Способ минерализации органических волокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция

Изобретение относится к способу производства композитного материала, состоящего из органических волокон поликапролактона, микрочастиц карбоната кальция и наночастиц магнетита. Полученный материал может быть применён в регенерационной медицине, преимущественно в качестве тканеинженерного каркаса. Способ минерализации органических волокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция, модификации ватерит включает добавление раствора магнетита Fe₃O₄ в волокна поликапролактона, ультразвуковую обработку этой смеси, добавление растворов солей хлорида кальция CaCl₂ и карбоната натрия Na₂CO₃ к смеси, промывку полученного материала этиловым спиртом и его высушивание, при этом растворы солей CaCl₂ и Na₂CO₃ с концентрацией 0,25 - 1,0 М добавляют к смеси в объемном соотношении 1:1:1 (CaCl₂: Na₂CO₃: Fe₃O₄), не прерывая процесс ультразвуковой обработки, при этом сушку проводят в сушильном шкафу при 43-47°C в течение 10-15 минут, а размер наночастиц магнетита выбирают в диапазоне от 10 до 80 нм. Технический результат заключается в повышении качества получаемого материала при обеспечении достаточной магнитной восприимчивости. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способу производства композитного материала, состоящего из органических волокон поликапролактона, микрочастиц карбоната кальция и наночастиц магнетита. Полученный материал может быть применён в регенерационной медицине, преимущественно в качестве тканеинженерного каркаса.

В настоящее время существует проблема изготовления новых инновационных продуктов для фармацевтической промышленности. Прогресс в этом направлении сдерживается отсутствием способов получения композитных мультифункциональных материалов.

Известен метод производства кальций карбонатных покрытий на органических волокнах поликапролактона, заключающийся в соосаждении солей хлорида кальция и карбоната натрия (CaCl₂ и Na₂CO₃₎ с волокнами поликапролактона в пробирке прни ультразвуковой обработке [Savelyeva, M.S. Vaterite coatings on electrospun polymeric fibers for biomedical applications / M. S. Savelyeva, A. A. Abalymov, G. P. Lyubun, I. V. Vidyasheva, A. M. Yashchenok, T. E. L. Douglas, D. A. Gorin, B. V. Parakhonskiy // Journal of Biomedical Materials Research Part A. - 2017. - V. 105, № 1. - P. 94-103.].Так же описан метод загрузки дубильной кислоты в полученный материал методом ультразвуковой обработки в течение 20 минут.

Однако применение данной методики приводит к частичной перекристаллизации микрочастиц кальций карбоната из ватерита в кальцит, в результате чего пористость материала утрачивается и теряется его эффективность.

Также известен способ загрузки наночастиц магнетита в микрокапсулы на основе карбоната кальция методом последовательной послойной полиионной сборки [Sergeeva, A.Composite magnetite and protein containing CaCO₃ crystals. External manipulation and vaterite → calcite recrystallization-mediated release performance / A. Sergeeva, R. Sergeev, E. Lengert, A. Zakharevich, B. Parakhonskiy, D. Gorin, S. Sergeev and D. Volodkin // ACS applied materials & interfaces. - 2015. - V. 7, № 38. - P. 21315-21325.].

Недостатками данного способа являются трудоёмкость и длительность производства микрокапсул. Данная методика не может быть применена для формирования кальций карбонатного покрытия, модифицированного наночастицами магнетита, на поверхности волокон из-за несовместимости процессов производства, в том числе центрифугирования.

Известен способ загрузки неорганических наночастиц или органических молекул в пористые частицы микронного или субмикронного размера (см. патент РФ №2721562 по кл. МПК B01D 9/00, опуб.20.05.2020) с помощью контролируемого замораживания суспензии со скоростью фронта кристаллизации, меньшей критической скорости, при которой частицы захватываются фронтом, причем замораживание осуществляют при перемешивании со скоростью, при которой не происходит седиментациячастиц.

Однако данная методика включает в себя дополнительные процессы производства, что приводит к более длительному процессу производства и требует наличия дополнительного оборудования.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ производства минерализованного покрытия из микрочастиц карбоната кальция, модифицированного наночастицами магнетита [см. http://elibrary.sgu.ru/VKR/2019/22-04-01_002.pdf. Короневский Н.В. автореферат к магистерской работе "Технология получения и исследование свойств микрочастиц карбоната кальция, модифицированных наночастицами магнетита, на неорганических волокнах". - Саратов, 2019]. Способ минерализации органических волокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция, модификации ватерит, включает последовательное добавление растворов солей CaCl₂ и Na₂CO₃ к волокнам, воздействие на них ультразвуком после добавления каждой соли, полученного материала промывку этиловым спиртом и его высушивание.

Однако представленное описание является недостаточным для воспроизведения результатов исследования.

Технической проблемой, на решение которых направлено данное изобретение, является улучшение способа получения минерализованного покрытия из микрочастиц карбоната кальция, модифицированного наночастицами магнетита, на поверхности волокон.

Технический результат заключается в повышении качества получаемого материала при обеспечении достаточной магнитной восприимчивости.

Для достижения технического результата в способе минерализации органических волокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция, модификации ватерит, включающем добавление раствора магнетита Fe₃O₄ в волокна поликапролактона, ультразвуковую обработку этой смеси, добавление растворов солей хлорида кальция CaCl₂ и карбоната натрия Na₂CO₃ к смеси, промывку полученного материала этиловым спиртом и его высушивание, согласно решению, растворы солей CaCl₂ и Na₂CO₃ с концентрацией 0,25 - 1,0 М добавляют к смесив соотношении 1:1:1 (CaCl₂: Na₂CO₃: Fe₃O₄), не прерывая процесс ультразвуковой обработки, при этом сушку проводят в сушильном шкафу при 43-47 °C в течение 10-15 минут, а размер наночастиц магнетита выбирают в диапазоне от 10 до 80 нм.

Ультразвуковое воздействие осуществляют при рабочей частоте 35 кГц и интенсивности 0,64 Вт/см². Полученный материал перед сушкой оставляют в состоянии покоя на 1 мин. Способ осуществляют путем трехкратного повторения всех стадий минерализации.

Для реализации способа используют три отдельных раствора: растворы солей CaCl₂ и Na₂CO₃, а также коллоидный раствор наночастиц Fe₃O₄. Нановолокона поликапролактона (ПКЛ) размером 1,5 × 1,5 см (с диаметром волокон от 50 до 500 нм) помещают в пробирку. В пробирку добавляют раствор Fe₃O₄ (с размерами наночастиц от 10 до 80нм) и подвергают УЗ-обработке в течении 1-2 мин. при рабочей частоте 35 кГц и интенсивности 0,64 Вт/см². Растворы солей CaCl₂ и Na₂CO₃ (концентрацией по 0,25-1,0 М) добавляют в пробирку, добиваясь соотношения 1:1:1 (CaCl₂: Na₂CO₃ :Fe₃O₄), не прерывая процесс ультразвуковой обработки.

При концентрации солей менее 0,25 моль количество образующихся микрочастиц карбоната кальция ограничено, и получаемое покрытие на волокнах слишком редкое. Такая концентрация не эффективна для получения материала. При концентрации больше 1 моля скорость образования и количество микрочастиц карбоната кальция слишком большая. Микрочастицы начинают быстрее перекристализовываться в кальцит, что ухудшает качество материала.

Пробирку продолжают обрабатывать ультразвуком в течение ещё 1 мин. Затем пробирку изымают из УЗ-ванны и оставляют и в состоянии покоя ещё на 1 мин. После образец волокон ПКЛ со сформированным покрытием из микрочастиц карбоната кальция и наночастиц магнетита вынимают из пробирки. Образец промывают этанолом. Затем сушат в сушильном шкафу при 43-47 °C в течение 10-15 минут. Формирование гомогенного покрытия CaCO₃ на волокнах ПКЛ, модифицированного наночастицами магнетита, осуществлялось путем трехкратного повторения стадий минерализации.

Для получения нановолокон поликапролактона используют в качестве растворителя смесь метановой и этановой кислот. Процентное соотношение компонентов данной смеси: 50% метановой кислоты + 50% этановой кислоты. Массовая доля ПКЛ в объеме растворителя - 10%. Гранулы ПКЛ и смеси растворителя подвергались непрерывному перемешиванию в течение 2 ч. Данная смесь переносилась в шприц, который размещался в установке для электроформования. Материал производился в течение 3 часов. Рабочие параметры процесса: V (скорость испускания раствора) = 7,8 мл/ч; U (напряжение приложенное между иглой и осадочным электродом) = 75 кВ. Средний диаметр полученных волокон 100 ± 50 нм.

Для получения раствора наночастиц магнетита соли хлорида железа (III) (FeCl₃) массой 1,3 г и хлорида железа (II) (FeCl₂) массой 0,48 г растворяли в 25 мл. деионизованной воды при комнатной температуре. В закрытой ёмкости газообразный азот пропускался через все растворы за 5 минут до синтеза. Сначала 150 мл 0,1 М NaOH вводили в реакционную камеру, которую затем нагревали до 40°C в закрытой атмосфере азота. Для обеспечения вытеснения кислорода было немного повышено давление рабочей среды. Далее раствор соли железа в течение нескольких секунд вводили в реакционную камеру и оставляли на 30 секунд, чтобы произошло смешивание. При контакте растворов гидроксида натрия и солей железа началось зарождение магнетита, что выражалось в образовании темно-коричневого осадка оксидных наночастиц железа (III). Для стабилизации полученного осадка при постоянном процессе смешивания были введены 25 мл лимонной кислоты. Для удаления избытка лимонной кислоты и предотвращения дальнейшего растворения, гидрозоль магнетита диализовали при медленном постоянном перемешивании в деионизованной воде в течение 3 дней. Поученный раствор имел концентрацию 0,4 мг/мл, и размер самих наночатиц магнетита варьировался от 12 до 20 нм.

Данный способ позволяет работать с наночастицами более 40 нм, так как выбор размера частиц в предлагаемой технологии не ограничен размерами пор микрочастиц карбоната кальция модификацииватерит вследствие того, что наночастицы магнетита добавляют в процессе формирования ватерита. При размере частиц магнетита более 80 нм происходит его агрегация.

Соотношение солей CaCl₂, Na₂CO₃ и магнетита 1:1:1 объясняется необходимостью загрузки наночастиц магнетита в процессе получения микрочастиц карбоната кальция. Если количество магнетита будет преобладать над количеством солей, то процесс образования микрочастиц карбоната кальция будет менее эффективным и более длительным, так как придётся ожидать реакции всех солей. Если же снизить количество магнетита, то снизится его доля в структуре образованных микрочастиц карбоната кальция и качество полученного материала снизится.

Также для производства минерализованного покрытия на волокнах поликапролактона были использованы растворы солей карбоната натрия и хлорида кальция с концентрациями по 0,5 моль.

Так как микрочастицы карбоната кальция модификации ватерит являются нестабильными и при контакте с водой перекристализовываются в кальцит, то чем быстрее после синтеза полученный материал будет высушен, тем качественнее получится материал. При этом волокна поликапролактона начинают плавится и разрушатся при температуре 50-55°C. Таким образом, оптимальная температура высушивания 43-47°C. Использование этилового спирта объясняется скоростью его испарения, которая значительно выше, чем у воды. Проведя ряд опытов было установлено, что время высушивания 10-15 минут является достаточным для полного испарения жидкостей из полученного материала, что позволяет продлить его долговечность.

Пример

При производстве материала нановолокна поликапролактона поместили в пробирку объёмом 2 мл. Затем в пробирку добавили 0,666 мл раствора наночастиц магнетита и поместили пробирку в ультразвуковую ванну при рабочей частоте 35 кГц и интенсивности 0,64 Вт/см². Через 1 минуты в пробирку при продолжении ультразвуковой обработки добавили 0,666 мл раствора CaCl₂ в концентрации 0,5 М. Затем в пробирку добавили 0,666 мл раствора Na₂CO₃ в концентрации 0,5 М. Через одну минуту пробирку изъяли из ультразвуковой ванны и оставили в состоянии покоя ещё на одну минуту. После полученный материал изъяли из пробирки, промыли этиловым спиртом от излишков солей и поместили в сушильный шкаф при температуре 45°C на 15 минут. Формирование гомогенного покрытия CaCO₃ на волокнах ПКЛ, модифицированного наночастицами магнетита, осуществлялось путем трехкратного повторения описанных выше процедур. С каждым повторение плотность сформированного покрытия на волокнах поликапролактона повышалась, а размер самих микрочастиц варьировался от 0,9 до 1,6 мкм.

Способ выращивания микрочастиц CaCO₃, модифицированных наночастицами магнетита, на органических волокнах поликапролактона представляет собой метод производства тканеинженерных каркасов с широким спектром применений в регенерационной медицине, для применения в магнитотерапевтических целях. Материал, полученный в процессе минерализации волокон микрочастицами карбоната кальция, обретает восприимчивость к магнитным полям.

1. Способ минерализации органических волокон поликапролактона микрочастицами карбоната кальция, модификации ватерит, включающий добавление раствора магнетита Fe₃O₄ в волокна поликапролактона, ультразвуковую обработку этой смеси, добавление растворов солей хлорида кальция CaCl₂ и карбоната натрия Na₂CO₃ к смеси, промывку полученного материала этиловым спиртом и его высушивание, отличающийся тем, что растворы солей CaCl₂ и Na₂CO₃ с концентрацией по 0,25-1,0 М добавляют к смеси в объёмном соотношении 1:1:1 (CaCl₂:Na₂CO₃:Fe₃O₄), не прерывая процесс ультразвуковой обработки, при этом сушку проводят в сушильном шкафу при 43-47°C в течение 10-15 минут, а размер наночастиц магнетита выбирают в диапазоне от 10 до 80 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие осуществляют при рабочей частоте 35 кГц и интенсивности 0,64 Вт/см².

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный материал перед сушкой оставляют в состоянии покоя на 1 мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ осуществляют путем трехкратного повторения всех стадий минерализации.