Файл: Оглавление Введение 3 Глава Характеристика биоразлагаемых полиэфиров 5 Глава Методы получения полигидроксибутирата и поликапролактона 9 Заключение 13 Список литературы 15 Введение Актуальность.docx

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ПОЛИ-3-ГИДРОКСИБУТИРАТА И ПОЛИ-ɛ-КАПРОЛАКТОНА

Оглавление

Введение

Актуальность. Биодеградируемые полиэфиры (полилактид, полигликолид, поли-ε-капролактон, полигидроксиалканоаты), сочетают в себе преимущества природных и синтетических полимеров. Обладая биосовместимостью и биодеградабельностью, свойственным биополимерам, они, как и многотоннажные синтетические полимеры, термопластичны и способны к переработке в изделия, как из расплава, так и из раствора.

Существует два основных направления разработок в области биоразлагаемых полимеров: создание экологичных форм упаковочных материалов и получение биосовместимых материалов для новейших медицинских технологий. Работы последних десятилетий, направлены на создание нового поколения изделий медицинского назначения: рассасывающихся шовных нитей, раневых покрытий, дифференцированных в зависимости от типа раны и фазы раневого процесса, 3d-матриц для тканевой инженерии, полимерных имплантатов, систем контролируемого выделения лекарственных соединений.

Полиэфир микробиологического происхождения поли-3-гидроксибутират (ПГБ) и наиболее доступный из синтетических биодеградируемых полиэфиров поли-ε-капролактон (ПКЛ) биосовместимы, они длительно сохраняют эксплуатационные свойства, но способны деструктировать в природных условиях и в живых организмах до естественных метаболитов. Это создает возможность для разработки на их основе материалов, контактирующих с живыми тканями, однако каждая конкретная область использования требует от полимерного изделия заданного комплекса свойств. Создание композитов биодеградируемых полимеров значительно расширяет возможности применения полимерных систем на основе ПГБ и ПКЛ.

Высокая актуальность исследования полимерных композиций ПГБ и ПКЛ как основы для разработки биодеградируемых материалов медикобиологического назначения определяется их доступностью, способностью к ферментативной гидролитической деструкции в живых организмах, отличными пленкообразующими свойствами, наличием общих растворителей, что позволит путем варьирования состава получить материалы с заданной структурой и эксплуатационными характеристиками.

Цель работы заключалась в разработке композиционных пленок медикобиологического назначения на основе биодеградируемых полимеров ПГБ и ПКЛ.

Глава 1. Характеристика биоразлагаемых полиэфиров

Мировая промышленность в настоящее время это огромная энергоемкая система, которая потребляет не возобновляемые ресурсы, миллионами тонн вырабатывает побочные продукты, которые необходимо утилизировать или разрабатывать сопутствующие производства для их превращения в востребованный продукт.

Объем производства пластиков за последние семь лет вырос с 140 до 300 млн. тонн в год [1,2]. В передовых странах объем полимерных материалов подвергаемых вторичной переработке достигает 20%, а значит более 80% производимых полимерных материалов, через несколько месяцев переходит в разряд отходов, устойчивых к воздействию природный среды. В сложившейся ситуации, биополимеры представляются истинными «материалами будущего», вестниками нового времени, шагом к новому миру, где человечество не паразитирует на планете, а существует в гармонии с природой. Биополимеры сходные по свойствам с традиционными полимерами и вместе с тем подверженные биодеградации, не будут десятилетиями лежать на свалках, выделяя токсичные продукты распада [2,3].

Существует несколько основных направлений развития технологии биополимеров. В первую очередь, это упаковочные материалы. Второе направление развития биополимеров – получение биосовместимых и биодеградируемых материалов для новейших медицинских технологий.

Природные полимеры, помимо высокой степени биосовместимости с организмом, являются высокоэффективными биостимуляторами, то есть активируют защитные механизмы организма [5]. На их основе разрабатываются такие изделия как, системы контролируемого высвобождения лекарственных соединений, шовные нити, эндопротезы, раневые повязки, матриксы для тканевой инженерии и т.д. [6]. Эти изделия находят применение в хирургии, косметологии, травматологии, стоматологии, онкологии и во многих других отраслях медицины. Полимеры этого типа используют и в фармакологии для создания лекарств пролонгированного действия. С каждым годом ассортимент таких изделий все более расширяется. Область применения биодеградируемых материалов определяет направление разработок полимеров с нужным комплексом свойств [6].

Для замены традиционных «нефтяных» пластиков требуются материалы, отвечающие следующим требованиям: низкая стоимость, термопластичность, растворимость, биодеградируемость, биосовместимость и возобновляемость [2]. Биодеградируемость – способность к деструкции под воздействием факторов природной среды или среды живого организма. Биосовместимость – это родственность тканям и жидкостям живого организма, человека или животного. При контакте с тканями не происходит, отторжения, токсикации и других побочных эффектов [2].

По происхождению и источнику получения биодеградируемые полимеры могут быть природного происхождения или синтетическими, рисунок 1.



Рисунок 1 – Природные и синтетические биоразлагаемые полимеры [7]

Наиболее распространенные биодеградируемые полиэфиры, используемые в биомедицинских целях – это полилактид, полигликолид, сополимеры на основе лактида и гликолида, а также полигидроксиалканоаты, прежде всего полигидроксибутират [7].

Полилактид, полигликолид, поли-ε-капролактон – являются продуктами полимеризации лактонов внутренних циклическихсложных эфировгидроксикислот, содержащие в кольце группу -C(O)O-.

Полигликолид (-OCH₂CO-)_n - сложный линейный эфир; кристаллическое вещество белого цвета; плотность 1,707 г/см³ (25 ⁰С), t_пл=230 ⁰С. ПГ нетоксичен; относительно гидролитически устойчив в слабокислых и слабоосновных средах (в организме гидролизуется с постоянной скоростью); легко образует из расплава волокна, имеющие прочность до 550 Мн/м² и относительное удлинение 15-20%. В промышленности полигликолид получают катионной полимеризацией гликолида. Полигликолид применяют для изготовления хирургических рассасывающихся нитей (Дексон). Время полного рассасывания нитей из полигликолида четыре месяца. ПГ, разлагаясь до CO₂ и H₂O, полностью выводится из организма с мочой и выдыхаемым воздухом [7].

Полилактид - [полидилактид, поли (3,6-диметил-1,4-ди-оксан-2,5-дион)] [OCH(CH₃)C(O)-]_n. В промышленности производят оптически активный полилактид - кристаллический непрозрачный бесцветный полимеризотактической структуры; степень кристалличности 30-80% в зависимости от условий получения; Т стеклования 60⁰C, Т пл. 190-195⁰C; плотность кристалличной и аморфной фаз 1,290 и 1,248 г/см³ соотв.; ∆Н˚пл. 93 Дж/г. Термоокислительная деструкция полилактида начинается при 240-250

---

⁰C. В водеи водных растворах щелочейи кислот - медленно гидролизуется до молочной кислоты. Полилактид нетоксичен; в тканяхживого организмаподвергается биодеструкции с образованием нетоксичных продуктов. Полилактид получают как синтетическим способом, так и ферментативным брожением декстрозы, сахара или мальтозы, которые являются возобновляемым сырьем биологического происхождения. В промышленности полилактид получают полимеризациейоптически активного лактидав растворе [7].

Глава 2. Методы получения полигидроксибутирата и поликапролактона

Классическим методом получения полигидроксиалканоатов, и ПГБ в частности, является синтез полимера микроорганизмами-продуцентами. ПГБ служит источником питательных веществ [5], а также формирует защитную пленку и способствует сохранению жизнеспособности бактерий в условиях низких температур [12].

В настоящее время, рост объема производства микробиологических полиэфиров ограничен высокой стоимостью процесса синтеза и очистки.

Типичным прекурсором для микробиологического синтеза ПГБ являются глюкоза, сахароза и крахмал. Однако, во многих странах мира ведутся широкомасштабные разработки, имеющие своей целью культивацию микробиологических полиэфиров с применением в качестве питательной среды стоков и отходов различных процессов пищевого производства, а также других альтернативных источников углерода [15].

Ограничивающим фактором применения полигидроксибутирата, является высокая стоимость. На первый план выходит вопрос разработки не дорогой технологии получения ПГБ и других ПГА [7]. Объем накопленных знаний и экспериментальных данных позволяет вести полномасштабные разработки технологических процессов с использованием известных штаммов и на основе различных прекурсоров.

Весьма эффективным оказалось использование для синтеза ПГБ биореактора эрлифтного типа. Такие реакторы применяются для промышленного культивирования клеток в суспензии, он имеет внутренний контур циркуляции смеси и обеспечивает высокую интенсивность перемешивания и массопередачу кислорода. В качестве продуцента использовали Burkholderia sacchari источником углерода выступала сахароза. Процесс проходил в две стадии, на первой стадии накопление ПГБ составляет 13%, на второй уже 42%.

Максимальная производительность ПГБ – 1.7 г/л*ч, выход из сахарозы – 0,22г/г.

---

Беспрецедентный, высокорентабельный процесс непрерывного производства ПГБ был разработан в России. Непрерывный процесс включает в себя, многоступенчатую систему, состоящую из пяти непрерывных реакторов с мешалкой в серии (5-SCR), которую можно рассматривать как инженерную замену трубчатого реактора идеального вытеснения. В первом реакторе идет сбалансированный рост бактерий, в последующих реакторах, в среде пониженного содержания азота идет процесс накопления ПГБ.

Производительность линии составляет - 1.85 г/л*ч. В качестве штамма продуцента был использован Cupriavidus Necator.

Поликапролактон является синтетическим полиэфиром. Существуют два основных пути получения ПКЛ, это поликонденсация 6-гидроксигексановой кислоты и полимеризация с раскрытием цикла капролактона. Реакция поликонденсации проводится под вакуумом, который создается для удаления воды, выделяющейся в ходе реакции, что позволяет сместить равновесие в сторону получения полимера. Реакция проходит в отсутствии катализатора при возрастающей температуре от 80 до 150 °С, и завершается за 6 часов. Также в литературе описана реакция поликонденсации в присутствии липазы различных грибов в вакууме. Однако этот метод имеет ряд недостатков и не так распространен, как полимеризация капролактона [8].

В зависимости от катализатора существуют четыре основных механизма полимеризации циклов: анионный, катионный, мономер-активация и координация-вставка.

( 2)

Анионный механизм подразумевает образование анионных комплексов, которые раскрываются:

(Основным недостатком данного метода является значительная внутримолекулярная переэтерификация, на более поздних стадиях полимеризации. Это приводит к снижению молекулярной массы полимера, остановке полимеризации или получению циклических полимеров [3].

Катионный механизм заключается в формировании радикала катионного вида, который в последствии атакует кислород карбоксильной группы мономера посредством реакции нуклеофильного бимолекулярного замещения:





Активация мономера, предполагает активацию молекулы мономера с помощью катализатора и последующим присоединением активированного мономера к концу полимерной цепи:

---

Координация-вставка – наиболее распространенный вид полимеризации циклов, на самом деле является частным случаем анионного механизма. Процесс подразумевает ориентацию мономера и катализатора с последующим образованием связи металл-кислород между катализатором и молекулой мономера. Дальнейший рост цепи происходит за счет присоединения к металлу связи С-О:

В процессе полимеризации, благодаря присутствию катализатора может возникнуть реакция переэтерификации, которая бывает, как межмолекулярная, так и внутримолекулярная. Как правило, эти реакции начинаются на поздних стадиях реакции полимеризации в условиях высоких температур. Это приводит к росту полидисперсности и потери контроля над процессом [8].

Конечная молекулярная масса полимера, молекулярно-массовое распределение и наличие функциональных групп могут варьироваться в зависимости от механизма полимеризации [8]. Как правило, ПКЛ получают с молекулярной массой от 3 000 до 80 000 [5].

Заключение

Получение и исследование свойств полимерных пленок на основе поли-3-гидроксибутирата (PHB) и поли-ɛ-капролактона (PCL) является важной темой в науке о полимерах. При общем изучении вопроса становится ясно, что эти полимерные пленки обладают рядом уникальных свойств, делающих их привлекательными для многих промышленных и медицинских применений.

PHB и PCL оба являются биоразлагаемыми полимерами. PHB производится микроорганизмами в процессе биосинтеза, и он полностью биоразлагается до воды и углекислого газа под воздействием других микроорганизмов. PCL также является биоразлагаемым полимером и может быть разлагаем под воздействием воды, причем процесс это более замедленный по сравнению с PHB.

PHB и PCL обладают уникальными свойствами, которые могут быть использованы для создания полимерных пленок с заданными характеристиками. PHB, например, обладает высокой степенью кристалличности и твердости, а также хорошей барьерной способностью к кислороду, но он хрупок и имеет тенденцию к старению при хранении. PCL, с другой стороны, является аморфным, гибким и прочным полимером, но имеет более низкую барьерную способность к кислороду.

Благодаря методам сополимеризации и блендинга, можно сочетать эти два полимера для создания полимерных пленок с заданными свойствами. При смешивании PHB и PCL возможно получить полимерные пленки, которые сочетают в себе преимущества обоих полимеров, включая высокую кристалличность и барьерную способность к кислороду PHB и гибкость и прочность PCL.

---

При изучении вопроса о получении и свойствах полимерных пленок на основе PHB и PCL становится ясно, что эти материалы обладают большим потенциалом для многих применений. В частности, их биоразлагаемость и биосовместимость делают их привлекательными для применения в медицинских материалах и упаковке пищевых продуктов. Кроме того, возможность изменять свойства полимерных пленок путем сополимеризации или блендинга позволяет настраивать материалы для конкретных приложений.

Несмотря на значительный прогресс в исследовании PHB и PCL, многие вопросы остаются открытыми. В частности, необходимы дальнейшие исследования по оптимизации процессов получения полимерных пленок и улучшению их свойств. Кроме того, требуется больше исследований по применению этих материалов в различных областях, включая медицину и упаковку пищевых продуктов.

В целом, получение и исследование свойств полимерных пленок на основе PHB и PCL представляет собой важную и перспективную область исследований. С учетом возрастающего спроса на биоразлагаемые материалы эти полимеры могут играть ключевую роль в устойчивом развитии промышленности и общества.

Список литературы

1. 
   Волова, Т.Г. Cовременные биоматериалы:мировые тренды, место и роль микробных полигидроксиалканоатов /Т.Г. Волова // Журнал сибирского федерального университета. Биология, ч. 2. -2014.- т. 7.- С. 103-133.
   
2. 
   Волова, Т.Г. Полиоксиалканоаты – биоразрушаемые полимеры для медицины / Т.Г. Волова, В.И. Севастьянов, Е.И. Шишацкая – Красноярск: Группа компаний «Платина», 2006– 288 с.
   
3. 
   Кильдеева, Н.Р. Биодеградируемые полимеры и их использование в медицине.
   
4. 
   Конспект лекций: учебное пособие/ Н.Р. Кильдеева, М.А. Бычук – М.:МГУДТ, 2014.- 67с.
   
5. 
   Тертышная, Ю.В.Деструкция поли-3-гидроксибутирата и смесей на его основе под действием ультрафиолета и воды/ Ю.В. Тертышная, Л.С. Шибряева//Высокомолекулярные соединения. – 2013. – Т. 55. – №. 3. – С. 363.-100.
   
6. 
   Жила, Н.О.Деградация пленок из полигидроксиалканоатов в солоноватоводном озере Шира/ Н.О. Жила, С.В. Прудникова, Е.С. Задереев и др.// Журнал Сибирского федерального университета. Биология. – 2012.- №5(2).- С. 210-215.
   
7. 
   Смирнова Т.Н. Биодизель – альтернативное топливо для дизелей / Смирнова Т.Н., Подгаецкий В.М. // Двигатель. – 2007. – №.1. – С. 32-36.
   
8. 
   Липатова Т.Э., Пхакадзе Г.А. Применение полимеров в хирургии. Киев: Наук. Думка. -1977.-132с.
   
9. 
   Штильман, М.И. Полимеры медико-биологического назначения / Штильман М.И. - М.:ИКЦ «Академкнига»,2006. - 426c.
   
10. 
    Волова Т.Г. Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии: Электрон. учеб. пособие / Т. Г. Волова, Е. И. Шишацкая, П. В. Миронов. – Электрон. дан. (6 Мб). Красноярск: ИПК СФУ. -2009.
    
11. 
    Марычев С.Н. Полимеры в медицине: учебное пособие / С.Н. Марычев, Б.А. Калинин. - Владимир: Владим. гос. ун-т., 2001. -68с.
    
12. 
    Севастьянов, В.И. Новое поколение материалов медицинского назначения /
    
13. 
    Севастьянов В. И. // Перспективные материалы. – 1997. – Т.4. – С. 56-60.
    
14. 
    Лившиц, В.А. Микросферы из полигидроксибутирата для пролонгированного высвобождения лекарственных веществ / В.А. Лившиц, А.П. Бонарцев, А.Л. Иорданский и др. // Высокомолекулярные соединения, Серия А.- 2009.- Т.51.- №7.- С. 1–9
    
15. 
    Косенко, Р.Ю. Контролируемое высвобождение антисептика из мембран на основе поли(3-гидроксибутирата): сочетание диффузного и кинетического механизмов / Р.Ю. Косенко, А.Л. Иорданский, В.С. Маркин и др. // Химикофармацевтический журнал.- 2007.- Т.41.- №12.- С. 1-9.
    
16. 
    Иванцова, Е.Л. Структура и пролонгированный транспорт в системе биодеградируемый поли(3-гидроксибутират)-лекарственное вещество / Е.Л. Иванцова, Р.Ю. Косенко, А.Л. Иорданский и др. // Высокомолекулярные соединения. – 2012. – Т.54. – №.2. –С.215.
    

---