RU2743941C1 - Method for producing biopolymeric hydrogel - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of hydrogels from cross-linked hydrophilic biopolymers capable of quickly absorbing water amount exceeding their dry mass by more than 10 times, and while remaining mechanically strong and elastic, maintain and restore its shape after squeezing up to 90 %. They can be used in industry, agriculture, horticulture, household goods, in cosmetics and medicine, in the manufacture of packing materials, personal hygiene products and household goods, as well as medical and hygienic dressings, plasters and wound healing coatings as materials absorbing water and solutions, as well as water-releasing materials, nutrient, aromatic, biologically active and medicinal substances. Method comprises producing a biopolymer hydrogel, comprising preparing an aqueous solution of a water-soluble cellulose derivative and a polycarboxylic acid as a cross-linking agent, removal of water from the prepared solution and thermal treatment of the dehydrated composition at temperature of up to 150 °C, which initiates cross-linking of macromolecules of cellulose derivative, characterized by that solution containing 1.0–5.0 wt. % of a cellulose derivative selected from a series comprising hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxybutyl cellulose, methylhydroxyethyl cellulose, ethylhydroxyethyl cellulose, methylhydroxypropyl cellulose and carboxymethyl cellulose, and 0.5–3.0 wt. % of polycarboxylic acid represented by citric, oxalic or butane-tetracarboxylic acid. Water is removed from solution prior to cross-linking by sublimation drying with formation of dehydrated composition in the form of airgel. Thermal treatment of obtained airgel is carried out at temperature from 50 to 150 °C for 1–36 hours with its subsequent conversion into biopolymer hydrogel by impregnation with water or aqueous solution using immersion.

EFFECT: technical result is increased mechanical strength and elasticity of obtained biopolymer hydrogel, higher stability thereof during deformation while simultaneously providing the ability to rapidly absorb and retain a large volume of moisture and maintain high consumer properties due to formation of base in form of highly porous macromolecular structure, capable of withstanding large deformations.

1 cl, 9 ex, 7 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к получению гидрогелей из поперечно-сшитых гидрофильных биополимеров, способных быстро поглощать количество воды, превышающее их сухую массу более чем в 10 раз, оставаясь при этом механически прочными и эластичными, сохранять и восстанавливать свою форму после сдавливании вплоть до 90%. Они могут найти применение в промышленности, сельском хозяйстве, садоводстве, быту, в косметике и медицине, при изготовлении упаковочных материалов, изделий личной гигиены и домашнего обихода, а также медицинских и гигиенических повязок, пластырей и ранозаживляющих покрытий в качестве материалов, абсорбирующих воду и растворы, а также материалов, контролируемо высвобождающих воду, питательные, ароматические, биологически активные и лекарственные вещества, предварительно включенные в их состав. На сегодняшний день востребованными являются гидрогели, полученные из компонентов природного происхождения и обладающие биосовместимостью и биоразлагаемостью, не токсичные по отношению к человеку и окружающей среде, не оказывающие раздражающего воздействия на кожу человека и не вызывающие у него аллергических реакций.The invention relates to the production of hydrogels from cross-linked hydrophilic biopolymers capable of rapidly absorbing an amount of water exceeding their dry weight by more than 10 times, while remaining mechanically strong and elastic, retain and restore their shape after squeezing up to 90%. They can be used in industry, agriculture, horticulture, everyday life, in cosmetics and medicine, in the manufacture of packaging materials, personal hygiene products and household items, as well as medical and hygienic dressings, plasters and wound healing coatings as materials that absorb water and solutions. , as well as materials that release water in a controlled manner, nutritious, aromatic, biologically active and medicinal substances previously included in their composition. Today, hydrogels obtained from components of natural origin and possessing biocompatibility and biodegradability, non-toxic to humans and the environment, non-irritating to human skin and not causing allergic reactions are in demand.

Известен способ получения рН-чувствительного гидрогеля, набухание которого зависит от рН раствора, предназначенного для использования в качестве трансдермального носителя лекарственного средства, содержащего комплекс гидроксиэтилцеллюлозы с гиалуроновой кислотой (KR101693753, опубл. 2017.01.06). Способ включает растворение гидроксиэтилцеллюлозы и гиалуроновой кислоты в предварительно подготовленном концентрированном водном растворе гидроксида натрия для активации гидроксильных групп с последующей обработкой дивинилсульфоном, выступающим в роли сшивающего агента. Гидрогель, полученный известным способом, и остатки сшивающего агента, не обладает необходимыми высокими потребительскими качествами, поскольку при сшивке в концентрированном растворе щелочи происходит частичный гидролиз биополимеров, а остающиеся следовые количества двинилсульфона оказывают сильное раздражающее и отчасти токсичное воздействие на кожу, к тому же помимо недорогого растворимого производного целлюлозы гидрогель содержит дорогостоящую гиалуроновую кислоту.There is a known method of obtaining a pH-sensitive hydrogel, the swelling of which depends on the pH of a solution intended for use as a transdermal carrier of a drug containing a complex of hydroxyethylcellulose with hyaluronic acid (KR101693753, publ. 2017.01.06). The method includes dissolving hydroxyethyl cellulose and hyaluronic acid in a pre-prepared concentrated aqueous solution of sodium hydroxide to activate hydroxyl groups, followed by treatment with divinyl sulfone acting as a cross-linking agent. The hydrogel obtained by a known method and the residues of the crosslinking agent do not have the required high consumer properties, since during crosslinking in a concentrated alkali solution, partial hydrolysis of biopolymers occurs, and the remaining trace amounts of dynylsulfone have a strong irritant and partly toxic effect on the skin, besides, in addition to inexpensive a soluble cellulose derivative, the hydrogel contains expensive hyaluronic acid.

Известен описанный в документе РН 12017050130, опубл. 2019.07.24, способ получения гидрогеля с антимикробными свойствами и высокой поглощающей способностью для изготовления перевязочного материала, который не нуждается в антимикрокробных добавках. Согласно известному способу, физически сшитые гидрогели с различным содержанием гидроксиэтилцеллюлозы формируются при комнатной температуре путем смешения растворов мочевины (NH₂)₂CO и гидроксида натрия NaOH в дистиллированной воде при массовом соотношении (NH₂)₂CO: NaOH: H₂O=5: 6: 89 с добавлением 12-15% гидроксиэтилцеллюлозы. Максимальная поглощающая способность полученного гидрогеля составляет 173,8% при содержании гидроксиэтилцеллюлозы 13,75%, при этом он может поглощать воду в течение около 420 минут до полного распада в рабочей среде. Кроме того, в известном способе использована щелочь, вызывающая частичную деградацию биополимера в результате гидролиза, из-за которого полученный гидрогель не обладает достаточной стабильностью и механической прочностью, что является общим недостатком гидрогелей, в которых макромолекулы ассоциированы только за счет физических взаимодействий, а не ковалентных связей.Known described in the document RN 12017050130, publ. 2019.07.24, a method for producing a hydrogel with antimicrobial properties and high absorbency for the manufacture of a dressing that does not need antimicrobial additives. According to the known method, physically crosslinked hydrogels with different contents of hydroxyethyl cellulose are formed at room temperature by mixing solutions of urea (NH₂ )₂ CO and sodium hydroxide NaOH in distilled water at a mass ratio of (NH₂ )₂ CO: NaOH: H₂ O = 5: 6: 89 with the addition of 12-15% hydroxyethyl cellulose. The maximum absorption capacity of the obtained hydrogel is 173.8% with a hydroxyethyl cellulose content of 13.75%, while it can absorb water for about 420 minutes before it completely disintegrates in the working environment. In addition, in the known method, an alkali is used, which causes partial degradation of the biopolymer as a result of hydrolysis, due to which the resulting hydrogel does not have sufficient stability and mechanical strength, which is a common disadvantage of hydrogels in which macromolecules are associated only through physical interactions, and not covalent connections.

Известен способ получения биоразлагаемого гидрогеля медицинского назначения, описанный в патенте RU2493170, опубл. 2013.09.20, который включает приготовление водного раствора композиции, содержащей полисахарид, выбранный из группы, состоящей из водорастворимых производных целлюлоз, замещенных декстранов, замещенных крахмалов, глюкозаминоглюканов и полиуроновых кислот. В предпочтительных вариантах осуществления известного способа водный раствор включает смесь полисахаридов, преимущественно представленных бинарной смесью карбоксиметилцеллюлозы и гидроксиэтилцеллюлозы, взятых в массовом соотношении 3:1 и суммарно в количестве до 2% от массы исходного раствора, а также лимонную кислоту в качестве сшивающего агента в количестве 1,75-3,75% от суммарной массы упомянутой бинарной смеси биополимеров, что составляет примерно 0,02-0,04% в растворе. Для проведения сшивки из раствора удаляют воду, частично либо полностью, досуха, за счет испарения, например, путем нагревания при 30-40°С в течение двух суток, после чего сформированную пленку подвергают термообработке при температуре 50-120°С, преимущественно 80°С, в течение 10-24 часов, инициируя поперечную сшивку производных целлюлозы лимонной кислотой. При помещении в воду пленки, раздробленной на кусочки для ускорения поглощения растворителя, происходит ее набухание с образованием полимерного гидрогеля. Полученный полимерный гидрогель при необходимости промывают полярным растворителем, преимущественно водой, удаляя непрореагировавшие вещества. Способ может включать сушку. Известный способ обеспечивает получение гидрогелей с высокой степенью поглощения воды за счет небольшого числа ковалентных сшивок, образованных при использовании малых концентраций лимонной кислоты, однако, полученные в таких условиях гидрогелевые материалы являются механически очень непрочными, что резко ограничивает их применение, поскольку они сами по себе распадаются при поглощении избытка воды или при небольшом внешнем механическом воздействии. Однако увеличение степени сшивки, призванное обеспечить повышение механической прочности гидрогеля, приводит к ухудшению способности сшитых пленок к поглощению воды и набуханию, т.е., к потере способности образовывать гидрогель.A known method of producing a biodegradable hydrogel for medical purposes, described in patent RU2493170, publ. 2013.09.20, which includes preparing an aqueous solution of a composition containing a polysaccharide selected from the group consisting of water-soluble cellulose derivatives, substituted dextrans, substituted starches, glucosaminoglucans and polyuronic acids. In preferred embodiments of the known method, the aqueous solution comprises a mixture of polysaccharides, mainly represented by a binary mixture of carboxymethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose, taken in a weight ratio of 3: 1 and in total in an amount up to 2% by weight of the initial solution, and citric acid as a crosslinking agent in an amount of 1 , 75-3.75% of the total mass of the mentioned binary mixture of biopolymers, which is approximately 0.02-0.04% in solution. To carry out crosslinking, water is removed from the solution, partially or completely, to dryness, due to evaporation, for example, by heating at 30-40 ° C for two days, after which the formed film is subjected to heat treatment at a temperature of 50-120 ° C, mainly 80 ° C, for 10-24 hours, initiating the cross-linking of the cellulose derivatives with citric acid. When a film is placed in water, which is crushed into pieces to accelerate the absorption of the solvent, it swells with the formation of a polymer hydrogel. The resulting polymer hydrogel, if necessary, is washed with a polar solvent, preferably water, to remove unreacted substances. The method can include drying. The known method provides for the production of hydrogels with a high degree of water absorption due to a small number of covalent crosslinks formed when using low concentrations of citric acid, however, hydrogel materials obtained under such conditions are mechanically very fragile, which sharply limits their use, since they themselves disintegrate when absorbing excess water or with a slight external mechanical stress. However, an increase in the degree of crosslinking, designed to provide an increase in the mechanical strength of the hydrogel, leads to a deterioration in the ability of crosslinked films to absorb water and swell, i.e., to a loss of the ability to form a hydrogel.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения биоразлагаемых полимерных гидрогелей медицинского назначения (RU2618329, опубл. 2017.05.03) сшивкой с помощью поликарбоновой кислоты природных полимеров, а именно, карбоксиалкилполисахарида и/или гидроксиалкилполисахарида, которые представлены соответствующими водорастворимыми производными целлюлозы: карбоксиметилцеллюлозой либо гидроксиэтилцеллюлозой, либо их комбинацией. Известный способ является многовариантным, но при этом включает следующие общие для всех вариантов стадии: (1) приготовление формирующего водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы и поликарбоновой, а именно, лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновой), кислоты; (2) перемешивание раствора в течение времени, достаточного для обеспечения его гомогенности; (3) удаление из раствора воды, преимущественно выпариванием в сушильном шкафу; (4) термообработку обезвоженного композита путем нагревания до температуры не менее 80°С, преимущественно до 80-150°С, в течение 8-24 часов для инициирования сшивки упомянутых карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы лимонной кислотой, что приводит к формированию сшитой полимерной пленки, в результате набухания которой в воде или водных растворах получают гидрогель. Согласно известному способу, исходный формирующий водный раствор содержит 5,0-7,0 масс. %, карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы и 0,15-0,35% лимонной кислоты от массы карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы либо их суммарной массы в растворе. Полученную в результате сшивки полимерную пленку тщательно промывают несколько раз большим количеством воды, после чего сушат, измельчают и калибруют кусочки по размеру. Для получения гидрогеля, предполагаемого к использованию, кусочки заливают водой для набухания.Closest to the proposed method is a method for producing biodegradable polymer hydrogels for medical purposes (RU2618329, publ. 2017.05.03) by crosslinking natural polymers using polycarboxylic acid, namely, carboxyalkyl polysaccharide and / or hydroxyalkyl polysaccharide, which are represented by the corresponding water-soluble derivatives of hydroxymethyl cellulose or carboxymethyl cellulose: carboxymethyl cellulose: carboxymethyl cellulose a combination of them. The known method is multivariate, but at the same time it includes the following general steps for all variants: (1) preparation of a forming aqueous solution of carboxymethylcellulose and / or hydroxyethylcellulose and polycarboxylic, namely, citric (2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic) acid ; (2) stirring the solution for a time sufficient to ensure its homogeneity; (3) removing water from the solution, preferably by evaporation in an oven; (4) heat treatment of the dehydrated composite by heating to a temperature of at least 80 ° C, preferably up to 80-150 ° C, for 8-24 hours to initiate the crosslinking of said carboxymethylcellulose and / or hydroxyethylcellulose with citric acid, which leads to the formation of a crosslinked polymer film, as a result of swelling of which in water or aqueous solutions a hydrogel is obtained. According to the known method, the initial forming aqueous solution contains 5.0-7.0 mass. %, carboxymethyl cellulose and / or hydroxyethyl cellulose and 0.15-0.35% citric acid based on the weight of carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose or their total weight in solution. The polymer film obtained as a result of crosslinking is thoroughly washed several times with a large amount of water, after which it is dried, crushed and the pieces are sized. To obtain the hydrogel to be used, the pieces are poured with water to swell.

Оценка параметров известного способа вызывает некоторые затруднения из-за их представления в описании либо неопределенным образом, например, (цитата): «любое сочетание времени и температуры, которое дает полимерный гидрогель, обладающий желаемой способностью поглощать рассматриваемую водную среду» либо в виде длинного ряда «предпочтительных» и «наиболее предпочтительных» значений конкретного параметра. Тем не менее, приведенные примеры показывают, что полученный известным способом гидрогель характеризуется высокой водопоглощающей способностью за счет использования сравнительно небольшого количества сшивающего агента -лимонной кислоты - в формирующем растворе, которое, однако, не может обеспечить образования достаточного числа поперечных сшивок на единицу объема для придания формируемому гидрогелю необходимой механической прочности и упругости, а, кроме того, может оказаться причиной частичного вымывания из полученного гидрогеля карбоксиметилцеллюлозы и/или гидроксиэтилцеллюлозы, не подвергнутых сшивке. Однако увеличение числа сшивок, как известно из химии полимеров, приводит к уплотнению гидрогеля, снижению его водопоглощающей способности, затруднению и, как следствие, замедлению набухания. Для увеличения пористости гидрогеля, способствующей ускорению набухания, в его состав добавляют растворимый молекулярный разделитель - спейсер, в качестве которого в известном способе предусмотрено использование сахарида, полиола или сахароспирта, сорбита в количестве до 20 масс. % в формирующем растворе. При его растворении в объеме остаются поры, затем заполняемые растворителем. Формирование гидрогеля в присутствии спейсера ускоряется, но в недостаточной степени, поскольку растворение все равно требует значительного времени. Кроме того, упомянутые спейсеры в таких больших концентрациях значительно ухудшают потребительские качества гидрогелей, поскольку могут выходить на поверхность, делая ее липкой, а при контакте с кожей человека оказывать на нее негативное воздействие.Estimation of the parameters of the known method causes some difficulties because of their presentation in the description either in an indefinite way, for example, (quote): "any combination of time and temperature that gives a polymer hydrogel that has the desired ability to absorb the considered aqueous medium" or in the form of a long series " preferred "and" most preferred "values for a particular parameter. Nevertheless, the above examples show that the hydrogel obtained by the known method is characterized by a high water-absorbing ability due to the use of a relatively small amount of a cross-linking agent, citric acid, in the forming solution, which, however, cannot ensure the formation of a sufficient number of cross-links per unit volume to impart the formed hydrogel of the necessary mechanical strength and elasticity, and, in addition, may cause partial washing out of the resulting hydrogel of carboxymethyl cellulose and / or hydroxyethyl cellulose not subjected to crosslinking. However, an increase in the number of crosslinks, as is known from polymer chemistry, leads to the compaction of the hydrogel, a decrease in its water-absorbing capacity, difficulty and, as a consequence, retardation of swelling. To increase the porosity of the hydrogel, which accelerates swelling, a soluble molecular separator is added to its composition - a spacer, which in the known method provides for the use of saccharide, polyol or sugar alcohol, sorbitol in an amount of up to 20 wt. % in the forming solution. When it dissolves, pores remain in the volume, which are then filled with a solvent. The formation of a hydrogel in the presence of a spacer is accelerated, but not sufficiently, since dissolution still takes a long time. In addition, the said spacers in such high concentrations significantly impair the consumer qualities of hydrogels, since they can come to the surface, making it sticky, and upon contact with human skin, have a negative effect on it.

Задачей изобретения является создание способа получения гидрогеля из компонентов природного происхождения (биополимерного), биосовместимого и биоразлагаемого, с высокими потребительскими качествами, быстро поглощающего влагу и растворы, включая солевые, хорошо удерживающего их и при этом сохраняющего форму, эластичного, механически прочного и устойчивого при больших деформациях.The objective of the invention is to create a method for producing a hydrogel from components of natural origin (biopolymer), biocompatible and biodegradable, with high consumer qualities, quickly absorbing moisture and solutions, including salt solutions, retaining them well and at the same time retaining their shape, elastic, mechanically strong and stable at large deformations.

Технический результат способа заключается в увеличении механической прочности и эластичности получаемого биополимерного гидрогеля, повышении его устойчивости при деформации при одновременном обеспечении способности к быстрому поглощению и удерживанию большого объема влаги при одновременном сохранении высоких потребительских качеств за счет формирования основы в виде аэрогеля, представляющего собой высокопористую макромолекулярную конструкцию, обладающую способностью выдерживать большие деформации с сохранением формы.The technical result of the method consists in increasing the mechanical strength and elasticity of the resulting biopolymer hydrogel, increasing its stability during deformation while ensuring the ability to quickly absorb and retain a large amount of moisture while maintaining high consumer qualities due to the formation of a base in the form of an airgel, which is a highly porous macromolecular structure , which has the ability to withstand large deformations while maintaining its shape.

Указанный технический результат достигают способом получения биополимерного гидрогеля, включающим приготовление водного раствора водорастворимого производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в качестве сшивающего агента, удаление воды из подготовленного раствора и термообработку обезвоженной композиции при температуре до 150°С, инициирующую поперечную сшивку макромолекул производного целлюлозы, в котором, в отличие от известного, готовят раствор, содержащий 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы, выбранного из ряда, включающего гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксибутилцеллюлозу, метилгидроксиэтилцеллюлозу, этилгидроксиэтилцеллюлозу, метилгидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и 0,5-3,0 масс. % поликарбоновой кислоты, представленной щавелевой, лимонной или бутантетракарбоновой кислотой, содержащих, соответственно две, три и четыре карбоксильные группы, при этом воду из раствора перед сшивкой удаляют путем лиофильной (сублимационной) сушки с формированием обезвоженной композиции в виде аэрогеля, термообработку полученного аэрогеля проводят при температуре от 50 до 150°С в течение 1-36 часов с его последующей конверсией в биополимерный гидрогель путем пропитки водой либо водным раствором, используя погружение.The specified technical result is achieved by a method for producing a biopolymer hydrogel, including preparing an aqueous solution of a water-soluble cellulose derivative and a polycarboxylic acid as a crosslinking agent, removing water from the prepared solution and heat treatment of the dehydrated composition at temperatures up to 150 ° C, initiating cross-linking of macromolecules of the cellulose derivative, in which, in contrast to the known, prepare a solution containing 1.0-5.0 mass. % of a cellulose derivative selected from the range including hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxybutyl cellulose, methyl hydroxyethyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, methyl hydroxypropyl cellulose and carboxymethyl cellulose, and 0.5-3.0 wt. % polycarboxylic acid, represented by oxalic, citric or butane tetracarboxylic acid, containing, respectively, two, three and four carboxyl groups, while water is removed from the solution before crosslinking by freeze-drying (sublimation) drying to form a dehydrated composition in the form of an airgel, heat treatment of the resulting airgel is carried out at temperature from 50 to 150 ° C for 1-36 hours with its subsequent conversion into a biopolymer hydrogel by impregnation with water or an aqueous solution using immersion.

В преимущественном варианте осуществления способа формирующий раствор подвергают лиофильной сушке под вакуумом при остаточном давлении 3-10 мбар и температуре не выше минус 45°С в течение 4 дней.In an advantageous embodiment of the method, the forming solution is subjected to freeze-drying under vacuum at a residual pressure of 3-10 mbar and a temperature not exceeding minus 45 ° C for 4 days.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Готовят формирующий раствор композиции, содержащей выбранное водорастворимое производное целлюлозы в количестве 1,0-5,0 масс. % и сшивающий агент, представленный поликарбоновой кислотой в количестве 0,5-3,0 масс. %.Prepare a forming solution of a composition containing the selected water-soluble cellulose derivative in an amount of 1.0-5.0 wt. % and a crosslinking agent represented by polycarboxylic acid in an amount of 0.5-3.0 wt. %.

Водорастворимое замещенное производное целлюлозы выбирают из ряда, включающего:The water-soluble substituted cellulose derivative is selected from:

гидроксиэтилцеллюлозу,hydroxyethyl cellulose,

гидроксипропилцеллюлозу,hydroxypropyl cellulose,

гидроксибутилцеллюлозу,hydroxybutylcellulose,

метилгидроксиэтилцеллюлозу,methylhydroxyethylcellulose,

этилгидроксиэтилцеллюлозу,ethyl hydroxyethyl cellulose,

метилгидроксипропилцеллюлозу,methylhydroxypropyl cellulose,

карбоксиметилцеллюлозу.carboxymethyl cellulose.

В качестве поликарбоновой кислоты используют щавелевую (этандиовую) НООС-СООН, лимонную (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновую) C₆H₈O₇ либо бутантетракарбоновую кислоту, которые обеспечивают поперечную сшивку макромолекул выбранного производного целлюлозы с формированием трехмерной сетчатой структуры.As a polycarboxylic acid, oxalic (ethanedioic) HOOC-COOH, citric (2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic) C₆ H₈ O₇ or butane tetracarboxylic acid are used, which provide cross-linking of macromolecules of the selected cellulose derivative with the formation of a three-dimensional network structure ...

Из расчетных количеств упомянутых выше производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в отмеренных объемах деионизированной (деминерализованной) или дистиллированной воды готовят отдельные растворы. После тщательного перемешивания их отставляют для достижения полного растворения введенных компонентов, затем смешивают в необходимом соотношении и снова тщательно перемешивают до гомогенного состояния.Separate solutions are prepared from the calculated amounts of the aforementioned cellulose derivative and polycarboxylic acid in measured volumes of deionized (demineralized) or distilled water. After thorough mixing, they are set aside to achieve complete dissolution of the introduced components, then mixed in the required ratio and again thoroughly mixed until homogeneous.

Подготовленный таким образом формирующий раствор, содержащий композицию из 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы и 0,5-3,0 масс. % сшивающего агента, замораживают и удаляют из него воду в режиме вакуумно-сублимационной сушки с помощью лиофильной сушилки.The thus prepared forming solution containing a composition of 1.0-5.0 mass. % cellulose derivative and 0.5-3.0 wt. % of a cross-linking agent, freeze and remove water from it in a vacuum-freeze drying mode using a freeze dryer.

Лиофильная сушка, иными словами, удаление влаги вымораживанием (сублимацией) в вакууме, представляет собой сложный многоступенчатый процесс. На первом этапе проводится замораживание раствора, которое приводит к образованию микрокристалликов льда в объеме материала. На следующем этапе камеру с замороженным раствором вакуумируют. Вода при этом испаряется без плавления образовавшихся микрокристалликов льда, которые сублимируют, оставляя в материале вместо себя взаимосвязанные поры и промежутки, что способствует сохранению обрабатываемым материалом исходной формы и структуры, позволяет избежать усадки и уплотнения, происходящих при обычном высушивании. Когда после завершения процесса в камеру лиофильной сушки запускают воздух, он заполняет поры и промежутки, оставшиеся в материале после удаления замерзшей воды, что послужило основанием назвать полученный материал аэрогелем.Freeze drying, in other words, removing moisture by freezing (sublimation) in a vacuum, is a complex multi-stage process. At the first stage, the solution is frozen, which leads to the formation of ice microcrystals in the bulk of the material. At the next stage, the chamber with the frozen solution is evacuated. In this case, water evaporates without melting the formed ice microcrystals, which sublimate, leaving interconnected pores and gaps in the material instead of themselves, which helps the processed material retain its original shape and structure, avoids shrinkage and compaction that occur during normal drying. When, after the completion of the process, air is introduced into the freeze drying chamber, it fills the pores and gaps left in the material after the removal of frozen water, which was the reason to call the resulting material an airgel.

Обезвоженный таким образом материал - аэрогель - подвергают термообработке одним из известных способов, например, в термостате или муфельной печи, при температуре 50-150°С в течение 1-36 часов, Термообработка активирует поликарбоновую кислоту, инициируя образование поперечных сшивок между макромолекулами выбранного производного целлюлозы, и таким образом упрочняет сформированную фибриллами сетчатую структуру. В результате проведенной термообработки аэрогель остается без видимых изменений в виде сухой пористой массы с маленькой удельной плотностью, однако, при этом резко возрастает его механическая прочность, причем биополимер теряет способность растворяться в воде.The material dehydrated in this way - airgel - is subjected to heat treatment by one of the known methods, for example, in a thermostat or muffle furnace, at a temperature of 50-150 ° C for 1-36 hours, Heat treatment activates the polycarboxylic acid, initiating the formation of crosslinks between macromolecules of the selected cellulose derivative , and thus strengthens the fibril-formed network structure. As a result of the heat treatment carried out, the airgel remains without visible changes in the form of a dry porous mass with a low specific density, however, its mechanical strength sharply increases, and the biopolymer loses its ability to dissolve in water.

При погружении аэрогеля в воду она быстро - в считаные минуты -заполняет его поры, поскольку они связаны друг с другом, образуя структуру типа сообщающихся каналов. При этом восстанавливается структура раствора, которая была до проведения лиофильной сушки, но в материале уже находятся не свободные водорастворимые макромолекулы, а сшитые. Поэтому вместо раствора формируется гидрогель. Его свойства, в частности, количество абсорбированной воды (степень набухания) и механическая прочность, определяются степенью сшивки. Увеличение степени сшивки приводит к увеличению механической прочности гидрогеля, но при этом уменьшается набухание, т.е. влагопоглощение.When the airgel is immersed in water, it quickly - in a matter of minutes - fills its pores, as they are connected to each other, forming a structure like communicating channels. In this case, the structure of the solution is restored, which was before freeze drying, but the material already contains not free water-soluble macromolecules, but cross-linked ones. Therefore, instead of a solution, a hydrogel is formed. Its properties, in particular the amount of absorbed water (degree of swelling) and mechanical strength, are determined by the degree of crosslinking. An increase in the degree of crosslinking leads to an increase in the mechanical strength of the hydrogel, but the swelling decreases, i.e. moisture absorption.

Получение гидрогеля через стадию аэрогеля, который по объему практически равен объему исходного раствора, является принципиальным отличием от известного способа, в котором раствор высушивают до состояния пленки, а гидрогель получается в результате ее набухания. Полученная известным способом пленка имеет плотную структуру. Она медленно абсорбирует воду, а при таком количестве поликарбоновой кислоты, которое используется для приготовления аэрогеля предлагаемым способом, практически потеряет способность набухать из-за сильно сшитой структуры.Obtaining a hydrogel through the airgel stage, which is practically equal in volume to the volume of the initial solution, is a fundamental difference from the known method, in which the solution is dried to a film state, and the hydrogel is obtained as a result of its swelling. The film obtained in a known manner has a dense structure. It absorbs water slowly, and with such an amount of polycarboxylic acid, which is used to prepare the airgel by the proposed method, it practically loses its ability to swell due to the highly crosslinked structure.

Аэрогели имеют большой объем взаимосвязанных пор, переходящих одна в другую, а поэтому вода заполняет их быстро и без затруднений, даже при большом количестве сшивок. Сшивки необходимы для образования механически прочного каркаса - трехмерной сетчатой структуры из сшитых макромолекул биополимера, обуславливающего получение механически прочного гидрогеля. При такой степени сшивки, которой обладают пленки, полученные известным способом, аэрогель распадется из-за отсутствия необходимой механической прочности.Aerogels have a large volume of interconnected pores that turn into one another, and therefore water fills them quickly and without difficulty, even with a large number of crosslinks. Crosslinks are necessary for the formation of a mechanically strong framework - a three-dimensional network structure of crosslinked biopolymer macromolecules, which provides a mechanically strong hydrogel. With such a degree of crosslinking, which is possessed by films obtained by a known method, the airgel will disintegrate due to the lack of the necessary mechanical strength.

Предлагаемый способ обеспечивает получение биополимерного гидрогеля с применением только натуральных компонентов, не требует использования молекулярного разделителя для увеличения пористости, а также нерастворителя на этапе сушки либо каких-то других дополнительных реактивов, способных внести в получаемый материал нежелательный элемент (примесь), что могло бы отрицательно сказаться на таких его свойствах, как биосовместимость и биоразлагаемость, либо ухудшить его потребительские свойства. В качестве предпочтительного полярного растворителя используется только вода.The proposed method provides for the production of a biopolymer hydrogel using only natural components, does not require the use of a molecular separator to increase porosity, as well as a non-solvent at the drying stage or any other additional reagents that can introduce an undesirable element (impurity) into the resulting material, which could negatively affect such properties as biocompatibility and biodegradability, or worsen its consumer properties. Only water is used as the preferred polar solvent.

Помимо всего прочего, в производстве гидрогеля предлагаемым способом отсутствуют какие-либо экологически небезопасные сточные промывные воды и токсичные побочные продукты переработки.Among other things, in the production of the hydrogel by the proposed method, there are no ecologically unsafe waste water washings and toxic by-products of processing.

Экспериментальная проверка показала осуществимость предлагаемого способа с достижением технического результата во всем заявляемом интервале значений для всех его параметров, однако при выборе параметров надо учитывать их взаимозависимость, например, тот факт, что время термообработки, необходимое для сшивки, зависит от температуры сшивки и от концентрации поликарбоновой кислоты.Experimental verification has shown the feasibility of the proposed method with the achievement of the technical result in the entire declared range of values for all its parameters, however, when choosing the parameters, their interdependence must be taken into account, for example, the fact that the heat treatment time required for crosslinking depends on the crosslinking temperature and on the concentration of polycarbonate. acid.

Примеры конкретного осуществления способаExamples of specific implementation of the method

Было протестировано поведение образцов биополимерного гидрогеля, полученных предлагаемым способом, проверена их сорбционная емкость по воде и солевым растворам, изучены упругие свойства и механическая прочность в режиме сдавливания в сравнении с данными для образцов, полученных при том или ином нарушении условий предлагаемого способа.The behavior of biopolymer hydrogel samples obtained by the proposed method was tested, their sorption capacity for water and saline solutions was checked, elastic properties and mechanical strength in the compression mode were studied in comparison with the data for samples obtained with one or another violation of the conditions of the proposed method.

Результаты тестирования наглядно представлены в графическом приложении, где на фиг. 1 показана зависимость сжимающего напряжения от деформации образца гидрогеля. Кривые 1 и 2 относятся, соответственно, к первому и повторному сдавливанию, а кривая 3 - к снятию нагрузки после первого сдавливания. Прямая пунктирная линия является касательной к начальному линейному участку кривой 1. Она служит для нахождения модуля Юнга из тангенса угла ее наклона.The test results are graphically presented in a graphical application, where in Fig. 1 shows the dependence of the compressive stress on the deformation of the hydrogel sample.Curves 1 and 2 refer to the first and repeated compression, respectively, andcurve 3 to the release of the load after the first compression. A straight dashed line is tangent to the initial linear portion ofcurve 1. It is used to find Young's modulus from the tangent of its slope.

На фиг. 2 представлены последовательные фотографии образца аэрогеля, помещенного на поверхность с разлитой водой. Под снимками указано время, отсчитываемое с момента начала его контакта с водой.FIG. 2 shows sequential photographs of an airgel sample placed on a surface with spilled water. The time, counted from the moment of the beginning of its contact with water, is indicated under the pictures.

На фиг. 3 показаны степени набухания аэрогеля в воде, в 0,9% растворе хлорида натрия, растворе Рингера (физиологическом растворе) и желчи. Два последних раствора для проведения тестирования приобретены в аптеке.FIG. 3 shows the degree of swelling of the airgel in water, 0.9% sodium chloride solution, Ringer's solution (saline) and bile. The last two test solutions were purchased from a pharmacy.

На фиг. 4 представлены последовательные фотографии полученного гидрогеля: 1) до сдавливания, 2) сдавленного на 80% и 3) после сдавливания.FIG. 4 shows sequential photographs of the obtained hydrogel: 1) before squeezing, 2) squeezed by 80%, and 3) after squeezing.

На фиг. 5 представлены микрофотографии образца полученного аэрогеля в вертикальном сечении, полученные на сканирующем электронном микроскопе при увеличении в 150 и 1500 раз.FIG. 5 shows photomicrographs of a sample of the obtained airgel in a vertical section, obtained with a scanning electron microscope at a magnification of 150 and 1500 times.

На фиг. 6 показаны зависимости значения модуля Юнга от содержания в формирующем растворе лимонной кислоты для аэрогелей, сформированных при двух разных содержаниях гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ): кривая 1 соответствует 2 масс. % ГЭЦ и кривая 2-5 масс. % ГЭЦ.FIG. 6 shows the dependences of the Young's modulus on the content of citric acid in the forming solution for aerogels formed at two different contents of hydroxyethyl cellulose (HEC):curve 1 corresponds to 2 wt. % HEC and curve 2-5 wt. % HEC.

На фиг. 7 показаны соответствующие кривые зависимости значения модуля Юнга от содержания в формирующем растворе лимонной кислоты для гидрогелей, полученных из указанных выше аэрогелей.FIG. 7 shows the corresponding curves of the dependence of the Young's modulus on the content in the forming solution of citric acid for hydrogels obtained from the above aerogels.

Пример 1Example 1

Приготовили раствор: 1,0 г гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ) залили 24,0 мл деионизированной воды и оставили для перемешивания на магнитной мешалке на сутки до полного растворения. Параллельно готовили второй раствор: 1,0 г лимонной кислоты растворили в 24,0 мл деионизированной воды и также перемешивали на магнитной мешалке в течение суток. Оба раствора слили вместе и перемешивали на магнитной мешалке еще в течение 1 часа при комнатной температуре. Получили 50 мл раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты.A solution was prepared: 1.0 g of hydroxyethyl cellulose (HEC) was poured into 24.0 ml of deionized water and left to stir on a magnetic stirrer for a day until complete dissolution. In parallel, a second solution was prepared: 1.0 g of citric acid was dissolved in 24.0 ml of deionized water and also stirred on a magnetic stirrer for a day. Both solutions were poured together and stirred on a magnetic stirrer for an additional 1 hour at room temperature. Received 50 ml of a solution containing 2.0 mass. % HEC and 2.0 wt. % citric acid.

Приготовленный раствор поместили в силиконовую ванночку с внутренними размерами 65×80×20 мм³ и перенесли в камеру лиофильной сушки для заморозки при минус 50°С. После заморозки камеру вакуумировали до остаточного давления 10^-3 мбар и выдерживали под вакуумом в течение 4 суток. За это время выкристаллизовавшаяся вода полностью сублимировала. В ванночке осталась сухая белая пористая масса объемом 65×80×9,5 мм³, представляющая собой аэрогель.The prepared solution was placed in a silicone bath with internal dimensions of 65 × 80 × 20 mm³ and transferred to a freeze-drying chamber for freezing at minus 50 ° C. After freezing, the chamber was evacuated to a residual pressure of 10^-3 mbar and kept under vacuum for 4 days. During this time, the crystallized water completely sublimated. A dry white porous mass with a volume of 65 × 80 × 9.5 mm³ , which is an airgel, remained in the bath.

Полученный аэрогель, не вынимая из ванночки, переместили в термостат с температурой 80°С и выдержали при этой температуре в течение 24 часов. После проведенной термообработки аэрогель внешне не изменился; он по-прежнему имел вид сухой белой пористой массы размерами 65×80×9,2 мм³ с плотностью 0,093 г/см³.The resulting airgel, without removing it from the bath, was transferred to a thermostat with a temperature of 80 ° C and kept at this temperature for 24 hours. After the heat treatment carried out, the airgel did not change outwardly; it still had the appearance of a dry white porous mass with dimensions of 65 × 80 × 9.2 mm³ with a density of 0.093 g / cm³ .

После термообработки аэрогель поместили в емкость с водой. Быстро впитывая воду, аэрогель увеличился в размерах на 20-30%, погрузился в воду и через 2-3 минуты опустился на дно. Распада и растворения при этом не наблюдалось. Его сорбционная емкость по воде составила чуть более 1600% (фиг. 3).After heat treatment, the airgel was placed in a container with water. Quickly absorbing water, the airgel increased in size by 20-30%, sank into the water and sank to the bottom in 2-3 minutes. No decomposition and dissolution were observed. Its water sorption capacity was slightly more than 1600% (Fig. 3).

Результаты механических испытаний аэрогеля в режиме сдавливания образца, находящегося между двумя параллельными пластинами, приведены на фиг. 1. Модуль Юнга, определенный из тангенса угла наклона касательной (пунктирная линия) на начальном линейном участке, составил 0,42 МПа. Показаны первое сдавливание до 80% (кривая 1), снятие нагрузки (кривая 3) и второе сдавливание (кривая 2), которое начиналось с того же исходного положения, что и первое сдавливание.The results of mechanical tests of the airgel in the mode of squeezing a sample located between two parallel plates are shown in Fig. 1. Young's modulus, determined from the tangent of the angle of inclination of the tangent (dotted line) at the initial linear section, was 0.42 MPa. The first compression up to 80% (curve 1), the release of the load (curve 3) and the second compression (curve 2), which started from the same starting position as the first compression, are shown.

При таком проведении тестирования контакт пластины образца, показанный вертикальной стрелкой, позволяет определить степень его восстановления после первой деформации.With this test, the contact of the sample plate, shown by the vertical arrow, allows you to determine the degree of its recovery after the first deformation.

Сдавливание массива аэрогеля даже на 90% от исходной начальной толщины не привело к его разрушению, растрескиванию, расщеплению или отделению от него частей. Благодаря внутренней сетчатой структуре, образованной фибриллами, он оставался монолитным, но после снятия нагрузки восстанавливался не полностью, а частично. Как видно из кривой 2 (фиг. 1), восстановление его толщины после повторного сжатия составило примерно 75% от ее первоначального значения.Compression of the airgel mass by even 90% of the initial initial thickness did not lead to its destruction, cracking, splitting or separation of parts from it. Due to the internal reticular structure formed by fibrils, it remained monolithic, but after removing the load, it was not completely restored, but partially. As can be seen from curve 2 (Fig. 1), the recovery of its thickness after re-compression was about 75% of its original value.

На фиг. 2 представлены последовательные фотографии образца изготовленного аэрогеля, помещенного на поверхность, залитую водой. Под каждым снимком указано время, отсчитываемое с момента начала контакта аэрогеля с водой. Из сопоставления начального и конечного снимков видно, что за несколько секунд аэрогель впитал примерно половину находящейся на поверхности воды, которая полностью заполнила все поры у него внутри.FIG. 2 shows sequential photographs of a sample of the manufactured airgel placed on a surface filled with water. The time counted from the moment the airgel begins to contact with water is indicated under each image. From a comparison of the initial and final images, it can be seen that in a few seconds the airgel absorbed about half of the water on the surface, which completely filled all the pores inside it.

На фиг. 3 показана степень поглощения аэрогелем 0,9% раствора хлорида натрия, физиологического раствора (раствора Рингера) и желчи. Как видно, степень поглощения во всех случаях получилась приблизительно одинаковой. Это означает, что содержание солей и органических веществ биологического происхождения не оказывает заметного влияния на впитывание аэрогелем растворов и формирование гидрогелей.FIG. 3 shows the absorption rate of 0.9% sodium chloride solution, saline (Ringer's solution) and bile by the airgel. As you can see, the degree of absorption in all cases turned out to be approximately the same. This means that the content of salts and organic substances of biological origin does not significantly affect the absorption of solutions by the airgel and the formation of hydrogels.

Испытание гидрогеля, сформированного путем пропитки водой описанного выше аэрогеля, показало, что при заполнении всего его внутреннего объема водой упомянутый гидрогель допускал сдавливание на 90-95% (до тонкой пленки), при этом практически вся вода выдавливалась из пор, но разрушения гидрогеля не наблюдалось. Непосредственно после прекращения сдавливания гидрогель немедленно возвращался в исходное состояние, поглощая назад выжатую из него воду, с сохранением формы, геометрических размеров и способности впитывать и отдавать влагу.The test of the hydrogel formed by impregnating the above-described airgel with water showed that when its entire internal volume was filled with water, the mentioned hydrogel allowed compression by 90-95% (to a thin film), while practically all the water was squeezed out of the pores, but the destruction of the hydrogel was not observed ... Immediately after the cessation of squeezing, the hydrogel immediately returned to its original state, absorbing back the water squeezed out of it, while maintaining its shape, geometric dimensions and the ability to absorb and release moisture.

Приведенный на фиг. 4 ряд последовательных фотографий с изображением полученного гидрогеля: 1) до сдавливания, 2) сдавленного на 80% и 3) после сдавливания (после снятия нагрузки) является показательным для поведения как гидрогеля, так и аэрогеля, с той лишь разницей, что для последнего при снятии нагрузки восстановление происходит частично, а не на 100%.Shown in FIG. 4 a series of sequential photographs depicting the resulting hydrogel: 1) before squeezing, 2) squeezed by 80%, and 3) after squeezing (after removing the load) is indicative of the behavior of both the hydrogel and the airgel, with the only difference that for the latter at By removing the load, recovery is partial, not 100%.

Модуль Юнга полученного гидрогеля составил 0,028 МПа (у аэрогеля 0,42 МПа). В отличие от соответствующего ему исходного аэрогеля, гидрогель является высокоэластичным материалом. Хотя прочность гидрогеля несколько уменьшилась по сравнению с исходным аэрогелем, его потребительские качества, напротив улучшились: появились высокая эластичность и полное восстановление формы после сдавливания.The Young's modulus of the obtained hydrogel was 0.028 MPa (for the airgel it was 0.42 MPa). Unlike the corresponding parent airgel, the hydrogel is a highly elastic material. Although the strength of the hydrogel slightly decreased compared to the original airgel, its consumer properties, on the contrary, improved: high elasticity and complete recovery of the shape after squeezing appeared.

Гидрогель фактически представляет собой высокоэластичную губку, внутренний объем которой, как видно из СЭМ-снимков (фиг. 5), имеет оставленную аэрогелем сетчатую структуру, образованную фибриллами. За счет связанных между собой пор размером от десятков до сотен микрон вода легко и быстро впитывается внутрь гидрогеля без существенных гидродинамических ограничений потокам, полностью заполняя весь его объем за короткое время, причем поглощение осуществляется с его поверхности (фиг. 2). Это предполагает возможность его успешного использования в качестве осушающего материала, например, вместо применяемых в быту полимерных губок, недостаточно хорошо впитывающих воду из-за пониженной гидрофильности, в особенности, в сухом состоянии, а также в виде гигиенических повязок или медицинских пластырей, так как они хорошо впитывают и физиологические растворы.The hydrogel is actually a highly elastic sponge, the internal volume of which, as can be seen from the SEM images (Fig. 5), has a reticular structure formed by fibrils left by the airgel. Due to interconnected pores ranging in size from tens to hundreds of microns, water is easily and quickly absorbed into the hydrogel without significant hydrodynamic restrictions to flows, completely filling its entire volume in a short time, and absorption is carried out from its surface (Fig. 2). This suggests the possibility of its successful use as a drying material, for example, instead of polymeric sponges used in everyday life, which do not absorb water well enough due to low hydrophilicity, especially in a dry state, as well as in the form of hygienic dressings or medical plasters, since they also absorb well physiological solutions.

Полученный гидрогель является достаточно стабильным: на всем протяжении тестирования, которое было ограничено двумя неделями, он оставался практически без изменений.The resulting hydrogel is quite stable: throughout the testing, which was limited to two weeks, it remained practically unchanged.

Пример 2 (для сравнения - без стадии аэрогеля)Example 2 (for comparison - without the airgel step)

По примеру 1 приготовили 50 мл формирующего раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты.In example 1 prepared 50 ml of a forming solution containing 2.0 mass. % HEC and 2.0 wt. % citric acid.

Приготовленный раствор вылили в полипропиленовый поддон и выдержали при 40°С в течение 48 часов для испарения воды. После ее удаления получили тонкую пленку толщиной менее 1 мм, которую подвергли термообработке в условиях примера 1, инициируя сшивку. После этого обработанную пленку погрузили в емкость с водой. Через сутки нахождения в воде, в течение которых видимых изменений пленки не наблюдалось, пленка впитала небольшое количество воды, при этом ее геометрические размеры увеличились приблизительно на 30%. Пленка оставалась оптически прозрачной и механически прочной, не распадалась, но перехода в гидрогелевое состояние в течение 3 дней наблюдений не произошло. Через сутки пленка перестала впитывать воду, что свидетельствует о ее ограниченном влагопоглощении.The prepared solution was poured into a polypropylene tray and kept at 40 ° C for 48 hours to evaporate the water. After removing it, a thin film with a thickness of less than 1 mm was obtained, which was subjected to heat treatment under the conditions of example 1, initiating crosslinking. After that, the treated film was immersed in a container with water. After a day in water, during which no visible changes in the film were observed, the film absorbed a small amount of water, while its geometric dimensions increased by approximately 30%. The film remained optically transparent and mechanically strong, did not disintegrate, but there was no transition to the hydrogel state within 3 days of observation. A day later, the film stopped absorbing water, which indicates its limited moisture absorption.

Пример 3 (для сравнения - без термообработки, инициирующей сшивку) По примеру 1 приготовили 50 мл формирующего раствора, содержащего 2,0 масс. % ГЭЦ и 2,0 масс. % лимонной кислоты. Приготовленный раствор поместили в силиконовую ванночку с внутренними размерами 65×80×20 мм³ и подвергли обработке в камере лиофильной сушки в условиях примера 1. После впуска в камеру воздуха извлекли полученную белую сухую пористую массу объемом 65×80×9,1 мм³, представляющую собой аэрогель, которую поместили в химический стакан и залили водой. Аэрогель быстро впитал воду и через несколько минут, после набухания, стал распадаться на части, которые постепенно растворялись. Спустя 1,5 часа аэрогель в стакане отсутствовал, но в объеме воды можно было видеть отдельные прозрачные кусочки, которые полностью растворились примерно через 8 часов. Пример 4Example 3 (for comparison - without heat treatment initiating crosslinking) According to example 1, 50 ml of a forming solution containing 2.0 wt. % HEC and 2.0 wt. % citric acid. The prepared solution was placed in a silicone bath with internal dimensions of 65 × 80 × 20 mm³ and subjected to processing in a freeze-drying chamber under the conditions of example 1. After entering air into the chamber, the resulting white dry porous mass with a volume of 65 × 80 × 9.1 mm^{3 was} removed, which is an airgel placed in a beaker and filled with water. The airgel quickly absorbed water and after a few minutes, after swelling, began to disintegrate into parts, which gradually dissolved. After 1.5 hours, there was no airgel in the glass, but individual transparent pieces could be seen in the volume of water, which completely dissolved after about 8 hours. Example 4

Для приготовления формирующего раствора брали 1,0 г гидроксипропилцеллюлозы (ГКПЦ) на 49,0 мл деионизированной воды и 0,5 г лимонной кислоты также на 49,5 мл деионизированной воды. Дальнейшее перемешивание и смешивание растворов проводили по примеру 1 с получением 100 мл раствора, содержащего 1 масс. % ГКПЦ и 0,5 масс. % лимонной кислоты. После лиофильной сушки с вымораживанием подготовленного раствора в условиях примера 1 обезвоженную композицию поместили в термостат. В результате выдержки при 150°С в течение 1 часа получили аэрогель в виде сухой белой пористой массы, аналогичной по виду полученной по примеру 1. Для получения гидрогеля аэрогель погрузили в емкость с водой.To prepare the forming solution, 1.0 g of hydroxypropyl cellulose (HCPC) was taken in 49.0 ml of deionized water and 0.5 g of citric acid also in 49.5 ml of deionized water. Further stirring and mixing of the solutions was carried out according to example 1 to obtain 100 ml of a solution containing 1 mass. % HCPC and 0.5 wt. % citric acid. After freeze-drying the prepared solution under the conditions of example 1, the dehydrated composition was placed in a thermostat. As a result of exposure at 150 ° C for 1 hour, an airgel was obtained in the form of a dry white porous mass, similar in appearance to that obtained in example 1. To obtain a hydrogel, the airgel was immersed in a container with water.

Результаты тестирования аэрогеля и гидрогеля аналогичны результатам, полученным для образцов, изготовленных по примеру 1, за исключением некоторых отличий, выявленных в механических свойствах после испытаний в режиме сдавливания. Различие объясняется тем, что с уменьшением содержания сшивающего агента (лимонной кислоты) в формирующем растворе снижается механическая прочность как аэрогелей, так и гидрогелей.The results of testing the airgel and hydrogel are similar to the results obtained for the samples made according to example 1, with the exception of some differences revealed in the mechanical properties after testing in the squeeze mode. The difference is explained by the fact that with a decrease in the content of the crosslinking agent (citric acid) in the forming solution, the mechanical strength of both aerogels and hydrogels decreases.

Графики зависимости механических свойств (модуля Юнга) аэрогелей и полученных из них гидрогелей от концентрации сшивающего агента в формирующем растворе приведены на фиг. 6 (для аэрогелей) и 7 (для гидрогелей). Модуль Юнга для аэрогеля составил 0,17 МПа, для гидрогеля - 0. 007 МПа. Упругие свойства (результаты тестирования на сжатие до 80%) гидрогеля аналогичны свойствам гидрогеля, полученного по примеру 1.Graphs of the dependence of the mechanical properties (Young's modulus) of aerogels and hydrogels obtained from them on the concentration of the crosslinking agent in the forming solution are shown in Fig. 6 (for aerogels) and 7 (for hydrogels). Young's modulus for airgel was 0.17 MPa, for hydrogel - 0.007 MPa. The elastic properties (test results for compression up to 80%) of the hydrogel are similar to those of the hydrogel obtained in example 1.

Пример 5Example 5

Готовили 100 мл формирующего раствора, содержащего 1 масс. % гидроксибутилцеллюлозы (ГКБЦ) и 3 масс. % бутантетракарбоновой кислоты, путем смешения 1,0 г ГКБЦ, растворенной в 49 мл деионизированной воды, и 3,0 г бутантетракарбоновой кислоты, растворенной в 47 мл деионизированной воды. Обезвоженную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1 композицию выдерживали при 50°С в течение 36 часов с получением аэрогеля, по виду практически не отличающегося от образцов, изготовленных по примеру 1. Некоторое различие в свойствах, как показали механические испытания, объясняется увеличением содержания сшивающего агента в формирующем растворе, которое обеспечивает повышение механической прочности аэрогелей и, соответственно, гидрогелей (кривые 1 на графиках, приведенных на фиг. 6 и 7).Prepared 100 ml of a forming solution containing 1 mass. % hydroxybutylcellulose (HCBC) and 3 wt. % butane tetracarboxylic acid, by mixing 1.0 g of HCBC dissolved in 49 ml of deionized water and 3.0 g of butane tetracarboxylic acid dissolved in 47 ml of deionized water. The composition, dehydrated by freeze-drying under the conditions of example 1, was kept at 50 ° C for 36 hours to obtain an airgel practically identical in appearance to the samples prepared according to example 1. A slight difference in properties, as shown by mechanical tests, is explained by an increase in the content of crosslinking agent in the forming solution, which provides an increase in the mechanical strength of aerogels and, accordingly, hydrogels (curves 1 in the graphs shown in Fig. 6 and 7).

Экспериментально полученные результаты свидетельствуют о том, что повышению прочности аэрогелей и, соответственно, гидрогелей, получаемых предлагаемым способом, способствует также увеличение, в пределах заявляемого интервала, содержания замещенного производного целлюлозы, что, в совокупности с влиянием на этот показатель содержания поликарбоновой кислоты, дает возможность в определенной степени регулировать свойства получаемых гидрогелей.The experimentally obtained results indicate that the increase in the strength of aerogels and, accordingly, hydrogels obtained by the proposed method is also facilitated by an increase, within the claimed range, of the content of the substituted cellulose derivative, which, together with the effect on this indicator of the content of polycarboxylic acid, makes it possible to a certain extent to regulate the properties of the obtained hydrogels.

Анализ графиков, приведенных на фиг. 6 и 7, показывает, что модуль Юнга на начальном участке экспоненциально возрастает с увеличением содержания поликарбоновой кислоты в формирующем растворе. С дальнейшим ростом ее содержания значение модуля Юнга увеличивается в заметно меньшей степени, чем ожидается из экспоненциальной зависимости, продолжение которой показано пунктиром. Верхний предел содержания поликарбоновой кислоты 3 масс. %, установленный тестированием, определяется ограниченным количеством сшивающего агента, которое может быть вовлечено в реакцию сшивки. Превышение этого количества приводит только к ухудшению потребительских характеристик продукта и его удорожанию. Гидрогель, полученный при содержании в формирующем растворе свыше 3 масс. % поликарбоновой кислоты, на ощупь оказался липким, при этом погружение его в воду выявило наличие потоков, указывающих на вымывание излишков упомянутой кислоты, не вовлеченной в реакцию сшивки. Пример 6Analysis of the graphs shown in FIG. 6 and 7, shows that Young's modulus at the initial section increases exponentially with an increase in the content of polycarboxylic acid in the forming solution. With a further increase in its content, the value of Young's modulus increases to a much lesser extent than expected from the exponential dependence, the continuation of which is shown by the dotted line. The upper limit of the content of polycarboxylic acid is 3 wt. The% determined by testing is determined by the limited amount of crosslinking agent that can be involved in the crosslinking reaction. Exceeding this amount only leads to a deterioration in the consumer characteristics of the product and its rise in price. The hydrogel obtained when the content in the forming solution is more than 3 wt. % polycarboxylic acid, was sticky to the touch, while immersion in water revealed the presence of streams, indicating the leaching of excess of the mentioned acid, not involved in the crosslinking reaction. Example 6

По образцу одного из примеров 1, 4 или 5 готовили 100 мл формирующего раствора, содержащего 5,0 масс. % этилгидроксиэтилцеллюлозы (ЭГЭЦ) и 0,5 масс. % щавелевой кислоты путем смешения 5,0 г ЭГЭЦ, растворенной в 45 мл деионизированной воды, и 1,0 г щавелевой кислоты, растворенной в 49 мл деионизированной воды. Обезвоженную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1 композицию выдерживали при 100°С в течение 18 часов с получением прочного аэрогеля. Полученный из него гидрогель обнаруживает сорбционные и механические свойства, аналогичные свойствам образца гидрогеля, полученного по примеру 1. Уменьшение содержания сшивающего агента, по всей видимости, компенсируется некоторым увеличением концентрации ЭГЭЦ. При этом механическая прочность гидрогеля не снижается.According to the sample of one of examples 1, 4 or 5, 100 ml of a forming solution containing 5.0 wt. % ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC) and 0.5 wt. % oxalic acid by mixing 5.0 g of EHEC dissolved in 45 ml of deionized water and 1.0 g of oxalic acid dissolved in 49 ml of deionized water. Dehydrated by freeze-drying under the conditions of example 1, the composition was kept at 100 ° C for 18 hours to obtain a durable airgel. The hydrogel obtained from it exhibits sorption and mechanical properties similar to the properties of the hydrogel sample obtained according to example 1. The decrease in the content of the crosslinking agent, most likely, is compensated by a slight increase in the concentration of EHEC. In this case, the mechanical strength of the hydrogel does not decrease.

Пример 7Example 7

50 мл раствора метилгидроксиэтилцеллюлозы (МГЭЦ) и 50 мл раствора лимонной кислоты приготовили в дистиллированной воде, смешали и получили 100 мл формирующего раствора, содержащего 3 масс. % МГЭЦ и 1 масс. % поликарбоновой кислоты. Пористую белую массу, приготовленную с помощью лиофильной сушки в условиях примера 1, представляющую собой аэрогель, поместили в термостат с температурой 120°С, в котором ее выдержали в течение 3 часов. Полученный аэрогель внешне и по свойствам практически не отличался от образцов, изготовленных по примерам 1, 5 и 6. При погружении в воду он также быстро ее впитал, сформировав механически прочный и высокоэластичный гидрогель.50 ml of methylhydroxyethylcellulose (MHEC) solution and 50 ml of citric acid solution were prepared in distilled water, mixed and 100 ml of a forming solution containing 3 wt. % MHEC and 1 wt. % polycarboxylic acid. A porous white mass prepared by freeze-drying under the conditions of example 1, which is an airgel, was placed in a thermostat with a temperature of 120 ° C, in which it was kept for 3 hours. The resulting airgel practically did not differ in appearance and properties from the samples made according to examples 1, 5 and 6. When immersed in water, it also quickly absorbed it, forming a mechanically strong and highly elastic hydrogel.

Пример 8Example 8

Взяв 4 г метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) и 1 г бутантетракарбоновой кислоты, поместили их в коническую колбу с 95 мл деионизированной воды и перемешивали на магнитной мешалке в течение суток для полного растворения веществ. Обезвоживание полученного раствора, содержащего 4 масс. % МГПЦ и 1 масс. % поликарбоновой кислоты, в лиофильной сушилке и термическую обработку в сушильном шкафу проводили по примеру 1, за исключением температурного режима (90°С) и продолжительности (20 часов). В результате проведенной обработки получили аналогичного вида аэрогель, как в примерах 1 и 4-7, погружение которого в воду и ее быстрое впитывание привело к формированию устойчивого, механически прочного и высокоэластичного гидрогеля. Пример 9.Taking 4 g of methylhydroxypropyl cellulose (MHPC) and 1 g of butane tetracarboxylic acid, they were placed in a conical flask with 95 ml of deionized water and stirred on a magnetic stirrer for a day to completely dissolve the substances. Dehydration of the resulting solution containing 4 wt. % MHPC and 1 wt. % polycarboxylic acid, in a freeze dryer and heat treatment in an oven was carried out as in example 1, with the exception of the temperature regime (90 ° C) and duration (20 hours). As a result of the treatment carried out, an airgel of a similar type was obtained as in examples 1 and 4-7, the immersion of which in water and its rapid absorption led to the formation of a stable, mechanically strong and highly elastic hydrogel. Example 9.

Приготовление формирующего раствора проводили по примеру 1, взяв 5 г карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и 3 г лимонной кислоты, которые растворили, соответственно, в 45 и 47 мл деионизированной воды, а затем их смешением получили 100 г раствора, содержащего 5 масс. % КМЦ и 3 масс. % поликарбоновой кислоты. Подготовленный раствор поместили в лиофильную сушилку, из камеры которой после лиофилизации достали обезвоженную массу и перенесли ее в термостат с температурой 100°С. Термическая обработка в течение 12 часов не привела к заметным изменениям - аэрогель, как и в примере 1, имел вид сухой белой пористой массы. Он также быстро впитывал воду, формируя механически прочный и высокоэластичный гидрогель. Некоторые отличия наблюдались в степени набухания, которая была на 10-20% больше, чем в примере 1, что может объясняться большим количеством карбоксильных групп в КМЦ, сохранившихся в материале после проведения сшивки.The preparation of the forming solution was carried out according to example 1, taking 5 g of carboxymethyl cellulose (CMC) and 3 g of citric acid, which were dissolved, respectively, in 45 and 47 ml of deionized water, and then mixing them received 100 g of a solution containing 5 wt. % CMC and 3 wt. % polycarboxylic acid. The prepared solution was placed in a freeze dryer, from the chamber of which, after lyophilization, a dehydrated mass was taken out and transferred to a thermostat with a temperature of 100 ° C. Heat treatment for 12 hours did not lead to noticeable changes - the airgel, as in example 1, had the appearance of a dry white porous mass. It also absorbed water quickly, forming a mechanically strong and highly elastic hydrogel. Some differences were observed in the degree of swelling, which was 10-20% more than in example 1, which can be explained by the large number of carboxyl groups in the CMC retained in the material after crosslinking.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Способ получения биополимерного гидрогеля, включающий приготовление водного раствора водорастворимого производного целлюлозы и поликарбоновой кислоты в качестве сшивающего агента, удаление воды из подготовленного раствора и термообработку обезвоженной композиции при температуре до 150°С, инициирующую поперечную сшивку макромолекул производного целлюлозы, отличающийся тем, что готовят раствор, содержащий 1,0-5,0 масс. % производного целлюлозы, выбранного из ряда, включающего гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксибутилцеллюлозу, метилгидроксиэтилцеллюлозу, этилгидроксиэтил-целлюлозу, метилгидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и 0,5-3,0 масс. % поликарбоновой кислоты, представленной лимонной, щавелевой либо бутантетракарбоновой кислотой, при этом воду из раствора перед сшивкой удаляют путем сублимационной сушки с формированием обезвоженной композиции в виде аэрогеля, термообработку полученного аэрогеля проводят при температуре от 50 до 150°С в течение 1-36 часов с его последующей конверсией в биополимерный гидрогель путем пропитки водой либо водным раствором, используя погружение.1. A method of obtaining a biopolymer hydrogel, comprising preparing an aqueous solution of a water-soluble cellulose derivative and a polycarboxylic acid as a crosslinking agent, removing water from the prepared solution and heat treatment of the dehydrated composition at temperatures up to 150 ° C, initiating crosslinking of macromolecules of the cellulose derivative, characterized in that they prepare a solution containing 1.0-5.0 mass. % of a cellulose derivative selected from the range including hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxybutyl cellulose, methyl hydroxyethyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, methyl hydroxypropyl cellulose and carboxymethyl cellulose, and 0.5-3.0 wt. % polycarboxylic acid represented by citric, oxalic or butane tetracarboxylic acid, while water is removed from the solution before crosslinking by freeze drying to form a dehydrated composition in the form of an airgel, the resulting airgel is heat treated at a temperature of 50 to 150 ° C for 1-36 hours with its subsequent conversion into a biopolymer hydrogel by impregnation with water or an aqueous solution using immersion.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирующий раствор подвергают сублимационной сушке под вакуумом при остаточном давлении 3-10 мбар и температуре не выше минус 45°С в течение 4 дней.2. The method according to claim 1, characterized in that the forming solution is subjected to freeze-drying under vacuum at a residual pressure of 3-10 mbar and a temperature not higher than minus 45 ° C for 4 days.

Images