Способ получения нанокристаллитов низкомолекулярного хитозана


 


Владельцы патента RU 2627540:

Левитин Сергей Вадимович (RU)

Изобретение относится к способам получения нанокристаллитов низкомолекулярного хитозана и может быть использовано в химическом производстве для создания нановолокнистых полимерных материалов, пленок, гранул, волокон, в качестве стабилизатора в пищевой промышленности, в косметологии и в сельском хозяйстве. Способ предусматривает диспергирование в воде высокомолекулярного хитозана с молекулярной массой 190-250 кДа при интенсивном перемешивании, последующую обработку в 9,00-17,00%-ном водном растворе серной кислоты при 100-120°C в течение 20-55 минут для проведения гомогенного гидролиза. Затем высаживают продукт гидролиза из сернокислого раствора путем введения в горячий раствор 10%-ного раствора гидроксида натрия при объемном соотношении гидроксида натрия и серной кислоты 1:0,667. Полученный продукт промывают и сушат при комнатной температуре. Изобретение позволяет получить низкомолекулярный хитозан с молекулярной массой 5-20 кДа с высокой степенью кристалличности, термостабильностью, антимикробной активностью и биологической совместимостью. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к способам получения производных хитина, а именно к способу получения низкомолекулярного хитозана, и может быть использовано в химических производствах для создания новых лекарственных и косметических препаратов.

В России на протяжении последних лет природный полимер хитозан находит широкое использование в различных отраслях промышленности и медицины благодаря сочетанию его уникальных специальных свойств и широкой доступности.

Хитозан является физиологически активным соединением природного происхождения и представляет собой высокомолекулярные углеводы, построенные из остатков моносахаридов и не содержащие никаких компонентов неуглеводного характера. Хитозан представляет собой биополимер с высокой молекулярной массой 1000 кДа и выше, низкой биологической активностью, высокой вязкостью и низкой растворимостью в нейтральных средах.

В настоящее время актуальными являются исследования процессов деструкции высокомолекулярного хитозана (ВМХ) для получения низкомолекулярных препаратов, обладающих более высокой биологической активностью, чем природный полимер и разработка новых современных технологий для их производства.

Известны различные способы деструкции хитозана, например, достаточное распространение получил способ ферментативного гидролиза хитозана с использованием специфических ферментов; обработка хитозана в кислых средах; облучение ультразвуком; деструкция в токе плазмы.

Известен способ получения низкомолекулярного водорастворимого хитозана путем ферментативного расщепления ВМХ, заключающийся в том, что ферментативное расщепление проводят с использованием иммобилизованного на инертном носителе хитиназного комплекса в две стадии: сначала при рН 4,5-5,0 и температуре 45-50°С в течение 16 часов при массовом соотношении хитозан: иммобилизованный на инертном носителе хитиназный комплекс 1:10, а затем при рН 6,0-6,5, температуре 37°С в течение 8-12 часов при том же их массовом соотношении.

Известный способ позволяет получать низкомолекулярный хитозан (НМХ) с молекулярной массой 1000-3000 дальтон, обладающий хорошей растворимостью и может быть использован в качестве носителя биологически активных соединений и как противовирусный препарат (RU 2073016, С08В 37/08, опубл. 10.02.1997).

Недостатками известного способа являются длительность процесса и его низкая производительность, к тому же процесс идет в кислой среде с образованием солей, которые в промышленных условиях трудно выводить.

Известен способ получения НМХ в бессолевой среде путем ферментативной деполимеризации, включающий переосаждение исходного ВМХ, отмывку переосажденного хитозана с помощью крупнопористого фильтра, растворение переосажденного хитозана в растворе кислоты до оптимального для ферментативной деполимеризации значения рН 5,5 с последующей ферментативной деполимеризацией хитозана с использованием ферментного препарата целловиридин Г20Х.

Полученный НМХ имеет молекулярную массу (мм) 2-20 кДа, высокую биологическую активность и способность растворяться в нейтральных растворах (RU 2425844, С08В 37/08, опубл. 10.08.2011).

Однако известно, что ферментные препараты работают в узких диапазонах рН, в связи с чем необходимо устанавливать и поддерживать в процессе реакции заданное значение рН, что технологически является достаточно сложным и дорогим.

Известен способ получения НМХ, включающий приготовление раствора ВМХ в 1% водной уксусной кислоте, прибавление к нему раствора пероксида водорода в количестве 0,5-1,5 мас. % к общей массе раствора в присутствии каталитических количеств оксида марганца, выдерживание при температуре 18-50°С в течение 30 мин, добавление по окончании времени реакции водного раствора аммиака, доводя рН реакционной смеси до 6,9-7,0, после выпадения осадка в реакционную массу прибавляют ацетон и выдерживают в течение 2 часов, осадок отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и ацетоном, сушат.

По известному способу получают НМХ с молекулярной массой 30 кДа; 9 кДа; 3 кДа (RU 2417088, С08В 37/08, опубл. 27.04.2011).

Недостатком известного способа является длительность технологического процесса, что удорожает производство.

Известен способ получения наночастиц сукцината хитозана, включающий взаимодействие хитозана и янтарной кислоты с последующим выделением целевого продукта, причем готовят 0,11-0,17% раствор янтарной кислоты при комнатной температуре, фильтруют нерастворившуюся янтарную кислоту и вносят в полученный раствор предварительно очищенный НМХ с молекулярной массой 3 кДа; 9 кДа; 30 кДа, выдерживают при перемешивании со скоростью 200 об/мин в течение 2 часов, по окончании реакции добавляют этанол и центрифугируют, твердый осадок фильтруют и сушат в вакуумном сушильном шкафу при температуре 30°С.

Размер частиц НМХ составляет 165 Нм; 186 Нм; 205 Нм; 270 Нм (RU 2562721, С08В 37/08, опубл. 10.09.2015).

Известен способ получения наночастиц глутамата хитозана, включающий взаимодействие хитозана с водным раствором глутаминовой кислоты при комнатной температуре и перемешивании с последующим извлечением глутамата хитозана, отличающийся тем, что используют НМХ молекулярной массы 3 кДа; 9 кДа; 30 кДа, который обрабатывают в течение 2 часов 0,005-0,1375% раствором глутаминовой кислоты при соотношении хитозан: глутаминовая кислота 1:0,864 при перемешивании со скоростью 200 об/мин, по окончании реакции прибавляют этанол и центрифугируют, твердый осадок фильтруют и сушат в вакуумном сушильном шкафу при температуре 30°С. Получают глутамат хитозана с наночастицами от 40 до 100 Нм (RU 2562723, С08В 37/08, опубл. 10.09.2015)

В известных способах для получения наночастиц НМХ обрабатывают НМХ с молекулярной массой 3 кДа; 9 кДа; 30 кДа. Однако по известным технологиям невозможно получить НМХ с высокой степенью кристалличности.

Известен способ получения наночастиц НМХ, включающий приготовление раствора предварительно очищенного НМХ в фильтрованной 1-2 мас. % водной уксусной кислоте, прибавление растворов гидроксидов щелочных металлов или аммония в течение 2 часов, диспергирование системы с помощью механической мешалки со скоростью 200-300 об/мин при температуре 20°С до рН 6,9-7,0, по окончании процесса дисперсию центрифугируют со скоростью 10000 об/мин и полученный твердый осадок редиспергируют в бидистилляте при механическом перемешивании со скоростью 200-300 об/мин при 20°С.

Размер полученных наночастиц составляет 30 Нм; 50 Нм; 83 Нм (RU 2428432, С08В 37/08, опубл. 10.09.2011).

Однако следует отметить, что выше описанные известные способы не решают проблему получения нанокристаллитов НМХ.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является способ получения микрокристаллического хитозана путем его осаждения из водного кислого раствора водным раствором щелочи, заключающийся в том, что водный кислый раствор 0,01-2,1 мас. хитозана (мм 600-700 кДа) и водный раствор щелочи с концентрацией 0,1-20,0 мас, одновременно вводят в реактор с получением смеси, имеющей рН, равной или выше 7, при скорости подачи раствора хитозана 1,2 5,3 об.ч./час и раствора щелочи 0,7 10 об.ч./час на 1 об.ч. реактора, а образующуюся дисперсию непрерывно выводят из реактора со скоростью, необходимой для поддержания постоянного объема дисперсии в реакторе, с последующей очисткой дисперсии, концентрированием и высушиванием. Размер полученных частиц составляет 0,1-10 мкм; 5-15 мкм; 15-20 мкм; 20-30 мкм; 40-50 мкм (RU 2046800, С08В 37/08, опубл. 27.10.1995).

Одним из основных недостатков известного способа является получение хитозана с высокой молекулярной массой (90-500 кДа) и с низкой биологической активностью.

Технический результат от использования изобретения заключается в создании высокоэффективной технологии получения низкомолекулярного хитозана с высокой степенью кристалличности, повышенной термостабильностью, высокой антимикробной активностью и с повышенной биологической совместимостью.

Данный технический результат достигается за счет предлагаемого способа получения нанокристаллитов низкомолекулярного хитозана при интенсивном перемешивании, включающего диспергирование в воде высокомолекулярного хитозана с молекулярной массой 190-250 кДа, последующую обработку в 9,0-17,0%-ном водном растворе серной кислоты при 100-120°С в течение 20-55 мин для проведения гомогенного гидролиза, высаживание продукта гидролиза из сернокислого раствора, путем введения в горячий раствор 10%-ного раствора гидроксида натрия при объемном соотношении гидроксида натрия и серной кислоты, равном соответственно 1:0,667, промывку и сушку полученного продукта при комнатной температуре.

Испытания проводили с использованием современных методов: ИК-спектроскопия; ядерно-магнитный резонанс; атомно-силовая микроскопия (АСМ); термогравиметрический анализ (ТГА); потенциометрия, УФ-фотокалориметрия, сорбционные, биохимические и другие. Обрабатывали полученные данные методами математической статистики.

По предлагаемому способу в процессе осаждения продукта гидролиза из сернокислого раствора при гомогенном гидролизе происходит формирование кристаллической структуры. Сопоставление уровней степени полимеризации и степени кристалличности полученного НМХ свидетельствуют о получении в предложенных условиях нанокристаллитов.

Исследования методом ТГА показали, что структура полученного НМХ более упорядочена и вследствие этого более термоустойчива по сравнению с исходным хитозаном, а именно полученный НМХ обладает повышенной термостабильностью.

НМХ в твердой фазе обладает высокой степенью кристалличности (90%), т.е. получен чистый продукт, не содержащий примесей, хорошо растворим в подкисленной воде, который может быть диспергирован в жидкой среде до наночастиц.

При исследовании морфологии полученных наночастиц НМХ методом АСМ определен их средний размер 100 Нм в диаметре и 20 Нм в высоту, что свидетельствует о получении в принятых условиях кристаллических структур. Наночастицы представляют собой агрегаты, состоящие из 12-25 кристаллитов.

Разработана высокоэффективная технология получения нанокристаллитов НМХ, а именно в едином технологическом процессе получен НМХ и нанокристаллиты, получен новый продукт - НМХ в виде нанокристаллитов с новыми свойствами.

Предложенный способ, по которому деструкцию ВМХ проводят сернокислотным гомогенным гидролизом, более эффективен в сравнении, например, с уксуснокислым гидролизом. Так продолжительность реакции до получения НМХ с молекулярной массой 5-30 кДа сокращается с 1500 до 20-55 мин.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Конкретные примеры осуществляют в лабораторном реакторе при постоянном интенсивном перемешивании со скоростью от 20 до 90 об/мин.

Пример 1

В сухой реактор при комнатной температуре загружают 5 г ВМХ мм 190 кДа, затем при перемешивании со скоростью 20-25 об/мин подают 90 мл дистиллированной воды и диспергируют 10 мин, полученную дисперсию нагревают до 100°С и вводят 10 мл 9%-ного водного раствора серной кислоты при скорости перемешивания 60-70 об/мин, проводят гомогенный гидролиз в течение 20 мин. По истечении времени гидролиза скорость перемешивания увеличивают до 80-90 об/мин и для высаживания продукта гидролиза в горячий раствор вводят 10%-ный раствор гидроксида натрия, при объемном соотношении гидроксида натрия и серной кислоты 1:0,667, а последующие промывки ведут дистиллированной водой до нейтральной среды и ацетоном, сушку осуществляют при комнатной температуре.

Полученный НМХ мм 30 кДа со степенью кристалличности 87%, со степенью полимеризации 185.

Пример 2

Обработку ведут по примеру 1, но берут ВМХ мм 250 кДа, вводят 10 мл 17%-ного водного раствора серной кислоты, проводят гомогенный гидролиз в течение 30 мин при 115°С.

Получают НМХ мм 25 кДа, степень кристалличности 90%, степень полимеризации 155.

Пример 3

Обработку ведут по примеру 1, но вводят 10 мл 17%-ного водного раствора серной кислоты, проводят гомогенный гидролиз в течение 55 мин при 120°С.

Получают НМХ мм 5 кДа, степень кристалличности 85%, степень полимеризации 30.

Предложена новая технология снижения молекулярной массы хитозана, получен новый НМХ с молекулярной массой 5-30 кДа с высокой степенью кристалличности, низкой степенью полимеризации с повышенными физико-механическими и функциональными свойствами, что дает возможность получать новые полимерные материалы с использованием низкомолекулярных нанокристаллитов хитозана и разрабатывать нановолокнистые полимерные пленки, гранулы, волокна для медицины, а также использовать полученный новый НМХ в качестве стабилизатора в косметологии, в пищевой промышленности и в сельском хозяйстве.

Полученный предлагаемым способом новый НМХ обладает ранозаживляющими, антимикробными свойствами. Нановолокнистый материал, изготовленный с его использованием, является перспективным для применения в качестве аппликативного покрытия для гнойных, ожоговых и послеоперационных ран.

Были проведены испытания по определению биологической активности нового НМХ по выживаемости клеток линии мышиных фибробластов L 929 после 24 часов инкубирования с экстрактами и контроль (100%) - клетки, культивируемые в среде без добавления экстрактов.

Согласно полученным данным по результатам МТТ теста установлено, что культивирование клеток в присутствии экстрактов материалов (нового НМХ) не снижает жизнеспособность клеток и не влияет на их морфологию, а следовательно, новый НМХ обладает высокой биологической совместимостью.

Антимикробную активность полученного нановолокнистого материала с использованием нового НМХ определяли по отношению к грамположительной микрофлоре Staphylococcus aureus и к грамотрицательной микрофлоре Escherichia coli.

Нановолокнистый материал с использованием нового НМХ обладает повышенной антимикробной активностью по сравнению с волокнистыми материалами с использованием исходного ВМХ, а по сравнению с нановолокнистым материалом, содержащим мирамистин, разница в размерах зон лизиса составляет 1-2 мм (см. таблицу).

Способ получения нанокристаллитов низкомолекулярного хитозана при интенсивном перемешивании, включающий диспергирование в воде высокомолекулярного хитозана с молекулярной массой 190-250 кДа, последующую обработку в 9,00-17,00%-ном водном растворе серной кислоты при 100-120°C в течение 20-55 минут для проведения гомогенного гидролиза, высаживание продукта гидролиза из сернокислого раствора путем введения в горячий раствор 10%-ного раствора гидроксида натрия при объемном соотношении гидроксида натрия и серной кислоты, равном соответственно 1:0,667, промывку и сушку полученного продукта при комнатной температуре.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Предложен способ получения хитозана, включающий измельчение пупариев насекомых, щелочную обработку хитинсодержащего сырья с постоянным перемешиванием при повышенной температуре и дальнейшее отмывание остатка дистиллированной водой.

Изобретение относится к богатой полисахаридами композиции, содержащей бета-глюкан, хитин и хитозан, извлеченные из клеточной стенки Saccharomyces cerevisiae из биомассы, представляющей собой побочный продукт процесса пивоварения.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для получения природного биополимера хитозана из отходов промышленной переработки ракообразных.

Изобретение относится к химии соединений додекагидро-клозо-додекаборатного B 12 H 12 2 − − а н и о н а , хитозана, солей магния и алюминия, а именно к аддуктам додекагидро-клозо-додекабората хитозана с нитратами или перхлоратами магния или алюминия и способу их получения.

Изобретение относится к способу получения низкомолекулярного водорастворимого хитина. Способ предусматривает обработку высокомолекулярного порошкообразного хитина с размером частиц 10-100 мкм и средневязкостной массой 1000 кДа.
Изобретение относится к области полимерных материалов, а именно к способу получения гранул сшитого хитозана, который включает сшивание хитозана глутаровым альдегидом с использованием раствора соляной кислоты, содержащего глутаровый альдегид, при мольном соотношении хитозан : соляная кислота : глутаровый альдегид, равном 1:(0,5-1,0):(0,1-1,0), а затем экструзивное формирование геля в виде нитей, которые механически нарезают на гранулы и сушат при температуре 40-70°C в течение 1-2 часов.

Изобретение относится к новому производному гиалуроновой кислоты общей формулы (I), способу его получения, к гидрогелю на его основе, к способу получения гидрогеля и к применению гидрогеля для получения препаратов для косметических средств, медицины или регенеративной медицины.

Изобретение относится к области переработки полимеров и биомедицины, в частности к созданию на основе хитозана нерастворимых, но набухающих в воде материалов, обладающих низкой токсичностью и контролируемым выделением лекарственных соединений.

Изобретение относится к области химико-фармацевтической промышленности, биотехнологии и медицины, а именно к способу получения композиции на основе модифицированного гиалуроната натрия и ее применению в различных областях медицины, ветеринарии и косметологии.

Изобретение относится к способу получения йодпроизводных хитозана и может быть использовано в химической промышленности, медицине, фармацевтике и ветеринарии. Способ заключается в том, что производят модификацию хитозансодержащего вещества при комнатной температуре в йодсодержащих парах более 5 часов до получения требуемых физико-химических свойств йодпроизводных хитозана, а в качестве хитозансодержащего вещества используют пленку высокомолекулярного хитозана с = 200 кDa в солевой или основной форме, либо кислоторастворимый высокомолекулярный порошок хитозана с= 200 кDa, либо водорастворимый низкомолекулярный порошок хитозана с = 38 кDa, при этом йодсодержащий пар образован кристаллическим йодом, водным раствором йода или водно-спиртовым раствором йода.

Изобретение может быть использовано при изготовлении осветительных устройств. Сначала смешивают люминесцентные наночастицы, наружная поверхность которых покрыта двумя типами защитных молекул, с предшественником твердого полимера.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул ресвератрола в каппа-каррагинане, характеризующемуся тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется каппа-каррагинан, а в качестве ядра - ресвератрол при массовом соотношении оболочка: ядро 3:1 и 1:5, при этом ресвератрол медленно добавляют в суспензию каппа-каррагинана в бутаноле в присутствии 0,01 г Е472 с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1000 об/мин, затем добавляют бутилхлорид, после чего полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к области нанотехнологии и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта топинамбура характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется конжаковая камедь, в качестве ядра - сухой экстракт топинамбура, причем нанокапсулы получают путем перемешивания смеси конжаковой камеди в бутаноле с 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества на магнитной мешалке, последующего добавления сухого экстракта топинамбура в смесь, осаждения 10 мл бутилхлоридом, затем полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают, промывают бутилхлоридом и сушат, при этом соотношение ядро : оболочка составляет 1:3, 1:1 или 1:5 или 5:1.

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии. Кристаллический фуллерен С60 термообрабатывают при 160-170°C в потоке инертного газа для перевода оксидной примеси С60O в диоксидную примесь C120O.
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул бетулина. Способ характеризуется тем, что бетулин добавляют в суспензию агар-агара в петролейном эфире в присутствии 0,01 г.
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул хлоральгидрата. Способ характеризуется тем, что в суспензию альгината натрия в гексане и 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества добавляют порошок хлоральгидрата, затем добавляют метилэтилкетон, при этом соотношение количества хлоральгидрата и количества альгината натрия составляет 1:1 или 1:3, полученную суспензию отфильтровывают и сушат.

Изобретение относится к способу восстановления непредельных циклических соединений, заключающемуся во взаимодействии непредельных циклических соединений с молекулярным водородом в присутствии наночастиц никеля при нагревании.
Изобретение может быть использовано в биомедицине для визуализации кровеносных сосудов, в электронике для ап-конверсионных преобразователей в ячейках кремниевых солнечных батарей.

Изобретение относится к способу получения нанодисперсной фазы со структурой χ-Al2O3. Изобретение может быть использовано в производстве адсорбентов, носителей и катализаторов на основе оксида алюминия, а также в производстве керамики.

Изобретение относится к технологии получения нанопорошков феррита кобальта в микромасштабном реакторе. Способ заключается в подаче исходных компонентов - смеси растворов солей кобальта и железа в соотношении компонентов, отвечающих стехиометрии CoFe2O4, и раствора щелочи в соотношении с растворами солей, обеспечивающем кислотность среды в диапазоне от 7 до 8, отвечающей условиям соосаждения компонентов, при этом растворы исходных компонентов подают в виде тонких струй диаметром от 50 до 1000 мкм со скоростью от 1,5 до 20 м/с, сталкивающихся в вертикальной плоскости под углом от 30° до 160°, при температуре в диапазоне от 20°С до 30°С, и давлении, близком к атмосферному, причем соотношение расходов исходных компонентов задают таким образом, что при столкновении струй образуется жидкостная пелена, в которой происходит смешивание и контакт растворов исходных компонентов.
Изобретение относится к области нанотехнологии и ветеринарной медицине и раскрывает способ получения нанокапсул солей металлов в альгинате натрия. Способ характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется альгинат натрия, а в качестве ядра - соль металла при массовом соотношении ядро:оболочка 1:3, при этом соль металла добавляют в суспензию альгината натрия в бутаноле, содержащую препарат Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1200 об/мин, далее приливают петролейный эфир, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре. Изобретение обеспечивает упрощение и ускорение процесса получения нанокапсул. 11 пр.
Наверх