научная статья по теме НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА НАНОФИБРИЛЛ ХИТИНА Физика

Текст научной статьи на тему «НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА НАНОФИБРИЛЛ ХИТИНА»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2015, том 57, № 1, с. 56-61

ПРИРОДНЫЕ : ПОЛИМЕРЫ

УДК 541.64:539.2:547.995

НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА НАНОФИБРИЛЛ ХИТИНА1

© 2015 г. И. П. Добровольская*, И. А. Касаткин**, В. Е. Юдин***, Е. М. Иванькова*, В. Ю. Елоховский*

*Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 **Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9 ***Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 Поступила в редакцию 03.04.2014 г.

Принята в печать 02.07.2014 г.

Методами рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии исследована структура нанофибрилл хитина в качестве перспективного наполнителя для биорезорбируемых шовных материалов, а также матриц для клеточных технологий и тканевой инженерии. Показано, что микрочастицы порошка, полученного лиофилизацией водной дисперсии нанофибрилл хитина, имеют ленточное строение с поперечным размером около 30 мкм и толщиной 0.1 мкм. Ленты состоят из наночастиц шириной 25 нм и длиной 400—500 нм. Нанофибриллы хитина состоят из двух кристаллитов с поперечными размерами 11 — 12 нм, Ь-оси которых расположены перпендикулярно оси нанофибриллы. Нанофибриллы хитина имеют склонность к образованию плоских элементов со слоевой структурой как на микро-, так и наноуровне. Добавление нанофибрилл хитина в раствор хитозана приводит к росту его вязкости. Однако в поле сдвиговых напряжений происходит существенное снижение вязкости смеси раствора хитозан—хитин, что обусловлено наличием плоских анизодиаметричных наночастиц хитина.

БО1: 10.7868/82308112015010022

Пленки [1], волокна [2, 3] и блочные материалы [4] на основе природных полисахаридов — хитина и хитозана в последнее время широко применяются в медицине и фармакологии, для разделения и очистки жидких и газообразных сред, в качестве эффективных сорбентов [5, 6]. Одним из наиболее перспективных направлений использования этих полимеров можно назвать получение матриц для клеточных технологий и тканевой инженерии [7].

Хитин и хитозан обладают комплексом свойств, необходимым для их применения в медицине и биологии: биодеградируемость, эколо-гичность переработки, высокие прочностные и деформационные характеристики. Особенностью макромолекул данных полисахаридов считается наличие в глюкопиранозном цикле хитина боковой группы —КИ—СО—СИ3 и группы —МИ2 у хитозана, количество которых зависит от степени деацетилирования хитина.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 13-03-00748) и Российского научного фонда (грант 14-33-00003).

E-mail: dobrov@hq.macro.ru (Добровольская Ирина Петровна).

Актуальной задачей разработки резорбируе-мых матриц для клеточных технологий является получение композиционных материалов, характеризуемых биорезорбцией как матрицы, так и наполнителя. В работе [8] показано, что введение анизодиаметричных наночастиц в хитозановую матрицу существенно повышает прочность и модуль упругости композиционных волокон. Поэтому нанофибриллы хитина в качестве наполнителя для получения нанокомпозитов медицинского и биологического назначения, представляют особый интерес. Предполагается, что введение в полимерную матрицу нанофибрилл хитина позволит сформировать композиционные резорбируемые материалы с повышенной стабильностью физико-механических характеристик в активных биологических средах.

Для получения композиционных материалов на основе полимерной матрицы и наполнителей из наночастиц различной формы необходимо равномерное распределение частиц в объеме композита. Успешное решение этой задачи невозможно без информации не только об особенностях химического строения матрицы и наполнителя, но и их надмолекулярной структуре.

Хитин — азотсодержащий полисахарид [9], для кристаллической структуры которого характерен

полиморфизм, т.е. существование двух кристаллических модификаций, где макромолекулы расположены антипараллельно (а-хитин) или параллельно (ß-хитин) [10—12]. Причем в одном живом организме могут существовать обе структурные модификации, выполняющие различные функции.

В работах [13—16] приведены результаты микроскопических исследований структуры нано-фибрилл хитина, полученных различными способами. В работах [10, 11, 13] методом рентгеновской дифракции определены параметры кристаллической решетки а-хитина. Как показал анализ литературы данной тематики, надмолекулярная структура нанофибрилл хитина изучена недостаточно.

Цель настоящей работы — исследование надмолекулярной структуры нанофибрилл хитина, ее влияния на реологические свойства растворов хитозана.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования структуры нанофибрилл хитина использовали два вида образцов — пленки и порошки. Пленки хитина готовили сушкой при 20°С в течение 24 ч водной дисперсии, содержащей 31 мг/мл наночастиц хитина ("Mavi Sud s.r.l", Италия).

Порошки хитина получали лиофилизацией суспензии хитина. Водную дисперсию наноча-стиц хитина замораживали при температуре —4°С, после чего помещали в лиофилизатор "Labconco Free Zone Plus" (США), в котором выдерживали в течение 24 ч. В результате образовывался порошок, состоящий из микрочастиц. Перед сушкой и лиофилизацией водную дисперсию хитина обрабатывали ультразвуком (40 кГц, мощность 45 Вт) в течение 30 мин.

Для приготовления растворов использовали хитозан фирмы "Fluka Chemie", "BioChemika line" c М = 25 5 x 103 и степенью деацетилирова-ния 80%. Нанофибриллы хитина диспергировали в воде с помощью ультразвуковой обработки в течение 30 мин, после чего в водную дисперсию добавляли хитозан. Содержание хитозана в дисперсии составляло 4 мас. %, а количество хитина 0.05—20.0 мас. % по отношению к хитозану. Подготовленную дисперсию, имеющую pH 4—5, перемешивали в течение 30 мин до набухания и частичного растворения хитозана. В дисперсию вводили раствор уксусной кислоты при постоянном перемешивании, доводя концентрацию кислоты в растворителе до 2%. Полученную смесь раствора хитозана с наночастицами хитина перемешивали 1.5 ч, после чего фильтровали и удаля-

ли из нее воздух в течение 24 ч при давлении 0.1 атм.

Структурные исследования выполняли методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции на микроскопе "Su-pra-55 VP" ("Carl Zeiss") и дифрактометре "Bruker D8 DISCOVER" соответственно. Перед микроскопическим исследованием на образец напыляли золото. Рентгеновские измерения проводили в режиме сканирования 9-29 при использовании Cu^-излучения. Преимущественную ориентацию плоскостей определяли по величине коэффициента Марча—Долласа [17], уточняемого методом Ритвельда наряду с такими параметрами структуры, как размеры областей когерентного рассеяния, параметры элементарной ячейки и другие с помощью программного обеспечения "Bruker TOPAS 4.2".

Реологические испытания проводили на реометре "Physica MCR301" фирмы "Anton Paar" в коаксиально-цилиндрическом измерительном узле CC17-SN11329 при 20°C в сдвиговом режиме при скорости деформации от 10—6 до 103 с—1. Для исследования в кювету помещали 5 мл раствора, зависимость вязкости от скорости сдвига измеряли в режиме увеличения частоты вращения цилиндров. Из полученных данных по формуле Кросса рассчитывали значения наибольшей ньютоновской вязкости, предела текучести и времени релаксации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микрофотографии поверхности пленки из хитина толщиной 100 мкм показаны на рис. 1а и 1б. Для пленки характерно наличие гладкой равной поверхности; при большем увеличении отчетливо видны протяженные частицы, нанофибриллы, с поперечным размером 15—20 нм и продольным размером 400—500 нм (рис. 1б).

На рис. 1в—1е приведены микрофотографии частиц порошка хитина, полученного лиофили-зацией водной дисперсии. На рис. 1в—1д видно, что микрочастицы имеют ленточное строение с поперечным размером около 30 мкм и толщиной 0.1 мкм. Ленты состоят из нанофибрилл шириной 25 нм и длиной 400—500 нм (рис. 1е), что совпадает с данными, полученными для пленочных образцов. Аналогичные значения размеров нанофибрилл хитина приведены в работах [13—15].

Внутреннее строение нанофибрилл хитина исследовали методом рентгеновской дифракции. Рентгенограмма порошка из нанофибрилл хитина представлена на рис. 2, кривая l. Наличие интенсивных дифракционных максимумов свидетельствует о кристаллической структуре a-хитина с параметрами кристаллической ячейки a = 0.473 нм,

58

ДОБРОВОЛЬСКАЯ и др.

Рис. 1. Электронные микрофотографии пленки из хитина (а, б) и порошка, полученного лиофилизацией водной дисперсии хитина (в—е).

Ь = 1.899 нм, с = 1.025 нм, что совпадает с данными работ [10, 16]. Поперечный размер кристаллической ячейки Ь существенно больше размера а, что, видимо, обусловлено наличием в макромолекуле боковой группы — МИ—СО— СИ3. Макромолекулы в ячейке этой кристаллической модификации хитина располагаются анти-параллельно относительно друг друга. Средний размер области когерентного рассеяния (кристаллита), определенный по интегральной ширине дифракционных максимумов, составляет Ь = = 12.5 нм. Оценка размера кристаллита в направлении Ь-оси для рефлекса 020 с использованием формулы Шеррера дала значение Ь = 11.1 нм, однако в этом случае нужно иметь в виду, что на рефлекс 020 на рентгенограмме накладывается (и не разрешается) достаточно интенсивный

рефлекс 011, что приводит к увеличению его кажущейся ширины. Приведенная оценка может считаться нижней границей размера кристаллита. Размер кристаллитов в направлении оси с, т.е. в направлении оси макромолекул, определить на рентгенограммах порошка или пленки, снятой на отражение, не представляется возможным ввиду отсутствия четкого рефлекса 002 или его более высоких порядков. В то же время, на рентгенограммах пленки, снятых на просвет, присутствуют относительно более острые рефлексы 002 и 004, что свидетельствует о размере кристаллитов в данном направлении (порядка 30—40 нм). С этим согласуется схожий размер вдоль близкого направления 013.

Сопоставление данных РСА с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»