ПОЛУЧЕНИЕ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ХИТОЗАНА Bombyx mori

АННОТАЦИЯ

Получены трехкомпонентные интерполиэлектролитные комплексы на основе хитозана Bombyx mori, определены их составы и гидродинамические размеры. Установлено, что при рН = 6,3 бинарные комплексы хитозан/коллаген взаимодействуют с натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы при массовом соотношении 1:0,2:0,65. При этом соотношении поверхностный слой комплекса имеет нулевой заряд (Q₀). Гидродинамические размеры частиц трехкомпонентных комплексов варьировались от 136 до 243 нм. Полученные результаты представляют интерес при получении препаратов медицинского назначения.

ABSTRACT

Three-component interpolyelectrolyte complexes based on chitosan Bombyx mori were obtained, their compositions and hydrodynamic dimensions were revealed. It has been established that at pH=6.3 binary complexes of chitosan/collagen interact with the sodium salt of carboxymethylcellulose at a weight ratio of 1:0.2:0.65. At this ratio, the surface layer of the complex has a zero charge (Q₀). The hydrodynamic particle sizes of the ternary complexes varied from 136 to 243 nm. The results obtained are of interest in obtaining medical preparations.

Ключевые слова: хитозан Bombyx mori, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, коллаген, трехкомпонентные интерполиэлектролитные комплексы, индекс полидисперсности, коэффициент диффузии, гидродинамический размер частиц

Keywords: chitosan Bombyx mori, sodium salt of carboxymethyl cellulose, collagen, three-component interpolyelectrolyte complexes, polydispersity index, diffusion coefficient, hydrodynamic particle size

Введение

В последние годы наблюдается увеличение спроса на новые материалы на основе полиэлектролитных комплексов (ПЭК), которые представляют особый класс полимеров, образующихся в результате кооперативных обратимых реакций взаимодействия противоположно заряженных макроионов [2; 13].

Биоразлагаемые полимерные мембраны карбоксиметилхитозан/КМЦ/коллаген (40/40/20, 35/35/30, 25/25/50) были предложены в качестве физических барьеров для предотвращения спаек брюшины [12], биоматериалы на основе ХЗ/коллаген/гидроксиапатит применялись для инженерии и регенерации костной ткани [6; 11; 10]. Исследована возможность применения мембран ХЗ/коллаген/желатин в тканевой инженерии [7; 8], а комплексы на основе ХЗ/коллаген/КМЦ эффективно улучшали заживление и регенерацию кожи [9]. Авторами предложен комплекс коллагена/ХЗ/глицерина/гидроксипропилметилцеллюлозы в качестве искусственной роговицы [14].

Трехмерные (3D) каркасы, содержащие ХЗ/коллаген/L-аргинин, L-глутаминовую кислоту, L-лизин, недавно появились в качестве функциональных биоматериалов для тканевой инженерии и заживления ран, в которых проявляют отсутствие токсичности, механическую стабильность, хорошую биосовместимость и биоразложение в отличие от синтетических аналогов [8].

Таким образом, получение и изучение фундаментальных основ бинарных и трехкомпонентных комплексов на основе полиэлектролитов способствуют созданию нетоксичных, биосовместимых и биоразлагаемых препаратов медицинского назначения.

Целью разработки явдляется получение трехкомпонентных комплексов, и изучение их свойств представляет фундаментально-прикладной интерес.

Методы и материалы. Кондуктометрическое титрование осуществляли на приборе Mettler-Toledo AG, Analytical CH-8603 (Schwerzenbach, Switzerland).

Гидродинамические параметры определяли на приборе Litesizer 100 (AntonPaarGmbH, Австрия), расчет параметров осуществляли по уравнению Эйнштейна–Стокса.

Динамическую вязкость растворов хитозана, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) и коллагена, а также интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК) на их основе изучали на ротационном вискозиметре HAAKE Viskotester 2 plus.

ХЗ Bombyx mori получен согласно [3]. Молекулярная масса составляет 198×10³, а степень деацетилирования – 85%. Na-КМЦ очищена от низкомолекулярных солей, молекулярная масса равна 40×10³, и степень замещения – 70% [5]. Коллаген выделен из кожи крупного рогатого скота и предварительно очищен от низкомолекулярных солей методом мембранного диализа [4; 1]. Степень очистки составляет 90%.

Результаты и их обсуждение

Получены нестехиометрические ИПЭК ХЗ/коллаген (Q₊) следующим образом: в 20 мл 5·10^–3 М раствора XЗ в ацетатном буфере с рН = 6,3 при интенсивном перемешивании добавляли каплями по 15 мкл 3,22 мл 0,05 масс.% раствор коллагена. Установлено, что при соотношении ХЗ/коллаген=1:0,1 масс. образуется нестехиометрический ПЭК (Q₊) ХЗ/коллаген. Затем раствор ХЗ/коллаген титровали 5·10^–3 М раствором Na-КМЦ.

Рисунок 1. Влияние Na-КМЦ на электропроводимость раствора ХЗ/коллаген (Q₊): 1) ХЗ/коллаген = 1:0,1 масс.; 2) ХЗ/коллаген = 1:0,2 масс.; 3) ХЗ/коллаген = 1:0,3 масс.

Выявлено, что при данном соотношении образуется трехкомпонентный комплекс ХЗ/коллаген/Na-КМЦ=1:0,1:0,54 масс., в котором положительный заряд ИПЭК ХЗ/коллаген=1:0,1 масс. полностью компенсируется отрицательно заряженными функциональными группами Na-КМЦ (Q₀) (рис. 1 линия 1).

Комплексы ХЗ/коллаген/Na-КМЦ с регулируемым зарядом поверхностного слоя получены по следующей схеме:

1) при рН = 6,3 в 20 мл 5·10^–3 М раствор XЗ в ацетатном буфере довабляли каплями по 15 мкл 6,44 мл 0,05 масс.% раствор коллагена при интенсивном перемешивании в течение 10 мин. Затем полученный раствор ХЗ/коллаген=1:0,2 масс. (Q₊) титровали с раствором Na-КМЦ (5·10^–3 М). По результатам электропроводимости выявлено, что для полного взаимодействия ИПЭК ХЗ/коллаген=1:0,2 масс. понадобится 0,65 масс. Na-КМЦ (рис. 1 линия 2). Согласно результатам исследований, в выбранных условиях образуется трехкомпонентный комплекс – ХЗ/коллаген/Na-КМЦ=1:0,2:0,65 масс., суммарный заряд поверхностного слоя, которого равен нулю (Q₀).

2) при рН = 6,3 в 20 мл 5·10^–3 М раствор XЗ в ацетатном буфере добавляли каплями по 15 мкл 9,66 мл 0,05 масс.% раствор коллагена при интенсивном перемешивании в течение 10 мин. Затем полученный раствор ХЗ/коллаген=1:0,3 масс. (Q₊) титровали с раствором Na-КМЦ (5·10^–3 М).

Обнаружено, что при титровании раствора ХЗ/коллаген/Na-КМЦ=1:0,3:0,75 масс. поверхностный слой трехкомпонентного комплекса имеет отрицательный заряд (Q_-) (рис. 1 линия 3).

Гидродинамические параметры и динамическая вязкость трехкомпонентных комплексов ХЗ/коллаген/Na-КМЦ

Гидродинамические характеристики ИПЭК ХЗ/коллаген/Na-КМЦ

Для полученных трехкомпонентных ИПЭК ХЗ/коллаген/Na-КМЦ изучены их гидродинамические параметры (табл. 1).

Таблица 1.

Зависимость некоторых гидродинамических параметров и динамической вязкости от состава ИПЭК: растворитель – ацетатный буфер, рН = 6,3

Следует отметить, что индексы полидисперсности (ИП) хитозана, коллагена и Na-КМЦ близки друг к другу, т.е. составляют 0,342, 0,341 и 0,320 соответственно. При получении стехиометрических и нестехиометрических ИПЭК ХЗ/коллаген ИП незначительно снижаются, при этом сохраняется унимодальный характер распределения частиц. Одним из важнейших параметров ИПЭК является коэффициент диффузии его частиц, значение которого обратно пропорционально гидродинамическому радиусу частиц.

Результаты измерений гидродинамических параметров исходных полиэлектролитов и полученных ИПЭК на их основе показывают, что при формировании бинарных и трехкомпонентных полиэлектролитных комплексов диаметр частиц уменьшается в 2 и 10 раз соответственно, по сравнению с исходными макромолекулами. Согласно уравнению Эйнштейна, молекулярная диффузия характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии – D, который определяют из уравнения:

,                                                                           (1)

где Т – абсолютная температура;

η – вязкость раствора;

r – радиус диффундирующих частиц;

k – постоянная Больцмана.

Данные показывают, что диаметр частиц обратно пропорционален коэффициенту диффузии. При стехиометрических соотношениях комплексов диаметр частиц увеличивается, что соответственно затрудняет их диффузию и приводит к фазовому разделению раствора (табл. 1, примеры № 5 и 9).

Определены динамические вязкости исходных полиэлектролитов, а также бинарных и трехкомпонентных ИПЭК на их основе. Следует отметить, что при формировании бинарных ИПЭК введение незначительного количества коллагена в раствор, содержащий ХЗ, приводит к экстремальному (в 5–6 раз) снижению динамической вязкости раствора. Однако при получении трехкомпонентных ИПЭК наблюдается постепенное увеличение динамической вязкости. Возможно, причиной этого является переход макромолекулы коллагена из глобулярного в линейное состояние при взаимодействии с хитозаном линейного строения.

При добавлении Na-КМЦ к бинарному комплексу ХЗ/коллаген происходит взаимодействие функциональных групп коллагена (-NH₃⁺) и -СОО^- групп Na-КМЦ, и макромолекула коллагена располагается между двумя линейными макромолекулами полисахаридов. Поэтому, как отмечалось выше, в комплексах ХЗ/коллаген/Na-КМЦ не наблюдается снижения динамической вязкости с изменением содержания компонентов – хитозана, коллагена и Na-КМЦ. Видно, что в стехиометрических соотношениях ХЗ/коллаген=1:0,2 и ХЗ/коллаген/Na-КМЦ=1:0,3:0,75 масс. значения динамической вязкости равны 19 и 96 дПа·с, что больше, чем при других соотношениях ИПЭК.

Заключение

Таким образом, нами получены трехкомпонентные ИПЭК ХЗ/коллаген/Na-КМЦ при варьировании массового соотношения компонентов. Установлено, что при массовом соотношении ХЗ/коллаген/Na-КМЦ=1:0,2:0,65 функциональные группы макромолекул коллагена максимально взаимодействуют с отрицательно заряженными функциональными группами Na-КМЦ посредством электростатического взаимодействия и Н-Н связями (Q₀).

Выявлены гидродинамические диаметры, коэффициенты диффузии и индексы полидисперсности исходных макромолекул, бинарных и трехкомпонентных ИПЭК в растворах. Обнаружено, что в выбранных условиях синтеза во всех соотношениях формируются частицы в диапазоне размера от 136 до 243 нм, а распределение частиц в растворах имеет унимодальный характер. Полученные фундаментальные результаты представляют интерес в применении полученных комплексов в медицинской практике.

Список литературы:

1. Белки. Методические указания к лабораторному практикуму по дисциплине «Биохимия» / О.Н. Макасеева, О.В. Дудинская, Л.М. Ткаченко. – Могилев : МГУП, 2003. – 37 с.
2. Краюхина М.А., Самойлова Н.А., Ямсков И.А. Полиэлектролитные комплексы хитозана: формирование, свойства и применение // Успехи химии. – 2008. – № 77 (9). – С. 854–869.
3. Рашидова С.Ш., Милушева Р.Ю. Хитин и хитозан Bombyx mori: синтез, свойства и применение. – Ташкент : Фан, 2009. – 246 с.
4. Темирова М.И., Қодиров Т.Ж. Чарм ва мўйна технологияси. – Тошкент : Турон – Иқбол, 2005. – 255 б.
5. ТУ 2231-002-50277563-2000 Натрий карбоксиметилцеллюлоза техническая. – Пермь : ЗАО «КАРБОКАМ-Пермь», 2000. – 24 с.
6. A Composite Chitosan-Reinforced Scaffold Fails to Provide Osteochondral Regeneration / A. Roffi, E. Kon, F. Perdisa, M. Fini [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2019. – № 20 (9). – P. 1–14.
7. C3A Cell Behaviors on Micropatterned Chitosan-Collagen-Gelatin Membranes / B.-Y. Yu, P.-H. Chou, C.-A. Chen, Y.-M. Sun [et al.] // Journal of Biomaterials Applications. – 2007. – № 22 (3). – P. 255–274.
8. L-Arginine intercedes bio-crosslinking of a collagen–chitosan 3D-hybrid scaffold for tissue engineering and regeneration: in silico, in vitro, and in vivo studies / S. Udhayakumar, K.G. Shankar, S. Sowndarya, S. Venkatesh [et al.] // Royal Society of Chemistry. – 2017. – № 7. – P. 25070–25088.
9. Mesenchymal stem cells associated with chitosan scaffolds loaded with rosuvastatin to improve wound healing / A. Maged, A.A. Abdelkhalek, A.A. Mahmoud, S. Salah [et al.] // European Journal of Pharmaceutical Sciences. – 2019. – № 127. – P. 185–198.
10. New injectable two-step forming hydrogel for delivery of bioactive substances in tissue regeneration / E. Pérez-Herrero, P. García-García, J. Gómez-Morales, M. Llabrés [et al.] // Regenerative Biomaterials. – 2019. – P. 149–162.
11. Synthesis and Characterization of Nano-Hidroxyapatite/Chitosan/ Carboxymethyl Cellulose Composite Scaffold / Aminatun, M.H. Ibrahim, J. Ady, D. Hikmawati [et al.] // Journal of International Dental and Medical Research. – 2019. – Vol. 12, № 1. – P. 31–37.
12. Transglutaminase-catalyzed preparation of crosslinked carboxymethyl chitosan/carboxymethyl cellulose/collagen composite membrane for postsurgical peritoneal adhesion prevention / X. Cai, Sh. Hu, B. Yu, Y. Cai [et al.] // Carbohydrate Polymers. – 2018. – № 201. – P. 201–210.
13. Using fractal analysis to describe collagen-chitosan matrices / S. Viorica, O. Mihaela, F.S. Manuela, M. Rusu // Analele Universitătii din Bucureşti. – 2008. – № 2. – P. 47–51.
14. Widiyanti P., Prastyani R. Collagen-Chitosan-Glycerol-HPMC Composite as Cornea Artificial Candidate // Journal of Biomimetics, Biomaterials and Biomedical Engineering. – 2019. – № 42. – P. 14–21.