Chitosan solutions and films properties obtained using electromagnetic-activated water

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Наибольшее распространение пленки хитозана получили в качестве биоразлагаемых упаковочных материалов, а также в медицине (раневые покрытия, подложка для выращивания клеток, покрытия на протезы и др.). Однако крупномасштабное применение хитозана сдерживается недостаточно хорошими физико-механическими свойствами чистых хитозановых пленок. В частности, они имеют недостаточную прочность, эластичность, высокую растворимость в водных средах. В настоящее время ведутся исследования, посвященные увеличению прочности пленок хитозана, большинство из которых связаны с внесением в готовые пленки или формовочный раствор дополнительных компонентов [1-5], что часто приводит к повышению стоимости пленок.

При получении полимерного материала основными технологическими характеристиками являются степень набухания, критическая концентрация гелеобразования, вязкость и поверхностное натяжение растворов ВМС. Большинство способов регулирования данных параметров относятся к химическим (изменение степени замещения при синтезе, кислотности среды и содержания электролитов) и физическим (ультразвук, степень механической деструкции сырья) [6-8].

Достижение требуемых технологических характеристик путем использования в качестве растворителя облученной электромагнитным полем (ЭМП) воды может существенно сократить себестоимость продукта как за счет исключения применения химических реактивов, так и за счет снижения энергетических затрат. Проведенные ранее эксперименты показали, что обработка воды ЭМП радиочастотного диапазона (30-200 МГц) приводит к изменению ее свойств. Повышается удельная электропроводность и поверхностное натяжение, теплота испарения, изменяется кислотность среды, снижается ее смачивающая способность [9-11]. Увеличение поверхностного натяжения, теплоты испарения и работы когезии свидетельствует об изменении структуры воды, а именно – о ее упрочнении. Изменение структуры водной среды не может не сказаться на взаимодействии ее молекул с молекулами или ионами растворенных в ней веществ. В частности, проведенные ранее исследования показали, что при использовании в качестве растворителя структурированной ЭМП воды наблюдается повышение вязкости растворов таких биополимеров, как желатин, агар-агар, цитрусовый пектин, карбоксиметилцеллюлоза и ее натриевая соль [12-14]. Кроме того, установлено, что в данных растворах золь-гель переходы происходят при более низких концентрациях полимера и более высоких температурах. Используя активированную ЭМП воду, можно влиять на скорость и степень набухания в ней различных биополимеров [15-16].

Исходя из ранее полученных данных, можно было предположить, что изменение сольватирующей способности активированной воды приведет к изменению структуры растворов хитозана, а следовательно, структуры и свойств пленок данного биополимера. Получение таких пленок и исследование их свойств явилось целью данной работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Методы изучения свойств растворов и пленок хитозана

Для получения растворов хитозана, из которых затем изготавливали пленки, использовали деионизованную воду, удельная электропроводность которой составляла 1.1·10^-4 См/м, уксусную кислоту марки х.ч. и хитозан производства ЗАО «Вектон» (г. Санкт-Петербург). Растворимость хитозана, а также свойства получаемых из его растворов пленок зависят от молекулярной массы и степени его деацетилирования. Молярную массу полимера определяли вискозиметрическим методом из линейной формы уравнения Марка-Хаувинка [17]. Для растворов хитозана при малых концентрациях коэффициент α, определяющий форму макромолекул в растворе, равен 0,85, а константа К = 1,38·10^-4 [18]. Согласно расчетам, средняя молярная масса хитозана составила 3,4·10⁴ г/моль. Степень деацетилирования, найденная методом потенциометрического титрования [19], составила 84,8 %. Хитозан нерастворим в воде, поэтому в качестве растворителя используют растворы кислот, в частности, уксусной. Предварительные исследования показали, что наиболее прочные пленки можно получить из 2 % раствора хитозана в 2 % растворе уксусной кислоты, что соответствует литературным данным [20].

Активацию воды электромагнитным полем (ЭМП) заданной частоты проводили в течение 3-х часов в ячейке емкостного типа вместимостью 100 см³ с помощью генератора Г3-119 (Россия), позволяющего варьировать частоту поля в интервале 30-200 МГц. Выходная мощность генератора – 1 Вт. Каждая порция воды подвергалась воздействию поля только одной определенной частоты. В результате полевого воздействия повышалась электропроводность воды в 2-5 раз, рН – на 0,1-0,5 единиц и поверхностное натяжение – на 5-8 %. Степень изменения свойств воды зависела от частоты ЭМП.

Пленки хитозана получали наливным способом. Для этого 10 мл 2 % уксуснокислого раствора хитозана помещали в плоские кюветы длиной 15 см и шириной 2,5 см, изготовленные из полистирола. Пленки высушивали до постоянной массы при температуре 296±2 К (5 суток) и отделяли от подложки.

Влажность пленок определяли гравиметрическим методом по разнице массы образца до и после высушивания. Высушивание пленок до постоянной массы проводили в сушильном шкафу при постоянной температуре (50⁰ С).

Определение прочности полимерных пленок проводили на универсальной испытательной машине с электромеханическим приводом УТС-110М по ГОСТ 7855-84. Перед проведением испытаний образцы выдерживали при температуре 296±2 К, относительной влажности 50±5% не менее 16 часов. Образцы имели форму прямоугольника шириной 2,5 см и длиной 15 см [21]. Модуль упругости Е (модуль Юнга) рассчитывали по закону Гука: Е = σ/ε, где σ – механическое напряжение, МПа; ε – относительное удлинение пленок при разрыве, % [22].

Сорбцию паров воды проводили по методике, описанной в [23]. Для этого образец пленки хитозана площадью 4 см² помещали на сетчатую подложку, установленную над уровнем воды на расстоянии 2 см в герметично закрывающейся ёмкости, на 1/5 заполненной деионизированной водой. Пленки выдерживали в парах воды в герметично закрытых сосудах при постоянной температуре. Количество поглощенной пленками воды определяли гравиметрически через равные промежутки времени (30 мин) в течение 6 часов.

Поскольку степень изменения свойств растворов полимеров зависит от частоты ЭМП, то предварительно были определены свойства растворов хитозана различной концентрации, полученных с применением активированной ЭМП различных частот воды. При увеличении концентрации хитозана от 0,1 до 2,0 % наблюдалось увеличение удельной электропроводности (ϰ), рН, относительной вязкости (η), а также снижение светопропускания (Т, %) и поверхностного натяжения (σ) растворов (рис. 1). С увеличением концентрации хитозана электропроводность и рН растворов возрастали. Однако существенных отличий в электропроводности и рН между исследуемыми и контрольными образцами не зафиксировано. Светопропускание растворов с увеличением концентрации резко снижалось. Для растворов, приготовленных с помощью активированной воды, оно имело более высокие значения при С≤0,5 % для частот 70, 90 и 110 МГц. Для f = 130 МГц при С≤1,0 % эффект полевого воздействия был выражен в гораздо большей степени – ΔТ_max = 30,0 % (С=0,5-1,0 %), что может быть связано с разворачиванием клубков полимера и стремлением макромолекул хитозана приобрести линейную форму.

 

Рисунок 1. Зависимость свойств уксуснокислых (2 %) растворов хитозана (1 – контроль; 2 – f = 130 МГц) от концентрации (Т = 296 К): а – удельная электропроводность; б – рН; в – светопропускание; г – относительная вязкость.

 

При увеличении концентрации вязкость растворов резко возрастала. При концентрации хитозана >0,5 % вязкость растворов, приготовленных с использованием активированной воды, превышала вязкость контрольных образцов. Наибольший эффект зафиксирован для частот ЭМП 70, 90, 110 и 130 МГц и концентрации хитозана 1-2 %. Увеличение вязкости растворов составило 24-37%. Данный эффект также обусловлен разворачиванием клубков макромолекул хитозана. Получение более вязких растворов облегчает формирование из них пленок. Как отмечается в [24], при формовании полимерного изделия (пленки, волокна) определяющее действие на технологический процесс и свойства готового материала оказывают силы поверхностного натяжения формовочного раствора. Снижение поверхностного натяжения приводит к улучшению растекания раствора по твердой поверхности, что способствует формированию пленок. От поверхностного натяжения зависят также физико-химические и физико-механические свойства полимерных композиционных материалов [25]. Проведенные исследования показали снижение поверхностного натяжения исследуемых растворов по сравнению с контрольными на 2,0-5,4 %, в наибольшей степени выраженное для частот, приведенных выше.

В таблице 1 приведены свойства 2 % растворов хитозана в 2 % уксусной кислоте, приготовленных с использованием воды, активированной ЭМП различных частот.

 

Таблица 1. Свойства 2 % растворов хитозана в 2 % уксусной кислоте, приготовленных с использованием воды, активированной ЭМП различных частот.

Свойство	Частота, МГц
	контроль	70	90	110	130
ϰ·102, См/м	31,9±0,2	31,7±0,1	31,6±0,1	32,2±0,1	32,2±0,1
рН	3,90±0,01	3,94±0,01	3,93±0,02	3,93±0,02	3,93±0,01
Т,%	18±2	20±3	22±3	19±2	21±1
σ·103, Н/м	56,1±0.3	53,0±0,4	53,8±0,2	53,5 ±0,4	53,7±0,5
ηотн	186±3	251±3	210±2	245±5	242±6

 

Из соответствующих растворов (табл. 1) были приготовлены пленки хитозана по методике, описанной выше. Толщина пленок – 3-4 мкм. Гравиметрическим способом была определена влажность полученных пленок (табл. 2).

 

Таблица 2. Влажность пленок, полученных из 2 % уксуснокислых растворов хитозана.

Влажность, %
контроль	f = 70 МГц	f = 90 МГц	f = 110 МГц	f = 130 МГц
6,3±0,1	6,0±0,1	6,5±0,2	6,3±0,1	6,1±0,3

 

Наблюдались незначительные отличия влажности пленок, приготовленных с использованием активированной воды, как в большую, так и в меньшую сторону по сравнению с контрольными образцами.

ИК-спектры пленок хитозана были получены с помощью спектрофотометра Infralum FT-801.

На ИК-спектре пленки хитозана в области 3700-3400 см^-1 наблюдается широкая полоса, отвечающая валентным колебаниям OH- и NH- связей (рис. 2). Ее положение и ширина свидетельствуют о наличии межмолекулярных водородных связей, образующихся с участием этих функциональных групп. Слабая полоса 3102-3077 соответствует валентным колебаниям NH₃⁺-групп. В области 1700-1500 см^-1 проявляются полосы с максимумами 1536 см^-1 (амид I) и 1399 см^-1 (амид II), относящиеся к ацетилированной аминогруппе и подтверждающие, что образцы хитозана деацетилированы не полностью. Пик с максимумом 1336 см^-1 отвечает деформационному колебанию ОН-связи. Пик при 1256 см^-1 соответствует первичной аминогруппе (NH₂). Между 1056 и 1011 см^-1 наблюдаются широкие полосы поглощения, соответствующие гликозидной связи С-О-С [26, 27].

 

Рисунок 2. ИК-спектр пленки хитозана, полученной из 2 % уксуснокислого раствора хитозана.

 

На рис. 3 представлены ИК-спектры пленок, полученных с использованием неактивированной и активированной ЭМ полем различных частот воды.

 

Рисунок 3. ИК-спектры пленок хитозана, полученных из 2 % уксуснокислых растворов хитозана: 1 – контроль; 2 – активированная вода (70 МГц); 3 – активированная вода (90 МГц); 4 – активированная вода (110 МГц); 5 – активированная вода (130 МГц).

 

В ИК-спектрах пленок хитозана, полученных из растворов, приготовленных на активированной воде, наблюдалось увеличение интенсивности спектральных полос, а также существенное изменение положения и ширины полосы в области свыше 3450 см^-1, что соответствует изменению числа и прочности водородных связей с участием OH- и NH- групп. Следовательно, можно предположить возникновение дополнительных межмолекулярных водородных связей в пленках, полученных с использованием активированной воды. Смещения полос в остальной области спектра не наблюдалось, однако их интенсивность для облученных растворов возрастала, что в наибольшей степени проявлялось для частоты ЭМП, равной 110 МГц (рис. 3). Выявленный эффект, возможно, связан с изменением системы водородных связей хитозана и снятием запретов на колебательные переходы.

Определены прочностные и деформационные свойства пленок хитозана. Результаты представлены в таблице 3.

 

Таблица 3. Влажность пленок, полученных из 2 % уксуснокислых растворов хитозана.

Параметры	Частота, МГц
	контроль	70	90	110	130
Растягивающая нагрузка, Н	32,0±0.5	44,3±0.4	26,8±0.5	39,4±0.6	34,0±0.4
Механическое напряжение, МПа	410±4	567±6	362±4	558±7	471±6
Удлинение пленки при разрыве, мм	0,50±0,02	1,01±0.04	0,41±0,03	0,84±0,07	0,59±0,07
Относительное удлинение пленок при разрыве, %	2,3	3,6	2,00	3,9	2,7
Модуль упругости, МПа	178	159	185	150	176

 

Наблюдалось изменение прочности пленок хитозана, полученных с использованием воды, подвергшейся воздействию электромагнитного поля различных частот. Максимальное увеличение прочности при разрыве происходило в случае, когда вода подвергалась воздействию ЭМП частотой 70 и 110 МГц. Оно составило 38 и 23 %. Установлено также снижение прочности пленок на 12 % при воздействии поля частотой 90 МГц. Удлинение пленок при разрыве также возросло по сравнению с контрольными образцами, что свидетельствует о повышении эластичности исследуемых образцов. Модуль упругости характеризует противодействие полимера изменению размера и формы под действием внешней силы. Судя по полученным значениям, полученные пленки относятся к средним по жесткости (10²˂Е˂10³ МПа) [28]. Для пленок, полученных с использованием воды, активированной ЭМП частотой 70 и 110 МГц, наблюдалось снижение модуля Юнга на 10 и 16 % соответственно, что является следствием увеличения эластичности пленок. Следовательно, такие пленки способны выдерживать большие деформационные нагрузки, без изменения эксплуатационных свойств. Наблюдаемые явления могут быть следствием изменения степени взаимодействия активированной воды с макромолекулами хитозана, что усиливает их взаимодействие между собой. В результате из таких растворов получаются более прочные пленки.

Сорбционная способность пленок непосредственно связана с их физико-механическими свойствами. Показано, что поглощение большого количества жидкости пленками приводит к уменьшению их прочности и может привести к полному растворению пленочного образца. Полное растворение в водных средах наблюдается на третьи сутки. Этого времени недостаточно, например, для формирования костной ткани, для заживления внутренних ран. Также уменьшение прочности пленок, сорбировавших большое количество жидкости, может привести к разрыву культивированной ткани при переносе с подложки на место трансплантации [29, 30].

Была изучена сорбция паров воды пленками хитозана, полученными с использованием активированной электромагнитным полем воды. Поглощая воду, пленки хитозана ограниченно набухают. Равновесная степень набухания устанавливалась в течение 4,5-5 часов. При этом через некоторые промежутки времени (1,5; 2,5 и 4 ч) наблюдалось уменьшение степени набухания, т. е. пленка отдавала часть поглощенной ранее воды (рис. 4). Это явление описано в литературе [31] и объясняется перестройкой макромолекул относительно друг друга в образце набухающего полимера.

 

Рисунок 4. Кинетические кривые набухания пленок хитозана, полученных из 2% уксуснокислых растворов хитозана (Т=296 К): 1 – контроль; 2 – активированная вода: а) 70 МГц); б) 90 МГц; в) 110 МГц); г) 130 МГц.

 

В первые 4 часа отличия в количестве поглощенных паров воды между пленками, полученными из растворов, приготовленных на активированной ЭМП воде, и контрольными образцами были незначительны. При этом максимальная скорость сорбции паров воды, найденная из наклона кинетических кривых, наблюдалась в первые 30 мин (рис. 4) и заметно отличалась для пленок, приготовленных с использованием активированной воды. Минимальная скорость набухания (сорбции паров воды) соответствовала частоте 70 МГц, максимальная – 90 МГц.

Однако при достижении равновесного значения степени набухания наблюдались существенные отличия, по сравнению с контрольными образцами. Масса поглощенных паров воды и, соответственно, степень набухания пленок на активированной ЭМП всех исследованных частот оказались существенно ниже. Максимальное снижение сорбции паров воды соответствовало частоте 70 МГц – 26,6 % (рис. 4, табл. 5).

 

Таблица 4. Начальная скорость сорбции паров воды пленками хитозана (Т = 296 К).

Частота f, МГц	контроль	70	90	110	130
·103, г/мин	5,2±0,1	4,2±0,1	6,1±0,2	5,3±0,3	5,1±0,2

 

Таблица 5. Масса поглощенных паров воды в расчете на 1г пленки хитозана в различные моменты времени и предельная степень их набухания α (Т = 296 К).

Время, ч	Масса воды, поглощенной 1 г пленки хитозана, г
	контроль	f= 70 МГц	f= 90 МГц	f= 110 МГц	f= 130 МГц
1	0,303±0,008	0,254±0,005	0,380±0,008	0,316±0,004	0,318±0,009
6	0,452±0,007	0,333±0,006	0,350±0,008	0,352±0,005	0,375±0,008
Δm,%	-	26,3	22,6	22.1	17,0
α,%	44,8±0,5	32,9±0,4	34,7±0,3	34,9±0,7	37,3±0,5

 

Согласно классификации пленок, используемых в качестве перевязочных материалов, предложенной авторами [3], на основании массы поглощенной воды 1 граммом пленки, полученные пленки можно отнести к перевязочным материалам для низкоэкссудирующих ран (менее 4 г воды на 1 г пленки).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования показали, что, обрабатывая воду, используемую для приготовления растворов хитозана, ЭМП полем и варьируя его частоту, возможно получение растворов с более высокой вязкостью и меньшим поверхностным натяжением, что облегчает получение из них более прочных и эластичных пленок без внесения химических добавок. Наилучшие результаты получены при активации воды ЭМП частотой 70 и 110 МГц. Полученные пленки характеризуются меньшей гигроскопичностью, что улучшает их эксплуатационные качества. Причиной изменения свойств растворов и пленок хитозана при использовании активированной воды может быть изменение степени гидратации полярных групп хитозана, а также степени их диссоциации вследствие структурной реорганизации водной среды, что, в свою очередь, приводит к изменению конформации макромолекул полимера.

About the authors

Irina Y. Stas

Altai State University

Email: irinastas@gmail.com

Associate Professor of Physical and Inorganic Chemistry Departments

Russian Federation, Barnaul

Ekaterina A. Popova

Altai State University

Author for correspondence.
Email: yekaterina.p0115@gmail.com

Postgraduate student of the Department of Physical and Inorganic Chemistry

Russian Federation, Barnaul

References

Supplementary files