katodę odwzorowującą kształt anody, po czym elektrody zasilano prądem stałym o napięciu 10 V w czasie 30 s. Po tym czasie odłączano zasilanie prądem i otrzymany kompozyt przeniesiono do wody destylowanej na czas 30 s, po czym suszono go w strumieniu ciepłego powietrza o temperaturze 40°C do stałej masy. Niewykorzystaną część roztworu alginianu przechowywano w temperaturze 40°C.

P r z y k ł a d II.

Roztwór alginianu sodu, układ elektrod z materiałem włóknistym z PLGA przygotowano postępując jak w przykładzie I. Proces elektronanoszenia prowadzono jak w przykładzie I, z tym, że stosowano prąd o napięciu 20 V. Dalej postępowano także jak w przykładzie I.

PL 223 739 B1

P r z y k ł a d III.

Przygotowano roztwor chitozanu. W tym celu naważkę 20 g chitozanu zalano 1 dm wody destylowanej, po spęcznieniu próbki chitozanu po upływie 1 h dodano stężony kwas octowy w ilości zapewniającej otrzymanie roztworu o stężeniu 1%. Całość poddano następnie mieszaniu mieszadłem mechanicznym w temperaturze pokojowej. Po uzyskaniu jednorodnego roztworu pozostawiano go na 24 h w temperaturze 40°C. Przed użyciem roztwór chitozanu ponownie mieszano. Proces elektronanoszenia prowadzono następująco. Włókninę z włókien PLA, otrzymaną metodą bezpośredniego formowania włókien z granulatu polimeru, o masie powierzchniowej 18 g/m , umieszczoną na folii aluminiowej, umieszczono na katodzie w taki sposób, aby nośnik włókniny miał dobry kontakt z katodą. Przygotowaną katodę z włókniną umieszczono w przygotowanym roztworze chitozanu. Anodę odwzorowującą kształt katody umieszczono w równomiernej odległości od katody, równej 1 cm, po czym do elektrod przyłożono prąd stały o napięciu 10 V w czasie 30 s. Po tym czasie odłączano zasilanie i otrzymany kompozyt przeniesiono do wody destylowanej na czas 30 s, po czym suszono w strumieniu ciepłego powietrza o temperaturze 40°C do stałej masy. Niewykorzystaną część roztworu przechowywano w temperaturze 40°C. Następnie zbadano budowę chemiczną oraz kąt zwilżania kompozytów otrzymanych w przykładach I - III.

W celu zbadania budowy chemicznej kompozytów otrzymanych w przykładach I - III wykonano ich widma FTIR ATR na aparacie Perkin Elmer System 2002 przy rozdzielczości 4 cm^- na przystawce wielokrotnego odbicia dedykowanej do aparatu. Poszczególne widma stanowiły średnią z 32 skanów próbki. Widma FTIR ATR kompozytów otrzymanych w przykładach przedstawiono na fig. 1 rysunku, przy czym a oznacza widmo materiału włóknistego PLGA bez warstwy alginianu, b widmo materiału włóknistego PLGA z warstwą alginianu naniesioną przy napięciu 10 V, zaś c widmo materiału włóknistego PLGA z warstwą alginianu naniesioną przy napięciu 20 V.

Struktura makroskopowa

Strukturę makroskopową nanokompozytu otrzymanego w przykładzie I zbadano wykorzystując skaningowy mikroskop elektronowy SEM JSM 5400 JEOL. Zdjęcia z mikroskopu skaningowego tego nanokompozytu przedstawiono na fig. 2 rysunku.

Kąt zwilżania

Pomiar kąta zwilżania wykonano na aparacie firmy Kruss model DSA 100. Objętość kropli w ynosiła 5 pl, pomiar dokonywano po 30 s po naniesieniu kropli. Wartości kąta zwilżania dla danych próbek są wartościami uśrednionymi z 10 pomiarów. Wyniki pomiarów kąta zwilżania kompozytów otrzymanych w przykładach I - III przedstawiono w tablicy 1.

T a b l i c a 1

Próbka	Kąt zwilżania, °
włóknina PLGA	129
włóknina PLGA/kwas alginowy 10 V	72
włóknina PLGA/kwas alginowy 20 V	61,2
włóknina otrzymana metodą bezpośredniego formowania włókien z granulatu polimeru PLA	127
włóknina otrzymana metodą bezpośredniego formowania włókien z granulatu polimeru PLA/chitozan 10 V	104

W porównaniu do widma FTIR ATR samej włókniny PLGA wykonanej metodą elektroprzędzenia, w widmie tej włókniny z naniesionym, metodą elektronanoszenia, kwasem alginowym pojawiają się nowe sygnały przy maksimum 1609 cm^- , który odpowiada drganiom rozciągającym wiązanie karbonylowe C=O kwasu alginowego oraz nakładające się pasmo grupy karbonylowej kwasu alginowego i PLGA przy 1730 cm^- . Obecność w widmie FTIR ATR kompozytu dodatkowego pasma w porównaniu do widma FTIR ATR wyjściowej włókniny, wskazuje na obecność kwasu alginowego na powierzchni kompozytu.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania biodegradowalnego kompozytu polimerowo-włóknistego o powierzchni o charakterze hydrofilowym, metodą elektronanoszenia warstwy polielektrolitu na materiał bazowy, znamienny tym, że materiał bazowy w postaci materiału włóknistego o masie powierzchniowej 10-40 g/m , otrzymany metodą elektroprzędzenia z roztworu, ze stopu, metodą przędzenia z roztworu na sucho, sucho-mokro, metodą rozdmuchu stopionego polimeru lub metodą bezpośredniego formowania włókien z granulatu polimeru, z polimerów należących do grupy: poli-L kwas mlekowy, kopolimer (L) i (D) poli(kwasu mlekowego), mieszanka polimeru złożonego z izomeru (L) i (D) kwasu mlekowego, kopolimer poli(L-DL) laktydu z poli(kwasem glikolowym), zamocowuje się, bezpośrednio lub za pośrednictwem materiału przewodzącego prąd, na jednej z elektrod z materiału kwasoodpornego, które umieszcza się w roztworze polielektrolitu w postaci roztworu wodnego alginianu sodu o stężeniu 0,5-2% lub roztworu chitozanu w kwasie octowym o stężeniu 0,1-5%, i po ustawieniu elektrod w równomiernej od siebie odległości równej 1-2 cm, przykłada się do nich prąd stały o napięciu 5-20 V w czasie 30-90 s, po czym otrzymany w wyniku elektronanoszenia materiał kompozytowy oczyszcza się z pozostałości alginianu lub chitozanu oraz suszy w strumieniu ciepłego powietrza w temperaturze do 40°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał bazowy zamocowuje się do anody w przypadku użycia roztworu alginianu lub do katody w przypadku użycia roztworu chitozanu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że używa się korzystnie alginian sodu wysokomannuronowy lub wysokoguluronowy.