Биоразлагаемый материал на основе хитина

В работе описана оптимизация получения композита на основе хитина несколькими способами. Проведены эксперименты по биодеградации.

Ключевые слова: хитин, биодеградируемый материал, композит.

В XXI веке вопрос о биодеградации используемых материалов стоит особенно остро, ведь, например, органические высокомолекулярные синтетические отходы, могут разлагаться до 1000 лет, параллельно загрязняя воздух, воду, почву. Создание материалов, которые могут стать достойной альтернативой неразлагаемым пластмассам— актуальная проблема, решение которой очень важно для современной науки и человечества в целом. Цель этой работы — создание прототипа материала, который будет быстро разлагаться и как можно меньше будет загрязнять окружающую среду.

В недавних исследованиях указывается, что перспективным материалом на этом фоне выглядят биополимеры на основе хитина. Хитин можно легко переработать в различные материалы, такие как мембраны, губки, гели, каркасы, наночастицы и нановолокна. Эти материалы могут быть использованы в качестве носителя для биомедицинских приложений, включая доставку лекарств, генную терапию, тканевую инженерию и заживление ран. Хитин гипоаллергенен, биосовместим и хорошей биоразлагаем, что делает это одним из наиболее важных и разнообразных классов биоматериалов, встречающихся в природе [1–3].

Главная сложность работы с этими материалами состоит в том, что он практически не растворяется в обычных растворителях таких как вода, кислоты, щелочи и большинство органических растворителей. Этот факт объясняется наличием прочной структуры водородных связей между цепями полимера. Стабильные р-ры хитина может дать лишь апротонный растворитель. [4]

Раствор хитина

В качестве растворителя для хитина, полученного из насекомых, выбран ДМАА с добавкой LiCl. Катион лития (Li ⁺ ) образует комплекс (катион) с карбонильным кислородом диметилацетамида (ДМАА). Влияние соли проявляется в повышении растворимости полимера. В соли определяющим является ион Cl ^- , в то время как катион может быть различным. Катионом являются ассоциаты растворителя, в данном случае ДМАА с ионом лития. [5]

Ион Cl-ассоциирован протоном ацетамидной группы или гидроксильными группами гликана. Разумеется, что между полимером и растворителем существует конкуренция за катион. Однако в этой конкуренции

доминирующим оказывается растворитель, он связывает катион. Таким образом, сольватирующая оболочка полимера образована ассоциатами растворителя с катионами. Cила растворителя проявляется как функция концентрации катионов [DMAA- Li+], сольватирующих полимер. [4]

Рис. 1. Раствор хитина в ДМАА на первый день (непрозрачный) и спустя 2 недели (прозрачный)

Для изучения свойств хитина мы изготовили пленки. Пленки изготавливались методом мокрого формования, в качестве осадителя использовалась вода. После осаждения полученные плёнки отмывали в дистиллированной воде до полного удаления из пленок растворителя, затем вынимали и сушили при комнатной температуре до постоянной массы. Для получения пленок приготовлен следующий раствор (1): w(LiCl)- 2,8 %, w(Ch)- 2 %.

Рис. 2. Полученный образец пленки

После часа перемешивания р-ра он стал вязким, хитин растворился. В качестве коагулянта был использован ацетон. Часть р-ра была вылита в мерный стакан (без формовки), залита ацетоном, в результате чего была получена пленка.

Взята часть р-ра (1) и оставлена на две недели, р-р стал более однородным и прозрачным. Спустя 2 недели в него было дополнительно добавлено 25 мл ДМАА. Этот р-р перемешивался в течении часа до получения вязкой и однородной структуры. После этого были сделаны несколько пленок формовкой и обработки ацетоном.

Композит хитин/ПВС

ПВС является отличным плёнкообразующим полимером, поэтому добавление к хитину ПВС не только улучшит механические св-ва плёнок, но и сделает процесс более дешевым, т. к. в качестве пластификатора будет использоваться вода. Плёнка останется “зелёной” и не будет вредить окружающей среде. Процесс формирования плёнки схож с процессом получения плёнок из хитина.

Хитин и ПВС, взятые в соотношении по массе 1:2 с 8 %-ый раствором LiCl в ДМАА

Рис. 3. Полученный образец композита

Материалы, полученные различными способами, очевидно, имеют различные механические свойства. Так, материал, полученный только из хитина более эластичный и упругий, а материал из хитина и ПВС — более мягкий и, скорее, напоминает бумагу. Из этого можно сделать вывод, что первый материал можно в перспективе использовать в качестве замены упругих резиноподобных полимеров, а второй как альтернативу, например, бумаге.

Исследование биоразлагаемости материала

Ниже приведен протокол-таблица исследования биоразлагаемости образцов полученного материала из хитина. Изначальная масса каждого образца — 0,4 г. Все данные указаны относительно исходного образца.

Показано, что все образцы биодеградируют в почве, при добавлении воды и гумуса скорость разложения возрастает.

Выводы

Получены биоразлагаемые материалы на основе хитина, которые в перспективе могут приблизить создание заменителей пластиков.

1. Кочетков Н. К. и др. Химия углеводов. — М.: Химия. — 1967. — 672 с.
2. Кольман Я., Рем К.- Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2000. -469 с.
3. Terbojevich, M. Solution studies of the chitin ‒ lithium chloride ‒ N, N ‒dimethylacetamide system/M. Terbojevich, C. Carraro, A. Cosani // Carbohydrate Research. ‒ 1988. ‒ V. 180. ‒ P. 73–86.
4. Poirier, M. Chitin fractionation and characterization in N,N ‒ dimethylacetamide/lithium chloride solvent system / M. Poirier, G. Charlet // Carbohydrate Polymers. ‒ 2002. ‒ V. 50. ‒ P. 363–370.
5. Rinaudo M. Chitin and chitosan properties and applications / R. Marguerite // Progress in Polymer Science. ‒ 2006. ‒ V. 31. ‒ P. 603–632.