Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 12
1.1. Особенности современных методов переработки целлюлозосодержащего сырья в целлюлозу и их физико-химические свойства 12
1.2. Физико-химические основы получения и исследование свойств простых эфиров целлюлозы
1.2.1. Водорастворимые эфиры целлюлозы 26
1.2.2. Эфиры целлюлозы, растворимые в органических растворителях... 34
1.3. Заключение по литературному обзору 37
2. Экспериментальная часть 39
2.1. Объекты и методы исследований 39
2.2. Условия получения хлопковой целлюлозы 41
2.3. Методы исследования целлюлозосодержащих объектов и целлюлозы . 41
2.4. Получение карбоксиметилцеллюлозы и анализ продуктов карбоксиметилирования 47
3. Основные результаты и их обсуждение 51
3.1 Физико-химические процессы получения хлопковой целлюлозы из вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка-сырца 51
3.2 Предварительная подготовка целлюлозосодержащих вторичных продуктов к химической переработке 52
3.3 Получение хлопковой целлюлозы из предварительно облагороженного целлюлозосодержащего вторичного продукта переработки хлопка-сырца 57
3.4 Качественные показатели целлюлозы 59
3.5 Малекулярно-массовое распределение целлюлозы разных режимов получения 63
3.6 ИК- спектроскопические исследования целлюлозы 67
3.7 Исследование процесса карбоксиметилирования целлюлоза на основе
вторичных целлюлозосодержащих продуктов переработки хлопка сырца 69
3.7.1 Твердофазный метод получения карбоксиметилцеллюлозы 70
3.7.2 Суспензионный метод получения КМЦ 70
3.8 ИК - спектроскопические исследования 83
4. Применение кмц, синтезированных на основе целлюлозы, выделенной из продуктов переработки тонковолокнистого хлопка 86
Выводы 95
Литературы 97
- Физико-химические основы получения и исследование свойств простых эфиров целлюлозы
- Методы исследования целлюлозосодержащих объектов и целлюлозы
- Предварительная подготовка целлюлозосодержащих вторичных продуктов к химической переработке
- ИК- спектроскопические исследования целлюлозы
Введение к работе
Актуальность темы. Основным направлением научно-технического прогресса в области физико-химии высокомолекулярных соединений является, наряду с разработкой новых типов полимеров, модификация известных, в том числе выпускаемых в промышленном масштабе, полимеров.
Поэтому большое внимание уделяется изучению физико-химических особенностей модификации целлюлозы для получения водонабухаемых и водорастворимых эфиров.
В экономике Таджикистана одно из ведущих мест занимает производство хлопка-сырца и продуктов его переработки. Однако, при переработке ценного хлопка-сырца, наряду с получением хлопкового волокна и семян, получаются вторичные продукты (низкосортные волокнистые отходы) количество которых, по мере увеличения производства хлопка-сырца, только на хлопкозаводах Республики, достигает до 10000 тонн в год. Следовательно, одним из направлений экономики сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды является повышение уровня использования вторичных ресурсов взамен первичного сырья.
Получение целлюлозы и ее карбоксиметиловых эфиров из низкосортных вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка с дальнейшим использованием волокнистых полуфабрикатов в различных областях -проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение и вносящая определенный вклад в физическую химию и химию высокомолекулярных соединений.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является изучение кинетики процесса получения целлюлозы и ее карбоксиметиловых эфиров из низкосортных вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка-сырца, исследование физико-химических характеристик полученных продуктов и их использование в композиции с белками для капсулирования лекарственных средств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить физико-химические характеристики низкосортных вторичных
продуктов переработки тонковолокнистого хлопка-сырца;
провести их химическую обработку для получения качественной хлопковой целлюлозы;
исследовать физико-химические свойства полученной целлюлозы и изучить кинетику процесса карбоксиметилирования в зависимости от технологического режима получения;
использовать полученные продукты в качестве основы для получения изделий медицинского назначения.
Исследования проводились в соответствии с планом научных работ Института химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан по темам: «Комплексная химическая переработка вторичных продуктов хлопководства и других природных и синтетических полимеров», «Композиционные материалы
на основе ионогенных полимеров, вторичных ресурсов хлопководства, пектиновых веществ, растительных белков и использование их в народном хозяйстве». № Госрегистрация № 000000360 2005г, 000000876 2010г)
Научная новизна работы:
- на основе изучения кинетики процесса карбоксиметилирования
целлюлозы, выделенной из вторичных ресурсов хлопкоочистительной
промышленности, показана возможность получения водонабухаемых и водорастворимых эфиров пригодных для создания медицинских изделий различного назначения;
- по данным кинетики высвобождения лекарственных средств из композитов на основе КМЦ и зеина кукурузы, показана возможность создания микрокапсул с контролируемым высвобождением лекарства в желудочно-кишечном тракте.
Практическая значимость работы. На основе результатов исследований разработаны физико-химические аспекты получения хлопковой целлюлозы и ее карбоксиметиловых эфиров из низкосортного тонковолокнистого хлопкого сырья, что позволяет решить вопрос рационального использования целлюлозосодержащих отходов хлопкоочистительной промышленности и обеспечить улучшение экологической обстановки и расширение сырьевой базы производств, связанных с химической переработкой целлюлозы и ее карбоксиметиловых эфиров.
Рекомендована к использованию хлопковая тонковолокнистая целлюлоза для получения карбоксиметиловых эфиров целлюлозы. На основе карбоксиметиловых эфиров целлюлозы и зеина кукурузы получены рН-чувствительные комплексы и медицинские мази для ультразвуковых исследований (акт испытаний Эндокринологического Центра г. Душанбе от 22.07.2008г).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современная химическая наука и ее прикладные аспекты» (Душанбе, 2006г.); конференции молодых ученых, посвященной 10-летию Дня Независимости «Молодёжь и современная наука» «Дониш» (Душанбе, 2007г.); Международной конференции «Наноструктуры в полисахаридах: формирование, структура, свойства, применение» (Ташкент, 2008г);
Международной научной конференции «Современные тенденции в химии полимеров» (Алматы, 2008г.); конференции молодых ученых, посвященной 1150 летию Абуабдулло Рудаки «Молодёжь и современная наука» «Дониш» (Душанбе 2008г.); Республиканской конференции «Химия: исследования, преподавание, технология», посвященной «Году образования и технических знаний» (Душанбе, 20 Юг).
На защиту выносятся:
- экспериментальные исследования химических, физико-химических
свойств и способы облагораживания вторичных продуктов переработки
тонковолокнистого хлопка-сырца;
результаты исследований физико-химических свойств целлюлозы на основе вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка-сырца;
результаты исследований влияния способов карбоксиметилирования тонковолокнистой хлопковой целлюлозы на кинетику процесса и свойства карбоксиметиловых эфиров;
- предложение по применению карбоксиметиловых эфиров целлюлозы на
основе вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка-сырца в
качестве рН-чувствительного комплексообразователя и медицинских мазей для
ультразвуковых исследований.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ, в том числе 3 научные статьи в журналах, включенных в список ВАК РФ: «Доклады АН Республики Таджикистан», «Известия АН Республики Таджикистан», «Химический журнал Казахстана» и 4 тезиса докладов.
Вклад автора выполненный в соавторстве, состоял в постановке задач исследования, получении высококачественной хлопковой целлюлозы и ее карбоксиметиловых эфиров, обработке экспериментальных данных, анализе и обобщении результатов, формулировке основных выводов и положений диссертации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 143 наименований библиографических ссылок. Работа изложена на 110 страницах компьютерного набора, включая 16 таблиц и 17 рисунков.
Физико-химические основы получения и исследование свойств простых эфиров целлюлозы
С повышением химической чистоты целлюлозы возрастают скорость ее ацетилирования и качество триацетатных растворов (повышается фильтруемость и прозрачность). Наряду с химическими свойствами при оценке качества хлопковой целлюлозы для химической переработки . подчеркивается необходимость определения таких структурных свойств, как межфибриллярные и межмицеллюлярные области,. соотношение кристаллической и аморфной целлюлозы, степень набухания и проникновение молекул внутрь волокнами др. [33].
Варка хлопкового линта. является одной из наиболее важных технологических стадий: в процессе получения хлопковой целлюлозы. Во время варки происходит химическая очистка хлопкового волокна за счет разрушения и растворения» нецеллюлозных, примесей в щелочных растворах и последующего удаления их .при промывках, а также структурное . превращение, исходного целлюлозосодержащего сырья [34]! Эти процессы. осуществляются; по-видимому, одновременно и обусловливают друг друга;
С. целью получения целлюлозы с высокой и; однородной реакционной ,; способностью к ацетилированию- интенсивному разрушению первичной клеточной стенки волокнана Владимирском химическом заводе разработан и внедрен способ обработки хлопкового линта перед варкой щелочным раствором в две стадии: после выдержки при 75-959С в течение 1 часа раствор сливают, на второй стадии подают свежую раствор с температурой 30-50С. Хлопковый линт вновь, выдерживают 1 час. при, 40-70С, далее температуру повышают до 135Є, варку проводят при максимальной температуре 141-145G в; течение 2-х часов [35]. Получают целлюлозу высшего сорта, из которой изготавливают смыленный триацетат целлюлозы (ТАЦ) с улучшенной цветностью и прозрачностью концентрированных растворов и ацетаты целлюлозы для экструзионного листа с хорошими оптическими свойствами.
Для повышения выхода целлюлозы и ускорения делегнификации натронную или сульфатную варки целлюлозосодержащего сырья предложено осуществлять в присутствии антрахинона (0.01-1.0) и NN-диметил-п-фенилендиамина (0.01-2.50% от массы абс. сухого сырья) [36].
Предложен следующий способ получения хлопковой целлюлозы для ацетилирования [37,38]: исходный линт вначале пропитывают раствором NaOH и отжимают, после чего проводят стадию предварительной варки под давлением при температуре раствора щелочи 140-160С в течение 10-30 мин. Затем из системы отводят часть пара и вводят газообразный кислород, в присутствии которого проводят заключительную стадию варки целлюлозы при 110-130 С в течение 10-40 мин. Очищенный линт после варки содержит 99% а-целлюлозы. Отбелку проводят растворами СЬ, NaOCl или Н202 Э.Тураев [39] показал возможность получения высококачественной хлопковой целлюлозы из линта 2 сорта III типа хлопка-сырца селекции Ташкент-1 путем щелочной варки с применением молекулярного кислорода являлись: концентрация массы - 7%, концентрация щелочи - 2%, расход ОП -7 веса целлюлозы, температура - 130С, давление 02 - 10 амт., продолжительность процесса - 2 часа. Целлюлоза, полученная таким способом, имела белизну не менее 80-90% и требовала лишь легкой до от белки.
В работах [40,41] рекомендована следующая технологическая схема и оптимальные условия для получения хлопковой целлюлозы, применяемой для карбоксиметилирования: щелочная варка (концентрация щелочи - 20 г/л, температура - 150С, продолжительность - 180 мин) - первая ступень гипохлоритной отбелки (концентрация гипохлорита натрия - 2.0-2.5г/л температура - 40-45С, продолжительность - 60-90 мин, рН среды - 9-11) -вторая ступень гипоглоритной отбелки (концентрация гипохлорита натрия 0.2-0.4 г/л, температура - 40-42С, продолжительность - 60-90 мин, рН среды -10-11) - кисловка серной кислотой (концентрация серной кислоты - 1-2 г/л, температура - 30-50 С, продолжительность - 60-90 мин.).
Как видно из приведенного обзора, в литературе мало работ по использованию вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопчатника для получения целлюлозы и других ценных продуктов, хотя имеющиеся отходы хлопковых производств могут значительно дополнить баланс целлюлозы для химической промышленности. 1.2. Физико-химические основы получения и исследование свойств простых эфиров целлюлозы
Простые эфиры целлюлозы представляют собой производные целлюлозы, получаемые призамещении гидроксильных групп в целлюлозе другими радикалами. Среди простых эфиров наибольшее распространение получили карбоксиметил, метил, этил иоксиэтилцеллюлозы и некоторые их смешанные эфиры.[42].
Благодаря комплексу ценных физико-химических и эксплуатационных свойств представители простых эфиров целлюлозы В) настоящее время широко применяются в текстильной;, целлюлозно-бумажной, горнометаллургической, нефтегазодобывающей, медицинской,, парфюмерно-косметическощ пищевой промышленности, а также в производстве синтетических моющих средств[ 1,3,42].
В настоящее время во всем мире известно более 35 торговых марок простых эфиров целлюлозы, отличающихся; составом; структурой, физико-химическими показателями и: способом их получения. Несмотря на. это, возможности разработки новых способов производства эфиров целлюлозы из различных видов целлюлозосодержащего сырья с использованием экологически безопасных, менее энергоемких и ресурсосберегающих технологий до конца не исчерпаны.
Согласно литературным данным [3], в страх СНГ освоены производства 4-5 марок эфиров целлюлозы,, отличающихся степенью замещения и степенью полимеризации.
В мировой практике основным сырьем для производства эфиров целлюлозы является древесная целлюлоза. Только в последние годы были предприняты попытки разработать технологию получения водорастворимых эфиров целлюлозы из хлопковой целлюлозы [43].
Методы исследования целлюлозосодержащих объектов и целлюлозы
Основным объектом исследования в данной работе являются низкосортные целлюлозосодержащие вторичные продукты (отход) переработки тонковолокнистого хлопка-сырца (низкосортный хлопковый . линт третьего! сорта) селекционного сорта 5 5 95 -В у. атакже полученная, из них в. лабораторных условиях Института, химии им; В;И1Никитина АН РТ. лопковая целлюлоза и ее карбоксиметиловые эфиры. Для сравнения были использованы низкосортные вторичные продукты, переработки (низкосортный линт третьего сорта и циклонный пух), средневолокнистого хлопка сорта 108-Ф. Низкосортные: вторичные продукты получены на Бободжан Гафуровском, и Кургантюбинском хлопкоочистительных объединениями-. Представленные вторичные продукты имеют темно-бурый цвет и засорены примесями органического- и; неорганического происхождения (листья, шелуха, раздробленные семена,,песок, пыль и др.).
Содержание целлюлозы, в абсолютно сухом; волокне составляет 83-89% суммарное содержание примесей и спутников целлюлозьь колеблется от 11 . до 17%. Основное количество спутников целлюлозы (жиро-восковые вещества, лигнин, микроэлементы и др.) находится в первичной стенке элементарного волокна. Сорные примеси вторичных продуктов повышают содержание в нем пентозанов, лигнина, золы и остатка, нерастворимого в H2SO4. Основными структурными элементами хлопкового волокна являются кутикула (поверхность волокна), первичная стенка, вторичная стенка с центральным каналом (рис.2.1.).
Для характеристики низкосортных вторичных продуктов переработки хлопка проводили определение химического состава методами ГОСТ 3818-82 и физико-химическими методами. Состав золы определяли спектральным методом на кварцевом спектрографе .
Рентгеноспектральный анализ золы проведен в лаборатории аналитической химии Института химии им. В.И Никитина АН РТ ведущим научным сотрудником Корсуным З.М., которому выражаем благодарность. Таблица 2.1
Как видно из табл. 2.1, тонковолокнистые низкосортные продукты переработки хлопка по сравнению о средневолокнистыми характеризуются большим содержанием лигнина, целлюлозы, степенью полимеризации. Общая зольность тонковолокнистого вторичного продукта ниже, чем средневолокнистого вторичного продукта, однако в золе тонковолокнистого вторичного продукта содержание железо значительно превышает, чем в золе средневолокнистого вторичного продукта. Ранее более высокое содержание железа в золе линта тонковолокнистых сортов хлопка отмечено в работе [114]. С учетом литературных данных, различия в содержании зольных компонентов низкосортных вторичных продуктов тонко- и средневолокнистого хлопка можно объяснить различными условиями биосинтеза целлюлозы в них. 2.2. Условия получения хлопковой целлюлозы
Для выделения целлюлозы из вторичных целлюлозосодержащих продуктов переработки хлопка нами использован ряд технологических режимов, применяемых при получении хлопковой целлюлозы из линта средневолокнистых сортов хлопка для целей карбоксиметилирования. В качестве варочной жидкости использовали 2%-ный водный раствор едкого натра при жидкостном модуле 1:16 с добавкой смачивателя (ПАВ) ОП-10 в количестве 0.1% от массы вторичного продукта.
Варки вторичных продуктов переработки хлопка проведены в лабораторных условиях в 2-х и 10-ти литровых качающихся автоклавах венгерского производства из нержавеющей стали с электрическим обогревом, снабженных терморегулирующим устройством. По окончании варки массу тщательно промывали на сетке, отжимали и далее подвергали операциям отбелки, кисловки и сушки.
Качественный и количественный состав целлюлозосодержащего сырья и целлюлозы исследован широко используемыми в исследовательской и производственной практике методами [115-119].
Определение зрелости Зрелость волокон характеризуется накоплением целлюлозы, обуславливающей утолщение стенки и изменение физико-механических и химических свойств волокон.
Зрелость определялась микрохимическим методом по ГОСТу 38181-82. Метод основан на различном отношении зрелых и незрелых волокон к процессу мерсеризации щелочью и различном восприятии красителя (конго красный) мерсеризованным волокном. Определенное количество (250-300) окрашенных волокон просматривается под микроскопом при увеличении в 120-150 раз.
По признакам внешнего вида волокна делят по группам зрелости. Зрелые - волокна цилиндрической формы без извитков ярко-красного цвета. Незрелые - волокна лентообразные с извитками ярко-красного цвета или плоские, окрашенные в слабо розовый цвет или бесцветные. Определение засоренности
Засоренностью считают процентное содержание минеральных и органических примесей и определяют весовым методом.
Засоренность низкосортных и вторичных продуктов переработки хлопка определяли обработкой сырья в серной кислоте крепостью 96% по ГОСТу 38180-82. Определение содержания золы Содержание золы в целлюлозосодержащих объектах определялось сжиганием навески в корундовых или фарфоровых тиглях при 650-800С до постоянной массы. Количественный анализ золы проводили спектральным методом на кварцевом спектрографе, который позволяет получать спектры в широком интервале длин волн, от 2090 до 6900 А0. В этой области расположены длины волн, характерные для большинства зольных элементов растительных материалов. Расшифровку спектрограмм производили на микрофотометре МФ-4, где количественное содержание зольных компонентов определяли по стандартам германской фирмы «Фрикс».
Предварительная подготовка целлюлозосодержащих вторичных продуктов к химической переработке
Зависимость степени замещения карбоксиметилирования хлопковой целлюлозы от концентрации NaOH в щелочном растворе.
Уменьшение концентрации щелочи, наоборот, приводит к уменьшению степени замещения гидроксильных групп целлюлозы карбоксиметильиыми группами, вследствие недостаточного набухания щелочной целлюлозы, а также возможности интенсификации процесса омыления монохлоруксусной кислоты водой. Полученные нами данные подтверждают, что при обработке целлюлозы 18%-ным раствором щелочи происходит максимальное набухание целлюлозы, увеличивающее доступность макромолекул и ее функциональных групп для алкилирующего реагента. Из данных таблицы 3.4. также видно, что целлюлоза тонковолокнистого хлопка карбоксиметилируется с большей скоростью по сравнению с целлюлозой средневолокнистого хлопка. Наблюдаемые различия в реакционной способности объясняются, по-видимому, большей однородностью молекулярного состава целлюлозы тонковолокнистого хлопка [28].
Изучена кинетика реакции карбоксиметилирования целлюлозы от концентрации монохлоруксусной кислоты и температуры. Кинетические кривые карбоксиметилирования целлюлозы тонковолокнистого хлопка приведены на рис.3.5. тонковолокнистой целлюлозы от продолжительности реакции при различных температурах. Молярное соотношение Na-МХУК и целлюлозы =1:1 Как видно из рис.3.6, скорость реакции карбоксиметилирования резко возрастает при увеличении соотношения монохлорацетата натрия к целлюлозе, но при этом процесс карбоксиметилирования, независимо от соотношения реагентов, заканчивается через 100-120 минут. Степень превращения целлюлозы в карбоксиметицеллюлозу до соотношения реагентов 0.7 идет с высокой скоростью. При дальнейшем увеличении концентрации монохлоруксусной кислоты скорость роста степени замещения постепенно замедляется.
Скорость реакции карбоксиметилирования также возрастает с повышением температуры. Так, при мольном соотношении реагентов за 120 минут карбоксиметилирования при температурах 298, 308 и 318К были получены продукты со степенью замещения карбоксиметилцеллюлозы 52, 65 и 72 соответственно.
Исследована также растворимость образцов со степенью замещения 0.20 0.80 в воде и 6 %-ном растворе щелочи (табл.3.11.)
Как видно из таблицы 3.11, растворимость карбоксиметилцеллюлозы в воде низкая, а в щелочном растворе намного выше: с ростом степени замещения образцов растворимая часть увеличивается. Однако получение препаратов КМЦ со степенью замещения (у) более 100 весьма затруднено в виду электростатических эффектов отталкивания заряженных одноименно групп (хлорацетатного (С1СН2СОО") иона и карбоксиметильной группы. Поэтому практически высокозамешенными препаратами КМЦ считаются продукты, имеющие степень замещения 85-100 и являющиеся полностью водорастворими.
Для увеличения степени замещения карбоксиметилцеллюлозы проводили карбоксиметлирование щелочной целлюлозы суспензионным способом в изопропиловом спирте.
Изучено влияние условий карбоксиметлирования целлюлозы суспензионным способом на кинетику реакций.
После щелочной активации целлюлозы в среде изопропилового спирта в реакционную смесь добавляли алкирующий реагент. Изучали зависимость кинетики от условий реакции: исследовались концентрации монохлоруксуспой кислоты или ее натриевой соли от 0.2 до 1.4 моль на один моль целлюлозы и при продолжительности реакции до трех часов. Температурная зависимость исследована в интервале температуры 25-55 С.
Зависимость степени замещения КМЦ от расхода Na-МХУК при двух способах карбоксиметлирования приведена на рисунках 3.7.
Зависимость степени замещения КМЦ от расхода натриевой соли монохлоруксусной кислоты при двух способах карбоксиметилирования (1-твердофазный, 2- суспензионный. Время карбоксиметилирования 100 мин. температура карбоксиметилирования 30 С. На рис.3.7 видно, что наибольшая степень замещения при одинаковом количестве хлоруксусной кислоты достигается при суспензионном способе в среде пропанола. Это объясняется уменьшением расхода хлоруксусной кислоты на побочную реакцию, а также увеличением относительной скорости реакции целлюлозы за счет увеличения количества целлюлозных ионов (целл-0") при замене воды на спирт.
Для выбора оптимальных условий карбоксиметилирования целлюлозы в среде изопропанола изучено влияние продолжительности и температуры реакции на степень замещения КМЦ. Полученные данные проведены на рис.3.8.
Зависимость степени замещения карбоксиметилирования тонковолокнистой целлюлозы от продолжительности реакции при различных температурах. (Мольное соотношения Na-МХУК: целлюлоза =1:1).
С увеличением температуры реакции степень замещения КМЦ увеличивается при прочих равных условиях. Так, при расходе ClCH2COONa 1 моль на 1 моль целлюлозы за время 120 минут были получены образцы КМЦ с у=0.65 при температуре 45С и у=0.22 при температуре 25С. Выход продукта реакции КМЦ составлял 95% от теоретического. Проведение реакции карбоксиметилирования в среде пропанола обеспечивает высокий выход продукта, высокую степень использования натриевой соли хлоруксусной кислоты.
Сравнение кинетических кривых карбоксиметилирования хлопковой целлюлозы (рис.3.6, 3.9) при двух способах получения (твердофазный и суспензионный) показывает, что при твердофазном способе получения КМЦ кинетические кривые имеют с S-образной кинетической кривой, характерной для твердофазного процесса. Однако, несмотря на то, что реакция суспензионного способа получения КМЦ по своей природе гетерогенная (суспензия целлюлозы в пропиловом спирте), кинетические кривые характерны для гомогенных (жидкофазных) реакций.
Зависимость кинетических кривых карбоксиметилирования хлопковой целлюлозы в среде пропанола показывает, что степень превращения щелочной целлюлозы в карбоксиметиловую прямо пропорциональна концентрации монохлоруксуснои кислоты и температуры, но до определенного предела [(МХУК]:[ц]=0.7 и температура - 35С]. При дальнейшем увеличении концентрации МХУК и температуры степень замещения целлюлозы снижается.
Зависимость кинетических кривых карбоксиметилирования хлопковой целлюлозы в среде пропанола показывает, что степень превращения щелочной целлюлозы в карбоксиметиловую, прямо пропорциональна концентрации монохлоруксуснои кислоты и температуры, но до определенного предела [(МХУК]:[ц]=0.7 и температура - 35С]. При дальнейшем увеличении концентрации МХУК и температуры степень замещения целлюлозы снижается.
ИК- спектроскопические исследования целлюлозы
Вероятно, при этом значении рН происходит распрямление макромолекул вследствие подавления электростатического отталкивания ионизированных карбоксильных групп, находящихся в кислой форме. При высоких значениях рН силы отталкивания уменьшены вследствие присутствия в растворителе большего количества ионов натрия в свободным состоянии. Следовательно, при малых значениях рН макромолекула КМЦ свернута, а при рН-7-8 она распрямлена. Как известно, звенья полимерной сетки, одноименно заряженные, отталкиваются друг от друга, и поэтому цепи, исходно свернутые в клубки, сильно вытягиваются. В результате образец КМЦ значительно увеличивается в размерах, то есть набухает, поглощая растворитель. Противоионы Na также играют роль в набухании, они свободно перемещаются в растворителе внутри набухшего образца (геля), но покинуть его они не могут, так как это приведет к нарушению электронейтральности [142]
Таким образом, поверхность образца геля оказывается непроницаемой для противоионов. Будучи запертыми внутри, они стараются занять как можно больший объем, чтобы получить существенный выигрыш в движении. В результате создается осмотическое давление, вызывающее набухание геля (образца). Итак, сильное набухание карбоксиметильных эфиров целлюлозы (полиэлекторолитных гелей) в воде обусловлено как электростатическим отталкиванием одноименно заряженных звеньев, так и осмотическим давлением противоионов.
Способность КМЦ образовывать гель в водных растворах является основой для создания носителей лекарственных препаратов и различных мазей для применения в медицинской практике.
Однако высокая степень набухания КМЦ в физиологических условиях может способствовать преждевременному распаду вследствие расширения размера пор геля. Для уменьшения степени набухания КМЦ в физиологических условиях в матрицу полимерной макромолекулы вводили гидрофобные группы путем смешивания КМЦ с высокомолекулярным белком зеина, выделенным из зерна кукурузы [143]. При взаимодействии в растворах смеси КМЦ с белком зеина следует ожидать возникновениях водородных связей с участием карбонильных групп белка с гидроксильными группами (или карбонильным группами) КМЦ. Взаимодействие водорода гидроксильной группы с карбоксильной (карбоксильной) является одним из классических примеров образования водородной связи. Одна из возможных схем взаимодействия КМЦ с высокомолекулярным белком зеина приведена ниже:
Возможная схема строения полимерного геля на основе КМЦ и зеина. Не исключено, что в растворах смесей между полимерами происходят достаточно сложные взаимодействия за счет образования водородных связей, дисперсионных, Ван-дер-Вальсовских и др., которые затем фиксируются в высушенных образцах (пленках) в конденсированном состоянии. Эти вопросы требую дополнительного исследования. Комплексы на основе КМЦ и водостойкого высокомолекулярного белка могут найти широкое применение в медицине при создании новых лекарственных форм с пролонгирующим действием. В составе лекарственных препаратов, они способны значительно снизить токсичность, сокращать их метаболизм и обеспечить целенаправленный транспорт лекарств в организме. В этом плане интерес представляют исследования процесса комплексообразования КМЦ с водостойкими высокомолекулярными белками и иммобилизация лекарственных средств на полимерных гелях.
Как упоминалась выше, для понижения степени набухания КМЦ в физиологической среде необходима ее комбинация с гидрофильными белками, такими как спирторастворимый белок кукурузы - зеин. Способность зеина формировать комплексы с полисахаридами используется во многих областях, в частности в медицине (144-145).
Цель настоящего раздела работы состояла в получении комплексов на основе КМЦ и зеина кукурузы, с инкапсулированным лекарственным препаратом - пироксикамом, и исследовании кинетики выхода лекарства из комплексов.
Полученные нами КМЦ на основе целлюлозы, выделенной из вторичных продуктов переработки тонковолокнистого хлопка, имели следующие характеристики: степень замещения - 78, степень полимеризации - 720, растворимость в воде - 98% [146,147].
Зеин (3) выделяли 75% этанолом из муки кукурузы по методу, описанному ранее [143]. В качестве модельного лекарства использовали пироксикам, применяемый в медицине как противовоспалительное средство. Во всех опытах количество взятого пироксикама и зеина было постоянным, а изменялось лишь соотношение зеина к КМЦ.
Комплексы получали путем постепенного добавления водного раствора КМЦ в 75%-этанольному раствору, содержащему зеин и пироксикам, при перемешивании при комнатной температуре. Полученный комплекс в виде густого геля разливали равномерно на стеклянную поверхность для получения пленки и сушили при комнатной температуре до постоянного веса. Высушенную пленку промывали водой для удаления пироксикама, связанного в комплекс.
Для определения пироксикама в комплексах отбирали 10 мг высушенной пленки, добавляли 20 мл фосфатного буфера, (рН 6.4), термостатировали при 37 С в течение ночи и после центрифугирования, в аликвотах определяли общее количество пироксикама. Для этого строили калибровочный график (рис.4.4.) по чистому пироксикаму, по которому определяли его содержание на спектрофотометре UV-1 Thermo Spektronik, ЦК-(Индия) при 355 нм. В табл. 4.1. представлено соотношение основных компонентов, взятых для получения зеин-карбоксиметилцеллюлозных комплексов, и их характеристика: вес, степень набухания комплексов и степень связывания пероксикдама.
И из данных табл.4.1 следует, что с увеличением содержания КМЦ выход комплексов заметно уменьшается, степень набухания падает (от 48.57 до 27.34). Можно предположить, что комплекс с высокой степенью набухания будет быстрее высвобождать лекарственное средство в условиях желудочно-кишечного тракта, а комплексы с низкой степенью набухания будут обеспечивать высвобождение пироксикама в кишечном пространстве.
В то же время, при всех выбранных соотношениях ЗЖМЦ степень связывания пироксикама зависит от доли зеина в комплексе и при повышении содержания зеина усиливается от 27 до 47%. Полученные показатели свидетельствуют о том, что на свойства комплексов влияют природа биополимеров, молекулярная масса и заряд молекул. В случае 3/КМЦ комплексов можно предполагать, что взаимодействие между биополимерами происходит за счет межмолекулярных водородных связей.
Получение комплексов 3/КМЦ, содержащих лекарственное средство, основывалось на возможности создания такой системы, которая обеспечит его целостность в условиях желудка с постепенным высвобождением в кишечнике.
Нами исследовалась кинетика высвобождения пироксикама из комплексов в условиях, моделирующих среду желудка (рН-б.4). Для приготовления буферных растворов применяли препараты (НС1, КС1, КазР04) квалификации «х.ч.», измерение рН проводили на рН-метре марки Inolab, с точностью до ±0.01 единиц рН
Для этого были приготовлены буферы - НС1/КС1 0.2М (рН-1.2) и 0.2М фосфатный (рН-6.4). Высушенные комплексы (пленки) в количестве 50 мг заливали 50 мл буферных растворов, имеющих рН 1.2 и 6.4. Пробы помещали в термостат при 37С, через определенные промежутки времени замеряли экстинкцию растворов при 335 и 355 нм соответственно, и по калибровочному графику определяли количество высвобожденного лекарства. На рисунке 4.3. представлена кинетика выхода пироксикам из 3/КМЦ комплексов в условиях, моделирующих среду желудка (рН-1.2).
