Применение антимикробных полимерных материалов в медицине и при упаковке продуктов питания

Юрий Степанович Почанин, 2020

Описаны принципы создания антимикробных полимерных материалов с использованием органических добавок, в том числе на основе лесохимического сырья, хитозана, неорганических добавок с использованием ионов серебра, меди и цинка. Рассмотрены принципы создания бактерицидных добавок с использованием нанотехнологий. Представлены бактерицидные пленки для покрытия различных поверхностей: виниловые пленки с ионами серебра, пленки на основе хитозана, на основе композиционных материалов с применением полигуанидинов, пятислойные пленки EVOH, пленки на основе латексных композиций. Рассмотрено новое направление – создание электретных полимерных материалов с бактерицидными свойствами. В отдельных главах описаны бактерицидные материалы медико-технического назначения и для упаковки пищевых продуктов. Кратко описаны методы определения чувствительности микроорганизмов к антибактериальному препарату, представлены основные технологии производства бактерицидных полимерных материалов.

2.1.2. Добавки на основе хитина и хитозана

Хитин и его дезацетилированное производное хитозан привлекли внимание широкого круга исследователей и практиков благодаря комплексу химических, физико-химических и биологических свойств и неограниченной воспроизводимой сырьевой базой. Полисахаридная природа этих полимеров обусловливает их сродство к живым организмам, а наличие реакционноспособных функциональных групп (гидроксильные группы, аминогруппа) обеспечивает возможность разнообразных химических модификаций, позволяющих усиливать присущие им свойства или придавать новые в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Интерес к хитину и хитозану связан с их уникальными физиологическими и экологическими свойствами такими как биосовместимость, биодеструкция (полное разложение под действием природных микроорганизмов), физиологическая активность при отсутствии токсичности, способность к селективному связыванию тяжелых металлов и органических соединений, способность к волокно — и пленкообразованию и др.

Хитин является одним из наиболее распространенных в природе полисахаридов — ежегодно в живых организмах и некоторых растениях образуется и разрушается около 10 гигатонн этого вещества. Среди биополимеров он занимает второе место по биомассе после целлюлозы. Хитин является опорным компонентом: клеточной ткани большинства грибов и некоторых водорослей; наружной оболочки членистоногих (кутикула у насекомых, панцирь у ракообразных) и червей; некоторых органов моллюсков. В организмах насекомых и ракообразных, клетках грибов и диатомовых водорослей хитин в комплексе с минеральными веществами, белками и меламинами образует внешний скелет и внутренние опорные структуры.

Хитин представляет собой линейный полисахарид и имеет аморфно-кристаллическое структуру, при этом различают три формы хитина: а-, р-, и Y-хитин (в зависимости от расположения восстанавливающего конца полимерной молекулы). Самым стабильным состоянием характеризуется наиболее кристаллизованный хитин: а-хитин. В а-хитине цепи расположены «антипараллельно» (противоположное направление атомов в расположенных рядом цепях), р-хитин отличается параллельным расположением цепей. В ячейке Y-хитина имеются две цепи, расположенные параллельно и одна расположенная антипараллельно по отношению к ним. р — и Y-хитины могут превращаться в а-хитин. Однако все три модификации этого хитина были обнаружены в одном организме, что, возможно, указывает на выполнение различных биологических функций. На рис.4 и 5 представлены фрагменты молекулы хитина и хитозана.

Молекула хитина состоит из N-ацетил — β-D-глюкозаминовых звеньев. В живых в природе организмах может образовываться только хитин. Наиболее доступным для промышленного освоения и масштабным источником получения хитина являются панцири промысловых ракообразных.

Рис.4 Фрагмент молекулы хитина

Рис.5 Фрагменты молекул хитозана

Возможно также использование гладиуса (скелетной пластинки) кальмаров, сепиона каракатицы, биомассы мицелярных и высших грибов. Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые вследствие их быстрого воспроизводства могут обеспечить значительную биомассу, содержащую хитин. К таким насекомым относятся тутовый шелкопряд, медоносные пчелы и комнатные мухи. В России массовым источником хитинсодержащего сырья является камчатский краб и краб-стригун, годовой вылов которых на Дальнем Востоке составляет до 80 тыс. т, а также углохвостая креветка в Баренцевом море.

Основным производным хитина является хитозан. Молекула хитозана состоит из β-D-глюкозаминовых звеньев. Хитозан получают из хитина деацетилированием с помощью щелочей. Деацетилирование — это реакция замещения атомом водорода ацетильной группы СН3СО. Поэтому, в отличии от хитина, хитозан может иметь структурную неоднородность, обусловленную неполной завершенностью реакции деацетилирования. Содержание остаточных ацетильных групп СН3СО может достигать 30% и характер распределения этих групп может заметно влиять на некоторые физико-химические свойства хитозана. Таким образом, при неполном ацетилировании молекула хитозана состоит из случайно-связанных N-ацетил-β-D-глюкозаминовых звеньев (основные звенья) и β-D-глюкозаминовых звеньев (остаточные звенья). Хитозан имеет дополнительную реакционно способную функциональную группу ( аминогруппа NH2), поэтому кроме простых и сложных эфиров на хитозане возможно получение N-производных различного типа. Наличие реакционноспособных функциональных групп в структуре молекул хитина и хитозана обеспечивает возможность получения разнообразных химических модификаций пригодных для использования в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и т.п. Пленки из амин полисахарида хитозана являются сравнительно дешевым полимером, который обладает ежегодно возобновляемой и потому практически неограниченной сырьевой базой. Структура, а, следовательно, показатели пленок хитозана во многом определяются способом их формирования и модификации (химическая, физико-химическая). Полифункциональность данного полимера приводит к тому, что в зависимости от способа получения хитозан в готовых пленках может находиться в двух химических формах: солевой (С-) и основной (О-), отличающихся физико-химическими и биохимическими характеристиками. Существенное влияние на свойства пленок хитозана оказывает термообработка, введение в состав полимерной матрицы биологически активных веществ, обработка сшивающими агентами и др. Тем не менее, пленки не только сохраняют комплекс ценных свойств, присущих хитозану, но и в результате модифицирования могут значительно их улучшить и даже приобрести новые полезные качества.

Конец ознакомительного фрагмента.