MedCrave онлайн
Листування:
Отримано: 01 січня 1970 р. | Опубліковано:,
Цитування: DOI:
Альгінат та хітозан - це два морські природні полімери з унікальними структурами та властивостями. Альгінат - це полімерна кислота, тоді як хітозан - це полімерний амін. Обидва полімери можуть бути перетворені на волокна в процесі мокрого прядіння. У цій статті розглядаються нові властивості альгінату та хітозану та порівнюються функціональні характеристики двох волокон як нових текстильних матеріалів. Також розглядаються основні застосування альгінатних та хітозанових волокон.
Ключові слова: Альгінат; Хітозан; Хімічне волокно; Біоматеріал; Біоактивність; Медичний текстиль; Косметотекстиль
Альгінат та хітозан - це два природні полімери, видобуті з коричневих морських водоростей та оболонок ракоподібних відповідно. В останні роки як альгінат, так і хітозан знайшли широке застосування як нові біоматеріали. 1 Зокрема, вони виготовлені з волокон в процесі мокрого прядіння, і відповідно до їх морського походження, ці волокна є біосумісними та біологічно розкладаються, і володіють чудовими біологічними діями, які є дуже цінними при розробці функціональних текстильних виробів, таких як медичний текстиль., засоби гігієни, косметичний текстиль та ті текстильні матеріали, які знаходяться в тісному контакті з тілом, наприклад, під носками, постільними речами тощо. 2-4 Як відновлювані ресурси, як альгінат, так і хітозан мають великі запаси в природі. 5,6 Морські водорості, що використовуються для видобутку альгінату, можуть походити як з диких сортів, так і з культурних видів, тоді як хітозан можна видобувати з відходів переробки морепродуктів крабів, креветок, креветок, крилів тощо. Рисунок 1 ілюструє сировину для альгінату та хітозану.
Фігура 1 Сировина для альгінату та хітозану, (1) бурі водорості; (2) відходи ракоподібних.
Виробництво волокна
Хімічно альгінат - це полімерна кислота, що складається з двох типів мономерних ланок, тобто α-L-гулуронової кислоти (G) та β-D-мануронової кислоти (M). Залежно від типу морських водоростей, альгінат змінюється за молекулярною масою та композиціями G, M, GG, MM та GM. Вміст G та M, а також вміст GG, MM та MG в альгінаті мають значний вплив на властивості альгінатних волокон. Хитозан - це полімерний амін. Його хімічна структура - полі- (1 → 4) -2-аміно-2-дезокси-β-D-глюкоза. Комерційно хитозан отримують шляхом деацетилювання хітину, який є полі- (1 → 4) -2-ацетаміно-2-дезокси-β-D-глюкозою. Подібно вмісту G/M в альгінаті, ступінь ацетилювання на амінній групі є важливим структурним параметром для хітозану. Полімери з ацетилюванням вище 50% вважаються хітином, тоді як полімери з ацетилюванням менше 50% - хітозаном. Хімічні структури альгінової кислоти, хітину та хітозану показані на малюнку 2.
Малюнок 2 Хімічні структури (1) альгінової кислоти; (2) хітин та (3) хітозан.
Під час процесу виготовлення волокон альгінат натрію розчиняється у воді, а хітозан розчиняється у водному розчині оцтової кислоти, готуючи відповідні прядильні розчини, які потім екструдують за допомогою прядильної машини в коагуляційні ванни, що містять CaCl2 та NaOH, відповідно, щоб осадити два полімери у волокна. 7,2 Після прання, розтягування та сушіння можна виготовити альгінатні та хітозанові волокна з властивостями розтягу, подібними до звичайних віскозних волокон, які можна обробити в багатьох текстильних процесах, таких як прядіння пряжі, ткацтво, в'язання та неткані матеріали. 8,1 На малюнку 3 представлена схематична ілюстрація процесу мокрого прядіння.
Малюнок 3 Принципова ілюстрація невеликої виробничої лінії для мокрого прядіння, (1) прядильний розчин; (2) дозуючий насос; (3) прядка; (4) коагуляційна ванна; (5) приймальний ролик I; (6) приймальний ролик II; (7) водяна баня; (8) розтяжна ванна з гарячою водою; (9) натяжний ролик I; (10) ацетонова миюча ванна; (11) натяжний ролик II; (12) висувний ролик I; (13) обігрівач; (14) висувний ролик II; (15) блок намотування.
Як природна полімерна кислота, альгінат негативно заряджається, коли альгінат натрію розчиняється у воді, тоді як хітозан є позитивно зарядженим полімером завдяки амінним групам у своїй структурі. Іонна взаємодія між альгінатом та хітозаном була використана Tamura et al. 9 при приготуванні покритих хітозаном волокон альгінату кальцію шляхом екструзії розчину альгінату натрію у коагуляційну ванну, що містить хітозан. Найл та співавт. 10, вдосконалений у способі, спочатку розкладаючи хітозан до низькомолекулярного олігосахариду, який може краще проникати в набряклі волокна альгінату кальцію. Встановлено, що отримані волокна мають високу абсорбційну здатність, а також стійкі протимікробні властивості Miraftab et al. 11 Мадзіма та ін. 12 встановлено, що полімесисті волокна, виготовлені з альгінату та хітозану, мають кращу біосумісність та спорідненість до клітин, що підходить для приготування каркасів у тканинній техніці.
Нановолокна на основі альгінату та хітозану можуть бути виготовлені за допомогою процесу електропрядіння, при якому розчини альгінату та хітозану осідають у вигляді волокнистого матеріалу, завантажуючи рідину приблизно до 5-30 кВ і викидаючи її через сопло на протилежно заряджену заземлену мішень. Електропрядильна система складається з високовольтного джерела постійного струму, заземленого електрода, соплової системи з регулюванням діаметра та нерухомої або обертової мішені, до якої могло бути прикріплене прядене волокно. Альгінатні та хітозанові нановолокна можуть бути виготовлені таким чином з чудовою морфологією поверхні та пористістю, щоб забезпечити найбільш відповідний інтерфейс для біомедичних застосувань. Волокна часто прядуть на неткані конструкції, які є пористими і мають велику площу поверхні, при цьому отримана електроспряжена неткана структура ідеально підходить для виготовлення будівельних лісів для тканинної техніки. 1
Властивості волокна
Альгінатні та хітозанові волокна мають багато унікальних експлуатаційних характеристик, деякі з них наведені нижче.
Висока поглинальна здатність: Як полімерна кислота, альгінат має нові властивості іонообміну та високу здатність поглинання. Зокрема, коли волокна альгінату кальцію контактують з розчинами, що містять іони натрію, такими як рідина в організмі, іони кальцію виділяються і іони натрію потрапляють у волокна, утворюючи альгінат натрію, розчинний у воді. Як результат, у волокна втягується велика кількість води з утворенням сильно набряклих волокнистих гелів, властивостей яких дуже цінно в медичних, гігієнічних та косметичних текстильних матеріалах. 13,14 На малюнку 4 показані мікрофотографії альгінатних волокон до і після змочування сольовим розчином.
Малюнок 4 Мікрофотографії альгінатних волокон, (1) сухі, (2) вологі в сольовому розчині.
Завдяки гідроксильним та аміновим групам волокна хітозану також мають високу спорідненість до води, причому волога відновлюється приблизно на 16%. У поєднанні з їх антимікробними властивостями волокна хітозану ідеально підходять для змішування в текстильні матеріали для нижньої білизни та постільних матеріалів. Вироби з масок для обличчя на основі хітозану також набувають популярності в косметичній промисловості.
Сильне зв'язування з іонами металів: Як полімерна кислота, альгінат може утворювати сіль з іонами металів. Більшість двовалентних іонів металів можуть утворювати нерозчинні у воді солі з альгінатом, отже, альгінатні волокна можуть бути отримані екструдією розчинного у воді розчину альгінату натрію у водні розчини, що містять іони двовалентних металів. 15,16 Багато іонів металів корисні для загоєння ран. Наприклад, цинк корисний для пацієнтів з дефіцитом цинку, тоді як срібло має антимікробні властивості. Альгінат натрію можна екструдувати у водний розчин хлориду цинку з утворенням волокон альгінату цинку. В якості альтернативи, волокна альгінату кальцію можна обробляти розчинами, що містять цинк або срібло, та при іонообміні; іони цинку та срібла в розчині замінюють іони кальцію у волокнах, в результаті чого альгінатні волокна містять іони цинку та срібла.