RU2762729C1

RU2762729C1 - Основанный на ионном полисахариде пористый полимерный материал и способ его получения

Info

Publication number: RU2762729C1
Application number: RU2020143917A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иосифович Лозинский; Татьяна Михайловна Ражева; Наталья Дмитриевна Звукова; Владимир Васильевич Кураков
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-12-22

Abstract

Изобретение относится к пористым полимерным материалам и способу их получения, в частности к сверхлегким материалам на основе ионных полисахаридов, имеющим плотность менее 0.05 г/см³, которые, благодаря своей биосовместимости и нетоксичности, наиболее эффективно могут быть использованы для биомедицинских целей, например, в качестве покрытий на раны и ожоги, высокоемких абсорбентов. Предложен способ получения пористого полимерного материала сверхнизкой плотности, использующий приемы криоструктурирования, из водного раствора полисахаридного предшественника, причем способ позволяет использовать как катионные, так и анионные полисахариды. Получаемый пористый полимерный материал может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока). Технический результат заключается в создании новых, основанных на биосовместимых ионных полисахаридах, сверхлегких макропористых материалов, обладающих способностью впитывать не менее 95% воды или физиологических жидкостей в расчете на общий объем материала. 2 н.п. ф-ы, 7 ил., 7 пр.

Description

Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений, а именно к пористым полимерным материалам и способам их получения. Более конкретно изобретение касается сверхлегких материалов, имеющих плотность менее 0.05 г/см³. В частности, объектом предлагаемого изобретения являются такие сверхлегкие материалы на основе ионных полисахаридов, а также способ получения указанных материалов. Благодаря своей биосовместимости и нетоксичности заявляемые материалы наиболее эффективно могут быть использованы для биомедицинских целей, например, в качестве покрытий на раны и ожоги, высокоемких абсорбентов биологических жидкостей, систем доставки лекарственных веществ и др.

В этом контексте значительный практический интерес представляют именно легкие и сверхлегкие высокопористые полимерные материалы плотностью меньше, соответственно, 0.10 и 0.05 г/см³, обладающие губчатой морфологией [S. Jiang, S. Agarwal, A. Greiner. Low-density open cellular sponges as functional materials. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, vol. 56, pp. 15520-15538], поскольку они способны быстро впитывать биологические жидкости.

Многие заряженные полисахариды (анионные, катионные, амфотерные) растительного, животного и микробиологического происхождения находят широкое применение в пищевых и биотехнологиях, фармацевтике, при производстве биомедицинских изделий и др. [М.И. Штильман. Введение в технологию полимеров медико-биологического назначения. М.: Из-во РХТУ, 2000. 247 с.; Handbook of Hydrolloids / G.O. Phillips, P.A. Williams (Eds). Woodhead Publ. Ltd - CRS Press LLC: Boca Raton e.a. 2000, 450 pp.; E.S. Dragan, M.V. Dinu. Polysaccharides constructed hydrogels as vehicles for proteins and peptides: a review. Carbohydr. Polym. 2019, vol. 225, article #115210; H. Hu, F.-J. Xu. Rational design and latest advances of polysaccharide-based hydrogels for wound healing. Biomater. Sci. 2020, vol. 8, pp. 2084-2101; X. Yang, A. Li, X. Li, L. Sun, Y. Guo. An overview of classifications, properties of food polysaccharides and their links to applications in improving food textures. Trends Food Sci. Technol. 2020, vol. 102, pp. 1-15]. Поскольку такие полисахариды извлекаются из возобновляемого сырья, доступны в больших количествах и часто недороги, то разработка базирующихся на них полезных с практической точки зрения новых форм материалов весьма актуальна.

Известными примерами медицинских изделий, сформированных из ионных полисахаридов, являются материалы типа «Альгипор» - альгинатные покрытия на раны и ожоги [http://dic.academic.ru/dic.nsf/meditem/58] или хитозановая повязка типа «Хито-Пран» [http://stoprana.ru/shop/shop-by-category/store-frontpage/chitopran2-detail]. Сорбционная способность таких покрытий обусловлена системой взаимосвязанных капилляров, пронизывающих хорошо смачиваемую биологической жидкостью полимерную матрицу.

Одним из известных и технологичных способов получения полимерных материалов с таким типом пористости является так называемое криоструктурирование, заключающееся в формировании системы сообщающихся макропор в объеме конечного образца в результате криогенной обработки исходного молекулярного или коллоидного раствора предшественников, когда поликристаллы замороженного растворителя выполняют роль порогена [В.И. Лозинский. Криоструктурирование полимерных систем как инструмент создания инновационных материалов биомедицинского назначения. - В кн.: Синтез и функциональные свойства гибридных наноформ биоактивных и лекарственных веществ / Под ред. Мельникова М.Я. и Трахтенберга Л.И. М.: Техносфера, 2019, глава 3, с. 68-100]. При этом если в замороженной системе происходит гелеобразование, то получающиеся после ее оттаивания пористые материалы называют криогелями, в случае же когда гелеобразования нет, а кристаллическая фаза из замороженного препарата удаляется без его оттаивания (например, лиофильной сушкой или криоэкстракцией), то получаемые в итоге пористые материалы называют криоструктуратами [V.I. Lozinsky. Cryostructuring of polymer systems. 50. Cryogels and cryotropic gel-formation: terms and definitions. Gels 2018, vol. 4, article #77].

Известен целый ряд макропористых криогелей и криоструктуратов на основе ионных полисахаридов. Например, описаны химически сшитые губчатые криогели на основе катионного полисахарида - хитозана, полученные криогенной обработкой (-15…-30°С/24 ч) 1.6%-ного уксуснокислого раствора этого полиаминосахарида в смеси с глутаровым альдегидом, которые обладают системой капиллярных макропор сечением от 40 до 90 мкм [В.В. Никоноров, Р.В. Иванов, Н.Р. Кильдеева, Л.Н. Булатникова, В.И. Лозинский. Синтез криогелей хитозана, сшитого глутаровым альдегидом, и изучение их свойств. Высокомолекул. соед. 2010, т. 52А, с. 1436-1443]. Однако плотность полученных таким способом пористых матриц в сухом виде составляет 0.15-0.21 г/см³, т.е. они не могут быть отнесены к группе сверхлегких полимерных материалов. Кроме того, способ их получения предусматривает использование токсичного агента - глутарового альдегида, опасного для живых организмов, что является недостатком этого технического решения.

Также известны хитозановые криоструктураты и способ их получения посредством замораживания (-15…-50°С) 1-3%-ных растворов этого полисахарида с последующей лиофилизацией образцов (или криоэкстрацией замороженного растворителя) и их обработкой щелочным агентом в среде нерастворителя полимера [В.И. Лозинский, А.Л. Зубов. Способ получения макропористого полимерного материала. Пат. РФ №2078099 (1994); Б.И. №12 (1997)]. Поскольку сформированные таким способом криоструктураты начинают растворяться в средах с рН ниже изоэлектрической точки хитозана (рН<6.2), то для придания материалу нерастворимости он может быть задублен, например, обработкой водным раствором такого сшивающего агента, как дженипин [Н.А. Сажнев, М.Г. Дроздова, И.А. Родионов, Н.Р. Кильдеева, Т.В. Балабанова, Е.А. Марквичева, В.И. Лозинский. Получение криоструктуратов хитозана с регулируемой пористой морфологией и их использование в качестве 3D-подложек для культивирования животных клеток. Прикл. биохим. микробиол. 2018, т. 54, с. 455-464]. Полученные в итоге криоструктураты обладают сообщающимися макропорами сечением 60-100 мкм, а их плотность в сухом виде составляет 0.12-0.33 г/см³, т.е. они, как и вышеприведенные хитозановые криогели, не могут быть отнесены к группе сверхлегких полимерных материалов.

Примеры криогенно-структурированных макропористых материалов на основе анионных полисахаридов также описаны в научно-технической литературе. Так, криоструктураты из альгиновой кислоты, карбоксиметилцеллюлозы, фосфоцеллюлозы и их солей, а также декстрансульфата, получают замораживанием (-2…-40°С) водных 0.75-4.5%-ных растворов полисахаридных предшественников с последующим удалением закристаллизованного растворителя либо его сублимацией, либо криоэкстракцией и далее трансформацией ионогенных групп соответствующего полимера в слабо диссоциированную форму, после чего следует окончательная сушка материала [В.И. Лозинский, И.А. Сименел, А.В. Чебышев. Способ получения пористого материала. Пат. РФ №2035476 (1994); Б.И. №14 (1995)]. Например, в случае формирования Са-альгинатных криоструктуратов, трансформацию лиофилизованной Na-альгинатной губки в водонерастворимую форму проводят обработкой материала насыщенным этанольным раствором соли кальция с последующей промывкой образовавшейся Са-альгинатной губки этанолом и сушкой материала в вакууме [N.D. Zvukova, Т.Р. Klimova, R.V. Ivanov, A.N. Ryabev, A.V. Tsiskarashvili, V.I. Lozinsky. Cryostructuring of polymeric systems. 52. Properties, microstructure and an example of a potential biomedical use of the wide-pore alginate cryostructurates. Gels 2019, vol. 5, article #25]. Получаемые по такой общей схеме макропористые полисахаридные матрицы (сечение пор 170-2400 мкм) имеют плотность от 0.11 до 0.06 г/см³, что близко к границе значений для губчатых полимерных систем сверхнизкой плотности. Поэтому это техническое решение выбрано в качестве прототипа в отношении заявляемого изобретения.

В принципе, по описанной в прототипе схеме можно получить криогенно-структурированные губки и с еще меньшей плотностью, если использовать исходный раствор предшественников с концентрацией полисахарида ниже 0.5%. Однако экспериментальная проверка этого варианта показала, что конечные материалы, в частности Са-альгинатные криоструктураты, сформированные из 0.3-0.5%-ных растворов альгината натрия, в сухом состоянии имеют очень низкие прочностные характеристики и распадаются на отдельные мелкие фрагменты даже при слабом нажатии пальцами. Манипуляции с такими губками затруднены, что не позволяет их использовать, например, в качестве покрытий на раны и ожоги. Кроме того, фрагментация также имеет место в ходе обработки насыщенным этанольным раствором соли кальция лиофилизованной Na-альгинатной губки, полученной из 0.3%-ного раствора этого анионного полисахарида, что не дает возможности приготовить целевой сверхлегкий материал с плотностью ниже 0.05 г/см³.

В этой связи задачами предлагаемого изобретения являются создание основанного на ионном полисахариде пористого полимерного материала сверхнизкой плотности и разработка способа его получения, позволяющего придавать придавать целевому материалу лучший комплекс свойств по сравнению с известными аналогами.

Указанные задачи решаются тем, что основанный на ионном полисахариде пористый полимерный материал сверхнизкой плотности получают с помощью приемов криоструктурирования из водного раствора полисахаридного предшественника, в результате чего указанный материал в сухом виде обладает плотностью не выше 0.05 г/см³ и способен впитывать не менее 95% воды или физиологических жидкостей в расчете на общий объем материала. Для получения такого пористого полимерного материала в качестве полисахаридного предшественника используют анионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к альгинатам, пектинам, каррагинанам, хондроитинсульфатам и др., или катионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к хитозану и его производным. Способ получения целевого полимерного материала включает приготовление 1-5%-ного водного раствора ионного полисахарида, замораживание этого раствора при -10…-40°С с одновременным перемешиванием до получения пастообразной пластичной массы, ее помещение в заранее охлажденную форму, выдерживание системы при -10…-40°С до отверждения пластичной массы и последующее удаление замороженного растворителя (льда) лиофилизацией. Также для придания материалу водонерастворимости его переводят в водонерастворимую форму в среде, не способной растворять полимер, промывают и сушат материал известными приемами.

Получаемый пористый полимерный материал может быть приготовлен любой геометрической формы: в виде блоков, пластин, дисков, частиц неправильной формы (получаются измельчением блока) и др.

Конкретные характеристики заявляемого технического решения определяются такими факторами, как:

1. Тип полисахаридного предшественника

Выбор ионного полисахаридного предшественника для получения полимерного материала, входящего в круг объектов заявляемого изобретения, обусловлен двумя основными моментами: а) конкретным предназначением получаемого материала и б) возможностью трансформации исходно водорастворимой формы полисахаридного предшественника в водонерастворимую форму уже в составе сформированного криоструктурата. Если для планируемого применения целевого материала необходима его кислотная природа, то в качестве полисахаридного предшественника используется анионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к альгинатам, пектинам, каррагинанам, хондроитинсульфатам и др. Если необходима основная природа материла, то в качестве полисахаридного предшественника используется катионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к хитозану и его производным.

2. Параметры способа получения целевого материала.

а) Концентрация полисахаридного предшественника в исходном растворе, подвергаемом криогенному структурированию, определяется растворимостью соответствующего ионного полисахарида, операционным характеристиками получаемых при этом растворов (в частности, их вязкостью) и тем комплексом физико-химических показателей, которые требуется придать целевому полимерному материалу, в первую очередь его удельной плотностью, которая не должна превышать 0.05 г/см³. Заявляемое изобретение предусматривает диапазон концентраций полисахаридного предшественника в исходном растворе от 1 до 5 мас. %. Эти значения определены экспериментально. При содержании полисахаридного предшественника в исходном растворе менее 1%, например, 0.75 мас. %, как в способе-прототипе [В.И. Лозинский, И.А. Сименел, А.В. Чебышев. Способ получения пористого материала. // Пат. РФ №2035476 (1994); Б.И. №14 (1995)], часто не удается получить целостный конечный материал, т.к. он растрескивается в ходе высушивания. В случае концентрации раствора предшественника более 5% значительное повышение вязкости раствора при его замораживании с одновременным перемешиванием системы препятствует образованию однородной пастообразной пластичной массы, что по окончании всего процесса приготовления целевого материала негативно отражается на его однородности, а плотность получаемого материала превышает граничное значение в 0.05 г/см³, т.е. тогда не решается задача предлагаемого изобретения по созданию основанного на ионном полисахариде пористого полимерного материала сверхнизкой плотности.

б) Режимы замораживания подвергаемом криогенному структурированию раствора полисахаридного предшественника. Они определяются сочетанием ряда факторов. Ключевой момент - замораживание исходного раствора полисахаридного предшественника включает 2 стадии, причем первая из них осуществляется с одновременным перемешиванием системы подобно процессам получения так называемого мягкого мороженого [Ю.А. Оленев, А.А. Творогова, Р.В. Казанова, Л.Н. Соловьёва. Справочник по производству мороженого. Изд-во «ДеЛи принт». 2004. 798 с.], а вторая стадия необходима для морозильного отверждения полученной на первой стадии пастообразной пластичной массы. Заявляемый диапазон температур криогенной обработки найден экспериментально и составляет -10…-40°С. При отрицательных температурах выше -10°С перемешиваемый раствор полисахаридного предшественника часто вообще не замерзает из-за эффектов переохлаждения, либо замерзает крайне медленно, что снижает технологичность процесса в целом. В свою очередь, при температурах ниже -40°С исходный раствор, особенно в случае образцов малого объема, замерзает слишком быстро, что не дает возможность приготовить однородную пастообразную пластинную массу типа «мягкого мороженого». Как результат, по окончании всего технологического цикла не удается получить сверхлегкий пористый полимерный материал плотностью ниже 0.05 г/см³.

в) Удаление замороженного растворителя. Эта стадия осуществляется известными приемами лиофильной сушки, режимы которой, в частности, уровень вакуума и продолжительность, определяются имеющимся оборудованием и объемом образцов, т.е. количеством закристаллизованного растворителя, которое необходимо удалить сублимацией из криогенно-структурированного полимерного материала.

г) Придание материалу водонерастворимости. Данный процесс осуществляется переведением ионогенных группировок полисахарида в слабо диссоциирующую форму. Это может быть слабо диссоциирующая соль, как, например, кальциевая или бариевая соль карбоксиметилцеллюлозы, альгината или пектина, полифосфорная соль хитозана, либо же слабо диссоциирующая кислотная форма карбоксилсодержащего полисахарида или основная форма такого полиаминосахарида, как хитозан и некоторые его производные. Ключевой момент этого процесса - его осуществление в среде, не способной растворять, в качестве которой предпочтительно использовать легколетучие полярные органические растворители типа низкомолекулярных спиртов, ацетона, тетрагидрофурана, ацетонитрила и т.п.

Именно ранее неизвестное сочетание рассмотренных существенных признаков (характерных черт) заявляемого изобретения обеспечивает его новизну, позволяя получать пористые полимерные материалы сверхнизкой плотности, до этого изобретения не описанные в научно-технической литературе.

Возможность осуществления изобретения с реализацией заявляемого назначения подтверждается, но не исчерпывается примерами 1-7, а приводимые ниже фигуры 1-7 представляют собой микрофотографии, демонстрирующие микроструктуру полученных в примерах 1-7 сверхлегких пористых материалов, основанных на ионных полисахаридах:

Фиг. 1. Микрофотография (оптический стереомикроскоп) кальций-альгинатного пористого полимерного материала, полученного согласно методике примера 1 (масштабная линейка - 200 мкм).

Фиг. 2. Микрофотография (оптический стереомикроскоп) альгинового пористого полимерного материала, полученного согласно методике примера 2 (масштабная линейка - 200 мкм).

Фиг. 3. Микрофотография (оптический стереомикроскоп) барий-пектатного пористого полимерного материала, полученного согласно методике примера 3 (масштабная линейка - 200 мкм).

Фиг. 4. Микрофотография (просвечивающий оптический микроскоп) полученного согласно методике примера 4 пористого полимерного материала на основе калиевой соли каппа-каррагинана (масштабная линейка - 500 мкм).

Фиг. 5. Микрофотография (сканирующий электронный микроскоп) пористого полимерного материала на основе комплексной соли хондроитинсульфата с доксорубицином, полученного согласно методике примера 5 (масшабная линейка - 100 мкм).

Фиг. 6. Микрофотография (оптический стереомикроскоп) полученного согласно методике примера 6 пористого полимерного материала на основе хитозана (масшабная линейка - 200 мкм).

Фиг. 7. Микрофотография (просвечивающий оптический микроскоп) полученного согласно методике примера 7 пористого полимерного материала на основе сополимера (1-4)-β-D-глюкозамина и N(триметил-аммоний-хлорид-N-ацетил)-(1-4)-β-D-глюкозамина (масшабная линейка - 500 мкм).

Пример 1. Кальций-альгинатный пористый полимерный материал сверхнизкой плотности

Готовят 2%-ный водный раствор альгината натрия (BDH Chemicals Ltd., Великобритания), который помещают в пластиковую цилиндрическую форму, находящуюся в камере ультракриостата Proline RP1840 (Lauda, Германия), заполненной хладоагентом с температурой -20°С. Содержимое формы постоянно перемешивают с помощью погружной мешалки до получения пастообразной массы, по консистенции близкой к консистенции «мягкого мороженого». Далее пасту быстро переносят в пластиковые чашки Петри диаметром 60 мм, заранее охлажденные до -25°С, слой разравнивают, далее выдерживают образцы 18 ч в морозильной камере при -18…-20°С и высушивают лиофильно с помощью установки ALPHA 1-2 LD plus (Martin Christ, Германия). Сформированные таким образом криогенно-структурированные пористые полимерные диски погружают в насыщенный этанольный раствор хлорида кальция, где выдерживают 18 ч при комнатной температуре с периодическим перемешиванием. Затем образцы промывают этанолом для удаления избытка солей и высушивают в вакуум-эксикаторе до отсутствия запаха этанола. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.032±0.006 г/см³. Размер пор материала (фиг. 1) определяют с помощью оптического стереомикроскопа SMZ1000 (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 70 до 289 мкм. При помещении в физиологический раствор (0.15М NaCl) материал впитывает жидкость в количестве 97.4±0.6% от объема образца.

Пример 2. Альгиновый пористый полимерный материал сверхнизкой плотности

Готовят 5%-ный раствор альгината натрия (BDH Chemicals Ltd., Великобритания), который замораживают при -40°С с одновременным перемешиванием, затем формуют полученную пастообразную массу, инкубируют ее 5 ч при -40°С и далее высушивают лиофильно, проводя все эти операции аналогично методике примера 1. Сформированные таким образом криогенно-структурированные пористые полимерные диски погружают в 0.05N раствор серной кислоты в изопропаноле, где выдерживают 10 ч при +6°С с периодическим перемешиванием. Обработанные по такой схеме образцы альгиновых криоструктуратов промывают изопропанолом и сушат до постоянной массы в вакуум-эксикаторе над пятиокисью фосфора. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.047±0.002 г/см³. Размер пор материала (фиг. 2) определяют с помощью оптического микроскопа Eclipse 55i (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 40 до 150 мкм. При помещении в дистиллированную воду материал впитывает жидкость в количестве 95.2±0.4% от объема образца.

Пример 3. Барий-пектатный пористый полимерный материал сверхнизкой плотности

Цитрусовый пектин (степень метоксилирования 35%) (Herculesis, США) растворяют в 0.05М Na-бикарбонатном буфере; конечная концентрации полисахарида - 3 масс. %. Раствор переносят в емкость для замораживания, которую помещают в хладоагент (-30°С) камеры программируемого ультракриостата FP 45 HP (Julabo, Германия). Замораживание раствора проводят с одновременным перемешиванием до образования пластичной пастообразной массы, которую переносят в прямоугольные (140×140×5 мм) пластиковые формы, заранее охлажденные до -30°С, где выдерживают образцы при той же температуре в течение 12 ч и затем высушивают лиофильно с помощью сублимационной установки Epsilon 1-4 LSCplus (Martin Christ, Германия). Сформированный таким образом криогенно-структурированный пористый полимерный материал погружают в насыщенный раствор ацетата бария в ацетоне и выдерживают 24 ч при комнатной температуре с периодическим перемешиванием. Затем губчатый материал промывают ацетоном и высушивают в вакуум-эксикаторе до отсутствия запаха ацетона. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.039±0.007 г/см³. Размер пор материала (фиг. 3) определяют с помощью оптического стереомикроскопа SMZ1000 (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 60 до 310 мкм. При помещении в боенскую кровь материал впитывает жидкость в количестве 95.8±0.6% от объема образца.

Пример 4. Калий-каппа-каррагинановый пористый полимерный материал сверхнизкой плотности

Каппа-каррагинан (Bengel, Филиппины) растворяют в воде при 50°С; конечная концентрация полисахарида - 3.5%. Полученный раствор замораживают при -24°С в камере ультракриостата СС-К25 (Huber, Германия) с одновременным перемешиванием до образования пластичной пастообразной массы, которую помещают в пластиковые чашки Петри (внутренний диаметр - 90 мм), отверждают при -32°С и лиофилизуют с помощью сублимационной сушки FreeZone1 (Labconco, США). Сформированный таким образом криогенно-структурированный пористый полимерный материал погружают в насыщенный раствор хлорида калия в тетрагидрофуране и выдерживают 48 ч при комнатной температуре с периодическим перемешиванием. Далее губчатый материал последовательно промывают тетрагидрофураном, метанолом и серным эфиром, а затем высушивают в вакуум-эксикаторе до отсутствия запаха эфира. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.041±0.005 г/см³. Размер пор материала (фиг. 4) определяют с помощью оптического микроскопа Eclipse 55i (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 20 до 490 мкм. При помещении в водопроводную воду материал впитывает жидкость в количестве 96.5±0.7% от объема образца.

Пример 5. Пористый полимерный материал сверхнизкой плотности на основе комплексной соли хондроитинсульфата с доксорубицином

Готовят 4.5%-ный водный раствор хондроитинсульфата (Bioiberica, Испания), который далее замораживают при -33°С с одновременным перемешиванием до образования пластичной пастообразной массы, которую помещают в пластиковые чашки Петри (внутренний диаметр - 35 мм), отверждают при той же температуре и лиофилизуют аналогично методике примера 1. Полученный пористый криоструктурат погружают в насыщенный этанольный раствор доксорубицина и выдерживают 18 ч при 4-6°С с периодическим перемешиванием. Далее материал промывают этанолом и сушат в вакуум-эксикаторе над молекулярными ситами

Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.046±0.003 г/см³. Размер пор материала (фиг. 5) определяют с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira LMU (Чехия). Найденные значения сечения макропор - от 70 до 150 мкм. При помещении в инъекционный раствор хлорида кальция (100 мг/мл) материал впитывает жидкость в количестве 96.0±0.6% от объема образца.

Пример 6. Хитозановый пористый полимерный материал сверхнизкой плотности

Готовят 1%-ный водный раствор сухого ацетата хитозана (Биопроцесс, РФ). Полученный раствор фильтруют через стеклянный фильтр для удаления возможных твердых примесей, переносят в сосуд для замораживания и с постоянным перемешиванием в камере криостата F-32 (Julabo, Германия) замораживают при -10°С до получения пастообразной пластичной массы, которую затем переносят в пластиковые чашки Петри (внутренний диаметр - 35 мм), заранее охлажденные до -10°С. После выравнивания слоя пастообразной массы образцы выдерживают 14 ч при той же отрицательной температуре и высушивают лиофильно аналогично методике примера 4. Пористые диски полученного сухого криоструктурата помещают в 1М раствор аммиака в метаноле, выдерживают 15 ч при комнатной температуре, промывают метанолом и сушат в вакуум-эксикаторе над гранулированным едким натром до постоянного веса. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.011±0.003 г/см³. Размер пор материала (фиг. 6) определяют с помощью оптического стереомикроскопа SMZ1000 (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 60 до 340 мкм. При помещении в деионизованную воду материал впитывает жидкость в количестве 98.7±0.5% от объема образца.

Пример 7. Пористый полимерный материал сверхнизкой плотности на основе сополимера (1-4)-β-D-глюкозамина и N(триметиламмоний-хлорид-N-ацетил)-(1-4)-β-D-глюкозамина

Статистический сополимер (1-4)-β-D-глюкозамина и N(триметиламмоний-хлорид)-N-ацетил-(1-4)-β-D-глюкозамина с мольным соотношением сомономерных звеньев 76:24, синтезированный по известной схеме [Е.А. Stepnova, V.E. Tikhonov, Т.А. Babushkina, Т.Р. Klimova, E.V. Vorontsov, V.G. Babak, S.A. Lopatin, I.A. Yamskov. New approach to the quaternization of chitosan and its amphiphilic derivatives. Eur. Polym. J. 2007, vol. 43, pp. 2414-2421], растворяют в 1%-ной водной уксусной кислоте до концентрации 2.5 масс. %. Полученный раствор замораживают при -15°С с одновременным перемешиванием до образования пластичной пастообразной массы, которую помещают в ячейки (внутренний диаметр 10 мм) пластикового культурального 12-луночного планшета (Helicon, РФ), отверждают при той же температуре и лиофилизуют аналогично методике примера 6. Пористые диски полученного сухого криоструктурата помещают в насыщенный раствор полифосфорной кислоты в ацетонитриле, выдерживают 24 ч при комнатной температуре, промывают сначала ацетонитрилом, затем этанолом и сушат в вакуум-эксикаторе над гранулированным едким натром до постоянного веса. Измеряют геометрические размеры и массу образцов, после чего вычисляют их плотность. Найденное значение плотности - 0.028±0.006 г/см³. Размер пор материала (фиг. 7) определяют с помощью оптического микроскопа Eclipse 55i (Nikon, Япония), снабженного системой цифровой записи изображений. Найденные значения сечения макропор - от 80 до 230 мкм. При помещении в 0.1 М Na-фосфатный буферный раствор (рН 8.5) материал впитывает жидкость в количестве 97.3±0.7% от объема образца.

Заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом:

1. Пористый полимерный материал по изобретению имеет плотность ниже 0.05 г/см³, т.е. относится к сверхлегким материалам, вследствие чего обладает повышенной способностью впитывать воду и различные физиологические жидкости.

2. Способ по изобретению более универсален как в отношении типа полисахаридного предшественника, так и в отношении схемы его трансформации. В частности, предлагаемый способ позволяет получать заявляемый полимерный материал как из анионного полисахарида (примеры 1-5), так и из катионного предшественника (примеры 6 и 7), а также придавать целевому материалу водонерастворимость как через трансформацию его ионногенных групп из хорошо диссоциирующей солевой формы в слабо диссоциирующую соль соответствующего полиэлектролита (примеры 1, 3-5 и 7), так и перезарядкой ионогенных групп (примеры 2 и 6). В способах-аналогах предусмотрены варианты получения целевого материала (и придания ему водонерастворимости) на основе либо только анионного, либо только катионного полисахарида.

3. В отличие от аналогов в заявляемом техническом решении не используются высокотоксичные сшивающие реагенты.

Технический результат - создание новых, основанных на биосовместимых ионных полисахаридах, сверхлегких макропористых материалов, обладающих способностью впитывать не менее 95% воды или физиологических жидкостей в расчете на общий объем материала.

Наиболее эффективно заявляемые макропористые полимерные материалы сверхнизкой плотности, получаемые из ионных полисахаридов, могут быть использованы в биомедицинской практике (абсорбенты биологических жидкостей, покрытия на раны и ожоги, дренажные губки, системы направленной доставки лекарств), а также в биотехнологии (очистка различных жидкостей от нежелательных, в том числе и токсичных, примесей).

Claims

1. Основанный на ионном полисахариде пористый полимерный материал, отличающийся тем, что он обладает плотностью не выше 0.05 г/см³ и способен впитывать не менее 95% воды или физиологических жидкостей в расчете на общий объем материала, а в качестве его полисахаридного предшественника используют анионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к альгинатам, пектинам, каррагинанам, хондроитинсульфатам, или катионный полисахарид, выбранный из группы биополимеров, относящихся к хитозану и его производным.

2. Способ получения полимерного материала по п.1 с помощью приемов криоструктурирования, включающий приготовление 1-5%-ного водного раствора ионного полисахарида, замораживание этого раствора при -10…-40°С с одновременным перемешиванием до получения пастообразной пластичной массы, помещение ее в заранее охлажденную форму, выдерживание при -10…-40°С до отверждения и последующее удаление замороженного растворителя лиофилизацией и переведение полимерного материала в водонерастворимую форму.