Получение волокнистых материалов на основе гиалуроновой кислоты методом электроформования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат наук Снетков Петр Петрович

• Снетков Петр Петрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Снетков Петр Петрович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Биополимерные нановолокна: основные понятия, методы получения и области применения

1.1.1 Полимерные нановолокна и методы их получения

1.1.2 Области применения биополимерных нановолокон и материалов на их основе

1.2 Гиалуроновая кислота: структура, источники получения и биологические свойства

1.2.1 Структура гиалуроновой кислоты

1.2.2 Источники получения ГК

1.2.3 Биологические свойства гиалуроновой кислоты

1.2.4 Гиалуроновая кислота как носитель лекарственных средств

1.3 Электроформование волокон на основе гиалуроновой кислоты

1.4 Выводы

ГЛАВА 2. Характеристика объектов и методов исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы получения и исследования

2.2.1 Приготовление полимерных прядильных растворов

2.2.2 Исследование электропроводности полимерных растворов

2.2.3 Измерение плотности полимерных растворов

2.2.4 Определение поверхностного натяжения полимерных растворов

2.2.5 Исследование реологических характеристик полимерных растворов

2.2.6 Получение нановолокон и наночастиц методом электроформования

2.2.7 Оптическая микроскопия

2.2.8 Сканирующая электронная микроскопия

2.2.9 Цифровая обработка микрофотографий и статистический анализ

2.2.10 УФ/ВИД спектрофотометрия

2.2.11 Дифференциальная сканирующая калориметрия

2.2.12 Термогравиметрический анализ

2.2.13 ИК-Фурье спектроскопия

2.2.14 Микробиологические исследования

ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение

3.1 Исследование физических свойств водно-органических растворов ГК

3.2 Получение частиц на основе ГК и исследование их морфологических характеристик

3.3 Получение волокон на основе ГК и исследование их свойств

3.3.1 Исследование электропрядомости водно-органических растворов ГК

3.3.2 Влияние технологических параметров на морфологические характеристики формируемых волокон на основе гиалуроновой кислоты

3.3.3 Получение и исследование нановолокон с куркумином

3.3.4 Получение и исследование нановолокон на основе ГК с куркумином и усниновой кислотой

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А - Плотность и поверхностное натяжение формовочных растворов гиалуроновой кислоты

Приложение Б - Оптические микрофотографии частиц ГК

Приложение В - Микрофотографии нановолокон

Приложение Г - Гистограммы распределения диаметров нановолокон

Приложение Д - Акт изготовления опытной партии нановолокон на основе гиалуроновой кислоты

Приложение Е - Протокол микробиологических испытаний опытной партии нановолокон на основе гиалуроновой кислоты

Приложение Ж - Акт о внедрении результатов в учебный процесс

Приложение З - Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение волокнистых материалов на основе гиалуроновой кислоты методом электроформования»

Актуальность темы

В настоящее время современная медицина и биоинженерия остро нуждаются в безопасных и биосовместимых волокнистых наноматериалах на основе биополимеров: регенеративных покрытиях, клеточных каркасах, а также системах для адресной доставки фармакологически активных субстанций.

Одним из универсальных и высокоэффективных методов получения таких материалов является электроформование - получение волокон или частиц из растворов (расплавов) полимеров за счёт воздействия электростатических сил. Несмотря на то, что с момента патентования метода электроформования прошло более ста лет, развитие он получил лишь в последние десятилетия.

Среди перспективных полимеров для получения волокон методом электроформования стоит отметить искусственные полимеры и полимеры природного происхождения, такие как производные целлюлозы, хитозан, коллаген, фиброин шёлка, альгиновую кислоту, гиалуроновую кислоту и т.п. Особое внимание уделяется последней, по причине её присутствия в клетках и тканях живых организмов, а также благодаря уникальным физико-химическим, реологическим и биологическим свойствам.

Несмотря на все преимущества гиалуроновой кислоты (ГК), получение волокон на её основе методом электроформования затруднено, и применяют различные подходы, в частности:

- используют в рецептуре формовочных растворов модифицирующие полимеры, такие как, поливиниловый спирт, полиэтиленоксид и т.д. При этом, чаще всего, содержание гиалуроновой кислоты в системе значительно меньше, чем содержание полимера-модификатора;

- бинарные и тернарные системы растворителей, применение которых для биоинженерных и медицинских приложений либо запрещено, либо частично ограничено из-за их токсичности;

- кислые или щелочные растворы, приводящие к деградации полимерной цепи гиалуроновой кислоты, что приводит к снижению механических, физико-химических и терапевтических свойств конечного волокнистого материала.

Необходимость создания волокон на основе нативной гиалуроновой кислоты без использования синтетических полимеров и токсичных растворителей продиктована острой потребностью современной медицины в безопасных, биосовместимых материалах. Также востребованы полимерные волокна с внедрёнными биологически активными веществами (БАВ), применение которых позволит обеспечить таргетное воздействие на поражённые участки без применения системных препаратов, снижая вероятность возникновения побочных эффектов. В литературе встречаются лишь единичные примеры таких материалов, например, содержащих гидрофильные фармакологические агенты, такие как ибупрофен, канамицин и т.д., однако, наиболее перспективным направлением является введение в полимерную матрицу природных биологически активных веществ (БАВ), имеющих гидрофобную природу.

Указанные выше системы трансдермального переноса лекарств являются лишь частным случаем систем для адресной доставки фармакологически активных агентов. Гиалуроновая кислота, благодаря связыванию со специфическими рецепторами, может вызывать различные биологические эффекты, которые можно контролировать за счёт введения препаратов в полимерную матрицу, и, в свою очередь, она может обеспечивать направленную доставку и контролируемое высвобождение активного компонента. Следует отметить, что в качестве носителя могут выступать как волокна на основе гиалуроновой кислоты, так и частицы, однако, разработка последних до настоящего времени не реализована в должном объёме.

Анализ литературных данных выявил значительный дефицит знаний о влиянии вариативных параметров на характеристики получаемых полимерных волокон на основе гиалуроновой кислоты.

В этой связи получение данных о взаимосвязях между физико-химическими параметрами и характеристиками волокон и частиц, получаемых из водных и

водно-органических растворов гиалуроновой кислоты, является фундаментально значимой задачей. Это обеспечит стабильность структуры и свойств получаемых волокон и частиц, воспроизводимость морфологических характеристик, а также позволит контролировать их характеристики и на этапе получения, и при взаимодействии с органами и тканями живого организма.

Создание фундаментальных основ для разработки уникальных материалов с заданным комплексом физико-механических, физико-химических и эксплуатационных свойств позволит найти применение в медицинской практике и биоинженерных приложениях.

Цель работы - разработка технологических решений получения волокон, частиц и нетканых материалов из водных и водно-органических растворов гиалуроновой кислоты методом электроформования для медико-биологического применения.

Задачи работы:

1. Разработать рецептуры полимерных прядильных растворов на основе ГК для получения волокон, нетканых материалов и частиц методом электроформования;

2. Изучить влияние состава и свойств формовочного раствора (концентрация полимера, соотношение растворителей, динамическая вязкость, электропроводность, плотность, поверхностное натяжение) и параметров процесса электроформования (приложенное электрическое напряжение, скорость подачи раствора) на стабильность процесса электроформования, морфологические характеристики и физико-химические свойства получаемых полимерных структур;

3. Получить волокна на основе ГК с иммобилизованными БАВ (куркумином и усниновой кислотой), исследовать их характеристики и оценить возможные области применения;

4. Оценить антибактериальную активность полученных нановолокон на основе гиалуроновой кислоты в отношении полирезистентных микроорганизмов группы ESKAPE;

5. Провести анализ полученных результатов и определить оптимальный диапазон технологических и рецептурных параметров, обеспечивающих получение нановолокон и частиц с заданными характеристиками.

Научная новизна работы

1. Разработаны и научно обоснованы условия получения волокон, наночастиц и нетканых материалов методом электроформования из водных и водно-органических растворов гиалуроновой кислоты с БАВ без применения модифицирующих полимеров и токсичных растворителей.

2. Установлено, что прядильные растворы полимера, содержащие равнообъёмное соотношение воды и ДМСО, обладают максимальной вязкостью, за счет образования гидратного комплекса вода - ДМСО в молярном соотношении 2:1, что приводит к получению бездефектных волокон.

3. Показано, что для получения частиц, обладающих минимальными размерами (297 - 322 нм) и узким диапазоном распределения диаметров, имеющих перспективы применения в качестве систем для адресной доставки лекарственных средств, в том числе, вводимых непосредственно внутривенно, необходимо использовать водные растворы гиалуроновой кислоты с концентрацией 0,25-0,75 масс.%, обладающие электропроводностью в диапазоне от 0,05 до 0,12 См/м, поверхностным натяжением 70 мН/м, динамической вязкостью от 0,3 до 2,0 Па-с (при скорости сдвига 5 с-1 и температуре 25 °С). Обнаружено, что при концентрации ГК 1,0 масс.%, наблюдается переход от электроспреинга к электроспиннингу - одновременное образование сферических наночастиц и волокон, представляющих собой единую систему типа «бусы на нитке».

4. Впервые получены нановолокна на основе ГК из растворов, содержащих воду и диметилсульфоксид без модифицирующих полимеров. Доказано, что

разработанные рецептуры растворов обеспечивают стабильный процесс электроформования и получение волокон со средним диаметром от 100 нм в области электрической проводимости от 0,06 до 0,08 См/м, и поверхностном натяжении около 50 мН/м и в широком диапазоне технологических параметров: приложенном электрическом напряжении от 22,0 до 30,0 кВ и скорости подачи раствора от 2,0 до 8,0 мл/ч.

5. Изучена взаимосвязь вариативных параметров, таких как концентрация и состав прядильного раствора, задаваемое электрическое напряжение и объёмный расход раствора полимера, условия окружающей среды со стабильностью процесса электроформования и морфологическими характеристиками формируемых полимерных структур (наночастиц и нановолокон).

6. Установлено, что добавление куркумина приводит к образованию комплекса биополимер - БАВ, который, упорядочивая структуру, повышая электропроводность и динамическую вязкость, выступает в роли стабилизирующего агента процесса электроспиннинга при получении малодефектных нановолокон на основе гиалуроновой кислоты.

7. Показано, что термическая устойчивость куркумин-содержащих нановолокон на основе ГК в среднем повышается на 10 - 30 °С с увеличением доли куркумина в 1,6-3,0 раза.

Теоретическая и практическая значимость работы

Установлена взаимосвязь между составом прядильного раствора (объёмные доли ДМСО и дистиллированной воды, концентрация гиалуроновой кислоты), технологическими параметрами (электрическое напряжение, объёмный расход раствора), условиями окружающей среды и стабильностью процесса электроформования, а также морфологическими характеристиками получаемых полимерных наноструктур.

Показано, что разработанная методика получения прядильного раствора ГК позволяет включать гидрофобные биологически активные вещества, имеющие

природное происхождение, в частности, куркумин и усниновую кислоту, без использования дополнительных токсичных веществ.

На основании полученных результатов предложены методики получения нановолокон и наночастиц с высоким потенциалом применения в следующих областях:

- раневые и ожоговые регенеративные покрытия, содержащие в своём составе как нативный полимер, так и полимер с иммобилизованным БАВ;

- скаффолды для выращивания искусственных органов и тканей, поскольку средний диаметр полученных волокон оптимален для пролиферации фибробластов;

- системы для адресной доставки БАВ и лекарственных средств. В этом случае в качестве полимерной матрицы могут выступать как волокна на основе гиалуроновой кислоты (с обеспечением так называемого трансдермального переноса лекарств), так и наночастицы, размер и отрицательный дзетта-потенциал которых позволяет вводить их внутривенно.

Известно, что куркумин обладает высокой бактерицидной эффективностью в отношении грам-положительных полирезистентных бактерий, но проявляет крайне низкую антибактериальную активность против грам-отрицательных бактерий. Куркумин-содержащие волокна с соотношением ГК:куркумин 15:1 и 5:1 (по массе) проявили высокую антибактериальную активность, что свидетельствует о возможности создания высокоэффективных антибактериальных препаратов на основе БАВ-содержащей ГК. Впервые продемонстрирована высокая активность куркумин-содержащих волокон на основе ГК в отношении грам-отрицательных бактерий, что можно объяснить синергическим эффектом разработанной полимерной композиции и образованием стабильного комплекса ГК-куркумин.

Выпущена опытная партия волокнистого материала на основе гиалуроновой кислоты с куркумином. Получены результаты микробиологических испытаний опытной партии в ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера (г. Санкт-Петербург) в отношении микроорганизмов группы ESKAPE.

Положения, выносимые на защиту

1. Рецептуры водных прядильных растворов гиалуроновой кислоты, позволяющие получать полимерные наночастицы со средним диаметром 300 нм.

2. Влияние рецептурных и технологических параметров на стабильность процесса электроформования и морфологические характеристики получаемых волокон на основе гиалуроновой кислоты со средним диаметром от 100 нм с регулируемым комплексом свойств.

3. Закономерности влияния природы и доли БАВ на протекание процесса электроформования и морфологию получаемых волокон на основе гиалуроновой кислоты.

4. Результаты исследований полученных нановолокон на основе куркумин-содержащей гиалуроновой кислоты в качестве антибактериальных материалов медико-биологического назначения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных мероприятиях:

Конференции: XLVII, XLVIII, XLIX и Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2018-2021 гг.), V Всероссийская научно-практическая конференция с участием молодых ученых «Инновационные материалы и технологии в дизайне» (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), 19th International Multidisciplmary Scientific GeoConference SGEM 2019 (Albena Resort, Bulgaria, 2019 г.), Юбилейная V Междисциплинарная конференция «Молекулярные и Биологические аспекты Химии, Фармацевтики и Фармакологии» М0БИ-ХимФарма2019 (г. Судак, Крым, 2019 г.), 15th International Saint Petersburg Conference of Young Scientists «Modern problems of polymer science» (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), XXVII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020» (г. Москва, 2020 г.), Весенняя школа-конференция ХимРар по медицинской химии «МедХимРар-21» (г. Москва, 2021 г.); XVII Международная научно-

практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы». «Микитаевские чтения» (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская Республика, 2021 г.)

Конгрессы: VIII, IX, X Конгресс молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 20192021 гг.);

Симпозиум: II Международный симпозиум «Innovations in Life Sciences» (г. Белгород, 2020 г.).

Достоверность научных достижений

Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексом используемого высокоточного оборудования, приборов, методов детектирования и математической обработки экспериментальных данных, высокой степенью воспроизводимости характеристик разрабатываемых полимерных структур.

Внедрение результатов работы

Опытная партия волокнистого материала на основе гиалуроновой кислоты с куркумином изготовлена и передана во ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера для исследования активности в отношении микроорганизмов группы ESKAPE.

Результаты настоящей работы внедрены в образовательный процесс, издано методическое пособие: Морозкина С.Н., Олехнович Р.О., Снетков П.П. Некоторые биологически-активные вещества природного происхождения и системы их доставки на основе гиалуроновой кислоты: учебное пособие. - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2021. - 72 с.

Публикации

По результатам выполнения диссертационного исследования опубликованы 20 печатных работ, из которых 5 входят в международные реферативные базы данных и системы цитирования (Scopus и Web of Science), 3 входят в перечень российских рецензируемых журналов, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации

Текст диссертации представлен на русском языке, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 253 страницах, содержит 18 таблиц, 53 рисунка, 8 приложений. Список цитируемой литературы содержит 215 наименований.

Содержание работы

Во введении подчёркнута актуальность темы диссертационного исследования, отражена степень разработанности темы, сформулированы цель и задачи работы, продемонстрирована научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность научных достижений, перечислены области внедрения результатов диссертационного исследования.

Глава 1 раскрывает основные методы получения и области применения биополимерных нановолокон. Также описана структура, источники получения и биологические свойства гиалуроновой кислоты, являющейся перспективным полимером для получения нановолокон. Определены особенности технологии получения нановолокон методом электроформования из растворов гиалуроновой кислоты: выявлены причины, по которым процесс электроформования затруднён, проанализированы методы, используемые для преодоления имеющихся трудностей, определены существующие проблемы и недостатки в области получения нановолокон на основе гиалуроновой кислоты. Предложены пути для восполнения недостающих фундаментальных знаний о взаимосвязи вариативных параметров процесса электроформования и морфологическими характеристиками волокон. Определены направления для разработки нового класса волокнистых материалов, в том числе, содержащих гидрофобные природные биологически активные вещества.

Во второй главе описана методика получения объектов исследования; рассмотрены методы исследования свойств формовочных полимерных растворов, а также получаемых из них методом электроформования частиц и волокон;

представлен перечень применяемого лабораторного оборудования; описаны методы обработки полученных экспериментальных данных.

Объектами исследования в диссертационной работе являлись водные и водно-органические растворы на основе высокомолекулярной гиалуроновой кислоты марки HA-T производства Bloomage Freda Biopharm CO., LTD, а также полученные из них методом электроформования при варьировании технологических параметров частицы и волокна микро- и наноразмерного уровня.

Дистиллированная вода ГОСТ Р 58144-2018 и диметилсульфоксид (ДМСО, ХЧ) производства АО «ЭКОС-1» ТУ 2635-114-44493179-08 использовались в качестве растворителей. В качестве биологически активных веществ использовались куркумин и усниновая кислота производства Sigma Aldrich.

Водные растворы гиалуроновой кислоты готовили при комнатной температуре путём постепенного добавления навески биополимера в необходимый объём дистиллированной воды. После добавления всей навески перемешивание продолжали в течение 24 ч.

Водно-органические растворы ГК готовили с использованием дистиллированной воды и ДМСО в соотношении 25:75, 50:50 и 75:25 (по объёму) следующим образом: биополимер растворяли в необходимом объёме дистиллированной воды, после чего при перемешивании и охлаждении добавляли ДМСО и продолжали перемешивание в течение 24 ч.

Для внедрения («загрузки») в полимерную матрицу куркумина и усниновой кислоты, была использована бинарная система растворителей дистиллированная вода : ДМСО в соотношении 50:50. При этом БАВ предварительно растворяли в необходимом количестве ДМСО, отдельно готовили раствор гиалуроновой кислоты в дистиллированной воде. После полного растворения биополимера к его раствору при перемешивании и охлаждении добавляли раствор БАВ. После смешивания растворов перемешивание продолжали до образования однородной смеси (в течение 24 ч).

Исследование физических характеристик формовочных растворов проводили с использованием:

- удельная объёмная электрическая проводимость - с помощью лабораторного кондуктометра inoLab Cond 720 (WTW, Германия) с четырехэлектродной кондуктометрической ячейкой TetraCon 325;

- плотность - с помощью цифрового лабораторного плотномера Mettler Toledo Densito 30PX;

- поверхностное натяжение - методом «висящей капли» с использованием тензиометра KRUSS DSA100R;

- динамическую вязкость измеряли на реометре Anton Paar Physica MCR-

502.

Формирование волокон и частиц микро- и наноуровня проводилось с использованием установки электроспиннинга NANON-OIA (MECC CO., LTD). В приборе реализована схема процесса электроформования, представленная на Рисунке Р. 1.

Рисунок Р.1 - Схематическое изображение процесса электрогидродинамического

распыления жидкости

Для получения волокон и частиц использовались различные технологические режимы (Таблица Р.1).

Таблица Р.1 - Технологические режимы получения частиц и волокон

Технологический параметр Наночастицы Нановолокна без БАВ Нановолокна с БАВ

Напряжение, кВ 30,0 8,0-30,0* 14,0-30,0

Скорость подачи раствора, мл/ч 0,5-1,0 1,0-8,0* 2,0

Тип иглы по шкале Gauge 27G

Тип коллектора; размеры (ШхД), мм плоский стальной (150*200 мм)

Расстояние между иглой и коллектором, мм 150

Скорость перемещения прядильного узла, мм/с 10,0

Продолжительность процесса электроформования образцов, мин 5-10 (для микроскопии) 40 (для оценки антибактериальных характеристик)

Температура, °C 25,0 ± 3,0

Относительная влажность воздуха, % 20-30

Примечание *Для оценки влияния технологических параметров на морфологические характеристики волокон диапазон приложенных напряжений и объёмного расхода был сужен до 22,0-30,0 кВ и 2,0-8,0 мл/ч, соответственно. Варьирование параметров производилось следующим образом: для каждого фиксированного объемного расхода после выхода процесса на установившийся режим подаваемое напряжение изменялось с 22,0 кВ до 30,0 кВ с шагом в 2,0 кВ.

Полученные при различных технологических режимах полимерные частицы и волокна исследовали с использованием методов оптической и сканирующей электронной микроскопии с последующей цифровой обработкой изображений и статистическим анализом. Свойства нановолокон проанализированы с помощью физико-химических методов исследования: УФ/ВИД спектрофотометрия, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), термогравиметрический анализ (ТГА), ИК-Фурье спектроскопия. Оценена чувствительность полирезистентных патогенов группы ESKAPE (Enterobacter cloacae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterococcus faecalis) к куркумин-содержащим волокнам на основе гиалуроновой кислоты.

Глава 3 посвящена получению и исследованию свойств формовочных растворов на основе гиалуроновой кислоты, а также анализу полученных из них методом электроформования частиц и волокон.

В первом Параграфе представлены результаты исследования физических характеристик водных и водно-органических растворов гиалуроновой кислоты. На первом этапе было проанализировано влияние концентрации гиалуроновой кислоты и соотношения растворителей на электропроводность, плотность, поверхностное натяжение и динамическую вязкость формовочных растворов.

Исследование плотности раствора в зависимости от концентрации полимера необходимо для дальнейшего анализа поверхностного натяжения методом «висящей капли». Результаты измерения плотности при температуре 25,0 ± 1,0 °C показали, что плотность повышается: на 0,0025-0,0030 г/см3 с увеличением концентрации полимера на 0,25 масс.%, и на 0,0250-0,0360 г/см3 с увеличением содержания ДМСО на 25 объёмных частей. Отметим, что плотность дистиллированной воды при 25,0 °С равна 0,9970 г/см3, а плотность ДМСО при той же температуре равна 1,1010 г/см3. Полученная зависимость имеет линейный характер и коррелирует с данными предыдущих исследований, в которых не использовался органический со-растворитель.

Поверхностное натяжение играет важную роль в процессе электроформования. Первоначально, под действием электрического напряжения на поверхности капли раствора полимера возникает электрический заряд. Этот заряд приводит к преодолению сил поверхностного натяжения и изменению формы капли с обычной сферической на коническую. После превышения сил электрического поля над критическим значением, электростатические силы превалируют над поверхностным натяжением раствора полимера, что приводит к электрогидродинамическому распылению раствора.

Обнаружено, что поверхностное натяжение понижается: на 0,5-1,0 мН/м при увеличении концентрации ГК на 0,25 масс.%, и на 8,0-10,0 мН/м при увеличении содержания ДМСО на 25 объёмных частей. Полученные результаты соотносятся с данными предыдущих работ, в которых не исследовали водно-органические растворы гиалуроновой кислоты.

Электропроводность также является ключевым параметром формовочного раствора. ГК, являясь природным полисахаридом и полиэлектролитом, может быть отнесена к электроактивным полимерам, в связи с чем растворы заряженных полимеров могут обладать электролитической проводимостью. Водные растворы ГК обладают высоким уровнем электропроводности, который может препятствовать процессу электроформования.

Очевидно, что увеличение содержания полимера приводит к увеличению электрической проводимости раствора: повышение концентрации полимера на 0,25 масс.% приводит к увеличению электропроводности в 1,2-1,8 раза. Напротив, увеличение доли ДМСО в бинарной системе на 25 объёмных частей приводит к снижению электропроводности раствора в 1,8-2,2 раза (электропроводность ДМСО составляет 2-10-9 См/м).

Для обеспечения переноса заряда с формующей фильеры на струю раствора полимера необходимо обеспечить заданный уровень электропроводности прядильного раствора. С другой стороны, высокий уровень электропроводности, а также низкая испаряемость растворителя в растворах на водной основе, может привести к возникновению электрического пробоя между электродами с

использованием влажного (невысохшего) волокна в качестве проводника. По этой причине, знание этого параметра необходимо для последующего получения из электропроводящих растворов нановолокон и волокнистых материалов.

На Рисунке Р.2 представлены области устойчивого протекания процесса электроформования волокон и частиц ГК из водных и водно-органических растворов с концентрацией биополимера от 0,25 масс.% до 2,0 масс.% в зависимости от поверхностного натяжения и электропроводности формовочных растворов.

Рисунок Р.2 - Области стабильного образования частиц и волокон ГК

В области электрической проводимости от 0,06 до 0,08 См/м, и поверхностном натяжении около 50 мН/м наблюдается процесс устойчивого электроформования волокон из водно-органических растворов ГК. В то же время, полимерные частицы стабильно образуются из водных растворов в диапазоне электропроводности 0,05-0,2 См/м и поверхностном натяжении около 70 мН/м.

Динамическая вязкость раствора полимера, являясь одним из основных технологических параметров, показывает возможность транспорта раствора через тонкие питающие системы и распылительные иглы. Как известно, гиалуроновая кислота способна в растворе организовывать третичную спиралевидную структуру, а звенья полимера склонны к переплетению друг с другом уже при концентрации 0,05-0,1 масс.% и более, что приводит к значительному увеличению вязкости растворов. Высокая вязкость значительно затрудняет процесс электроспиннинга, закупоривая системы оборудования, с другой стороны, образуются менее однородные структуры, поэтому её значения необходимо контролировать.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Снетков Петр Петрович, 2021 год

Литература

1. Матвеев А.Т., Афанасов И.М. Получение наново-локон методом электроформования: учеб. пособие для студентов по специальности «Композиционные нано-материалы» / под ред. В.В. Авдеева, А.Ю. Алентьева, Б.И. Лазоряк, О.Н. Шорниковой. М.: МГУ, 2010. 83 с.

2. Tokarev, A. et al. Magnetospinning of nano- and mi-crofibers // Advanced Materials. 2015. Vol. 27. Iss. 23. P. 3560-3565.

3. Добровольская, И.П. и др. Электроформование композиционных нановолокон на основе хитозана, полиэтиленоксида и нанофибрилл хитина // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2016. Т. 58. № 2. С. 19.

4. Zafarulla, K. et a. Morphology, mechanical properties and surface characteristics of electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofiber mats // International Journal of Advanced Engineering and Nano Technology. 2015. Vol. 2. Iss. 3. P. 15-22.

5. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс): автореф. дис. ... д-ра хим. наук: 02.00.04 / Научно-исслед. физико-хим. ин-т. Москва, 1998. 55 с.

6. Тюкавкина, НА, Бауков, Ю.И. Биоорганическая химия: учеб. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 1991. 528 с

7. Сигаева, Н.Н. и др. Химическая модификация гиалуроновой кислоты и её применение в медицине // Вестник Башкирского университета. 2012. Т. 17. № 3. C. 1220-1241.

8.

URL: https://www.sigmaaldrich.com/catalog/search7interf ace=CAS+No.&term=9067-32-7 (дата обращения 14.04.2019).

9. Швайчак Э. Зависимость вязкости водного раствора гиалуроновой кислоты от ее микроструктуры. Часть I // Российский журнал биомеханики. 2003. Том 7. № 3. С. 87-98.

10. Necas J, Bartoskova L, Brauner P., Kolar J. Hyaluronic acid (hyaluronan): a review // Veterinarni Medicina. 2008. Vol. 53. Iss. 8. P. 397-411.

11. Li. J. et al. Electrospinning of hyaluronic acid (HA) and HA/gelatin blends // Macromolecular Rapid Communications. 2006. Vol. 27. Iss. 2. P. 114-120.

12. Ahire, J. et al. Polyethylene oxide (PEO)-hyaluronic acid (HA) nanofibers with kanamycin inhibits the growth of Listeria monocytogenes // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2017. Vol. 86. P. 143-148.

13. Setyanin M.A., Khabarov V.N, Boykov P.Y. Hyaluronic acid: production, properties, application in biology

and medicine / Ed. by F Poiyak. UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2015. 216 p.

14. Ji. Y. et al. . Electrospun three-dimensional hyaluronic acid nanofibrous scaffolds // Biomaterials. 2006. Vol. 27- Iss. 20- P. 3782-3792.

15. Coffins T ImageJ for microscopy // Biotechniques. 2007. Vol. 43. Iss. 1S. P. 25-30.

References

1. Matveev, A.T, Afanasov, I.M. Poluchenie nano-volokon metodom elektroformovaniya: Uchebnoe posobie dlya studentov po spetsialnosti «Kompozitsionnye nano-materialy» [Obtaining nanofibers by electroforming: a textbook for students on the specialty "Composite nano-materials"]. Moscow: Moscow State University. 2010. 83 p.

2. Tokarev, A. et ai. Magnetospinning of nano- and microfibers. Advanced Materials. 2015. vol. 27. iss. 23. pp. 3560-3565.

3. Dobrovoiskaya, I.P. et al Electrospinning of composite nanofibers based on chitosan, poly(ethylene oxide), and chitin nanofibrils. Polymer Science Series A. 2016. Vol. 58. no 2. P. 1-9.

4. Zafarulla, K et al. Morphology, mechanical properties and surface characteristics of electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofiber mats. International Journal of Advanced Engineering and Nano Technology (JAENT). 2015. Vol. 2. iss. 3. P. 15-22.

5. Filatov, Yu.N. Elektroformovanie voloknistykh ma-terialov [Electroforming of fibrous materials]. Abstract of Doctor's degree dissertation. Moscow. 1998. 55 p.

6. Tyukavkina, N.A, Baukov, Yu.I. Bioorganich-eskaya khimiya [Bioorganic chemistry]. 2nd ed. Moscow. Meditsina. 1991. 528 p.

7. Sigaeva, N.N. et aI. Khimicheskaya modifikatsiya gialuronovoi kisloty i ee primenenie v meditsine [Chemical modification of hyaluronic acid and its use in medicine]. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2012. Vol. 17. No 3. P. 1220-1241.

8. URL:

https://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?interface=C AS+No.&term=9067-32-7 (accessed 14.04.2019).

9. Shvaichak E Zavisimost' vyazkosti vodnogo rastvora gialuronovoi kisloty ot ee mikrostruktury. Chast' 1 [The dependence of the viscosity of an aqueous solution of hyaluronic acid on its microstructure. Part 1]. Russian Journal of Biomechanics. 2003. Vol. 7. No 3. P. 87-98.

10. Necas, J, Bartosikova, L, Brauner, P., Kolar, J. Hyaluronic acid (hyaluronan): a review. Veterinarni Medicina. 2008. Vol. 53. Iss. 8. P. 397-411.

11. Li. J. et aI. Electrospinning of hyaluronic acid (HA) and HA/gelatin blends. Macromolecular Rapid Communications. 2006. Vol. 27. Iss. 2. P. 114-120.

12. Ahire, J. et al. Polyethylene oxide (PEO)-hyaluronic acid (HA) nanofibers with kanamycin inhibits the growth of Listeria monocytogenes. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2017. Vol. 86. P. 143-148.

13. Setyanin, M.A, Khabarov, V.N, Boykov, P.Y. Hya-luronic acid: production, properties, application in biology and medicine. UK. John Wffey & Sons, Ltd. 2015. 215 p.

14. Ji. Y. et al. Electrospun three-dimensional hyaluronic acid nanofibrous scaffolds. Biomaterials. 2006. vol. 27. iss. 20. pp. 3782-3792.

15. Collins, T. ImageJ for microscopy. Biotechniques. 2007. Vol. 43. Iss. 1S. pp. 25-30.

УДК 547.995.15: 547.979.4:620.3

Получение волокон на основе гиалуроновой кислоты и куркумина

методом электроформования*

П. П. Снетков,* В. Е. Ситникова, М. В. Успенская, С. Н. Морозкина, Р. О. Олехнович

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Российская Федерация, 197101 Санкт-Петербург, Кронверкский просп., 49. Факс: [phone]. E-mail:[e-mail]

Методом электроформования получены волокна на основе гиалуроновой кислоты с наполнителем — куркумином, обладающим антибактериальными, противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами. Показано, что в водно-органической среде происходит образование метахроматического комплекса гиалуроновой кислоты с куркумином, что приводит к стабилизации процесса электроформования и улучшению характеристик получаемых полимерных волокон. Полимерные волокна, сформированные при напряжении 26 кВ, имеют среднее значение диаметра 0.296 мкм (диапазон 0.146—0.630 мкм). Полученные куркуминсодержащие волокна на основе гиалуроновой кислоты могут найти широкое применение как в регенеративной медицине, так и при разработке систем адресной доставки лекарств.

Ключевые слова: волокно, гиалуроновая кислота, куркумин, электроформование, метахроматический комплекс.

вязок. Введение лекарственных веществ в состав волокна позволяет существенно увеличить терапевтический эффект и расширить область их применения. Так, использование некоторых полимеров природного происхождения может обеспечить не только биосовместимость и биодеградируемость применяемых материалов, но и пролонгированное, дозированное и направленное действие введенного лекарственного агента12-14.

Перспективными фармакологическими субстанциями для создания современных лекарственных форм, направленных на персонализированную медицину, являются такие природные биологически активные агенты, как лентинан15, фукоидан16, апигенин17, куркумин18 и т.д.

Получение нановолокон методом электроформо-вания19'20 из природных полимеров, в том числе наполненных лекарственными агентами, имеет ряд ограничений. Для водных растворов биополимеров характерны низкая испаряемость и малые значения электрического сопротивления, что усложняет использование метода электроформования. Большинство лекарственных веществ являются гидрофобными, с чем связана их низкая биологическая доступность, поэтому подбор подходящей системы растворителей — отдельная многоступенчатая задача.

Выбор ГК в качестве матрицы волокон не случаен. Во-первых, ГК является основным компонентом межклеточного матрикса, который отвечает за процессы переноса питательных веществ в клетку и продуктов распада из клетки. Во-вторых, ГК участвует в процессах клеточной пролиферации21 в процессе заживления ран и ожогов. В-третьих, благодаря на-

Современный уровень развития регенеративной медицины, комбустиологии и фармакологии требует создания эффективных материалов, обладающих одновременно ранозаживляющим, противовоспалительным и антибактериальным действием, а также способностью направленно и контролируемо высвобождать лекарственные средства. Предъявляемым требованиям соответствуют волокнистые биополимерные композиты1-4 на основе белков, полисахаридов и их производных, таких как коллаген5, фиброин шелка6, крахмал7, гиалуроновая кислота (ГК)8, хитин и хитозан9'10, альгиновая кислота11 и т.п. Подобные волокнистые материалы могут быть использованы в качестве самостоятельных ранозаживляющих по-

но2с п он

но

он

о.

NHAc

Гиалуроновая кислота

*По материалам юбилейной V Междисциплинарной конференции «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии» (15—18 сентября 2019 г., Судак, Россия).

© 2020 «Известия Академии наук. Серия химическая»

личию отрицательно заряженной карбоксильной группы ГК может образовывать комплексы с другими

21—24

органическими соединениями21 24.

Создание на основе ГК волокнистых материалов, содержащих различные лекарственные формы, расширяет область использования изделий на их основе. В работе25 описано получение волокон на основе по-лиэтиленоксида и ГК, содержащих аминогликозид-ный антибиотик первого поколения — канамицин. Следует отметить, что в большинстве случаев волокна на основе ГК формируются с применением таких инициаторов электроформования, как поливиниловый спирт26 или полиэтиленоксид27—29. Именно поэтому исследование условий электроформования куркуминсодержащих волокон из растворов ГК является актуальной задачей.

Цель настоящей работы — исследование возможности получения методом электроформования волокон на основе комплекса ГК—куркумин. Перед нами стояли задачи — изучить влияние параметров электро-спининга и концентрации куркумина на морфологию образующихся волокон, доказать образование комплекса ГК—куркумин, оценить морфологические характеристики полученных волокон.

Экспериментальная часть

В качестве полимерной матрицы волокон использована натриевая соль гиалуроновой кислоты марки НА-Т (молекулярная масса 1.29 МДа , мольная доля D-глюкуроновой кислоты 45.9%, «BLOOMAGE FREDA BIOPHARM», Китай). В качестве природной биологически активной добавки выбран куркумин («Sigma-Aldrich», США). В качестве растворителей использовали диметилсульфоксид (ДМСО, «х.ч.», ТУ 2635-114-44493179-08, АО «ЭКОС-1», Россия) и дистиллированную воду (ГОСТ 6709-72). Реагенты не подвергали дополнительной очистке.

Прядильные растворы приготовлены согласно методике, описанной ранее в работе30. Гиалуронат натрия растворяли в смеси воды и ДМСО (50 : 50) в количестве, необходимом для получения раствора с концентрацией 1.9 мас.%. Молярное соотношение мономерного звена гиалуроната натрия к куркумину варьировали от 1 до 25. После приготовления растворы выдерживали при комнатной температуре для стабилизации и деаэрации.

Спектры поглощения получали на двухлучевом сканирующем спектрофотометре «UNICO UV-2804» (США) с использованием кварцевой кюветы толщиной 1 мм. В связи с высокой оптической плотностью исходных курку-минсодержащих растворов специально готовили растворы с пониженной концентрацией куркумина в ДМСО (0.0625 • 10-4 г-мл-1), гиалуроната натрия и куркумина в равнообъемной смеси Н2О—ДМСО (0.019 г-мл-1 и 0.0625 ■ 10-4 г - мл-1 соответственно).

Формование волокон проводили при комнатной температуре (20—25 °C) и относительной влажности воздуха 30—35% на универсальной лабораторной установке для электроформования «NAN0N-01A» («MECC CO», Япония) при напряжении от 20 до 30 кВ и скорости подачи раствора от 1.5 до 3.0 мл ■ ч-1, длительность процесса электропрядения волокон — от 2 до 5 мин. Расстояние между иглой и плоским стальным коллектором (150s200 мм) составляло 150 мм.

После окончания процесса электроформования образцы сушили в камере прибора в течение 10 мин.

Для оценки морфологических характеристик полимерных волокон использовали оптическую микроскопию в проходящем свете (оптический микроскоп «Микромед-1», ООО «Наблюдательные приборы», Санкт-Петербург, Россия) и в отраженном свете (микроскоп «Olympus STM6»). Из-за высокой степени прозрачности полученных волокон на основе ГК применяли метод дифференциально-интерференционного контрастирования.

Цифровая обработка микрофотографий и определение размеров нановолокон произведены с помощью программы ImageJ, National Institutes of Health31. Для построения гистограмм распределения диаметра волокон использован пакет программ OriginPro 8.1.

Обсуждение полученных результатов

В ходе работы нами получен метахроматический комплекс ГК с куркумином в водно-органической среде. Куркумин не обладает заряженными функциональными группами, но за счет использования 4-ди-метиламинопиридина (DMAP) и/или А,А'-дицикло-гексилкарбодиимида (DCC) ранее проводили реакции между карбоксильной группой ГК и гидроксильной группой куркумина с образованием конъюгата32—34. Однако нами получен комплекс ГК—куркумин без использования указанных активаторов.

Следует отметить, что все растворы, за исключением одного, обладали высокой стабильностью при хранении в обычных условиях окружающей среды. Только в растворе, содержащем ГК—куркумин в молярном соотношении 1 : 1, спустя 24 ч после приготовления выпадал осадок.

Спектры поглощения исходных растворов гиалуроната натрия в воде, куркумина в ДМСО, а также их смеси представлены на рисунке 1.

A

Рис. 1. Спектры поглощения исследуемых растворов гиалуроната натрия в воде (0.019 г■ мл-1) (1), куркумина в ДМСО (0.0625 ■ 10-4 г - мл-1) (2), гиалуроната натрия и куркумина в равнообъемной смеси Н2О—ДМСО (3) (0.019 г-мл-1 и 0.0625 ■ 10-4 г - мл-1 соответственно).

В видимой области спектра ГК не обладает характерными полосами поглощения, в то время как кур-кумин имеет полосу поглощения в области 432 нм. Появление в спектре поглощения полосы («плеча») в области 360 нм свидетельствует о формировании комплекса между ГК и куркумином.

Образование комплекса ГК—куркумин можно объяснить несколькими причинами. С одной стороны, ГК обладает способностью формировать третичную структуру — спираль35-39. С другой стороны, уже при концентрации 1 мг-мл-1 полимерные цепи начинают перекрываться между собой, в результате чего образуются трехмерные взаимопроникающие полимерные сетки21, характеризующиеся наличием пустот. Это, а также образование водородных связей может способствовать формированию стабильного комплекса ГК—куркумин, растворимого в водно-органической бинарной системе.

Возникновение комплекса ГК с куркумином приводило к стабилизации процесса электроформования в целом. При этом варьирование содержания курку-мина в прядильном растворе не вызывало изменения стабильности процесса электроформования.

Начало волокнообразования наблюдается уже при напряжении 14—16 кВ. Однако при этих значениях напряжения процесс электроформования характери-

зуется высокой степенью нестабильности: возникают «вспышки», а также отдельные капли и оборванные волокна. При 20—22 кВ, несмотря на стабилизацию процесса в целом, наблюдаются некоторые дефекты образования нановолокон: узелки, «бусинки», разветвления. Микрофотографии образцов волокон, полученных при 22 кВ, приведены на рисунке 2, а, Ь.

При увеличении напряжения до 26—28 кВ количество дефектов заметно уменьшается (см. рис. 2, c, d). Дальнейшее увеличение напряжения до 30 кВ не приводит к значительным изменениям процесса электроформования.

Таким образом, куркумин может выступать не только как эффективная биологически активная добавка, но и как стабилизатор процесса электроформования водно-органических прядильных растворов ГК.

Согласно гистограммам распределения по диаметрам (рис. 3, а, Ь) для полимерных волокон, сформированных при более низком напряжении (22 кВ), характерно как более широкое варьирование диаметра (от 0.194 до 0.799 мкм), так и более высокое среднее значение диаметра волокон (0.360 мкм) по сравнению с волокнами, полученными при 26 кВ (0.146— 0.630 мкм и 0.296 мкм соответственно). Такая тенден-

\ ■, . Г & \ р \ Л I i». ' ■/"* \ ' " -

« * К; \ 'Чк v ■

гк ; -."-у

1 , 4 • V. Vv ■! v

f ^ i \ 200 мкм

b

a

d

c

V <

Рис. 2. Микрофотографии в отраженном свете куркуминсодержащих волокон на основе ГК, полученных методом электроформования из раствора ГК (0.019 г ■ мл-1) и куркумина (0.7 ■ 10-3 г ■ мл-1) в системе вода—ДМСО (1 : 1) при 22 кВ (увеличение 100 х (а) и 1000 х (Ь)) и при 26 кВ (увеличение 100 х (с) и 1000 х

N (%)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 d/мкм

N (%)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 d/мкм

Рис. 3. Гистограммы распределения диаметра куркуминсо-держащих волокон на основе ГК, полученных при 22 (а) и 26 кВ (Ь).

ция наблюдалась и на других полимерных системах30'40'41.

Таким образом, нами представлены результаты получения методом электроформования из водно-органических растворов куркуминсодержащих полимерных волокон на основе ГК с диаметром от 0.146 до 0.799 мкм. В системе ГК—куркумин при растворителях вода—диметилсульфоксид наблюдается образование метахроматического комплекса, наличие которого оказывает стабилизирующее действие на процесс электроформования, что позволяет получать менее дефектные волокна при меньшем напряжении. Такие полимерные системы могут быть использованы для создания современных систем адресной доставки лекарственных средств.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-33-90098).

Список литературы

1. J. M. C. Bravo, L. J. V. Gómez, А. S. Medina, Electrospinning for Drug Delivery Systems: Drug Incorporation Techniques. In: Electrospinning — Material, Techniques, and Biomedical Applications, Ed. S. Haider, Intech Open, 2016, p. 141—155.

2. S. Zupancic, Acta Pharmaceut., 2019, 69, 131—153.

3. E. Arkan, A. H. Azandaryani, P. Moradipour, L. Behbood, Curr. Pharm. Biotechnol, 2017, 18, 909—924.

4. D.-G. Yu, L.-M. Zhu, K. White, C. Branford-White, Health, 2009, 01, 67—75.

5. R. L. Fischer, M. G. McCoy, S. A. Grant, J. Mater. Sci.-Mater, 2012, 23, 1645—1654.

6. W. H. Park, L. Jeong, M. H. Kim, J.-Y. Jung, B. M. Min, Int. J. Nanomed., 2014, 9, 5277—5287.

7. W. Xu, W. Yang, Y. Yang, Biotechnol. Progr, 2009, 25, 1788—1795.

8. V. Voinchet, P. Vasseur, J. Kern, Am. J. Clin. Dermatol., 2006, 7, 353—357.

9. E. H. Kim, J. H. Kim, Textile Sci. Eng., 2016, 53, 75—82.

10. V. V. Kiroshka, V. A. Petrova, D. D. Chernyakov, Y. O. Bozhkova, K. V. Kiroshka, Y. G. Baklagina, D. P. Romanov, V. Roman, R. V. Kremnev, Y. A. Skorik, J. Mater. Sci.-Mater., 2016, 28.

11. C. Hu, R. H. Gong, F. L. Zhou, Int. J. Polym. Sci., 2015, 1—12.

12. T. Garg, G. Rath, A. K. Goyal, J. Drug Target., 2015, 23, 202—221.

13. V. Pillay, C. Dott, Y. E. Choonara, C. Tyagi, L. Tomar, P. Kumar, V. M. K. Ndesendo, J. Nanomater., 2013, 1—22.

14. R. Seeram, M. Zamani, P. P. Molamma, Int. J. Nanomed., 2013, 8, 2997—3017.

15. I. Kenji, F. Ryuichi, T. Kataoka, S. Kayukawa, World J. Clinical Oncology, 2011, 2, 339—343.

16. B. Li, F. Lu, X. Wei, R. Zhao, Molecules, 2008, 13, 1671—1695.

17. E. Shankar, A. Goel, K. Gupta, S. Gupta, Curr. Pharmacol. Rep., 2017, 3, 423—446.

18. S. J. Hewlings, D. S. Kalman, Foods, 2017, 6, 92—102.

19. А. Т. Матвеев, И. М. Афанасов, Получение нановолокон методом электроформования, Учебное пособие для студентов, под ред. В. В. Авдеева, А. Ю. Алентьева, Б. И. Лазоряк, О. Н. Шорниковой, МГУ, Москва, 2010, 83 с.

20. А. Т. Пономаренко, А. Р. Тамеев, В. Г. Шевченко, Успехи химии, 2018, 87, 923—949 [A. T. Ponomarenko, A. R. Tameev, V. G. Shevchenko, Chem. Rev, 2018, 87, 923].

21. V. N. Khabarov, P. Y. Boykov, M. A. Selyanin, Hyaluronic Acid: Production, Properties, Application in Biology and Medicine, John Wiley & Sons, 2015, 215.

22. H. Tobata, T. Sagawa, Photochem. Photobiol. Sci., 2016, 15, 329—333.

23. M. D. Schoenberg, R. D. Moore, BBA — Specialized Section on Mucoproteins and Mucopolysaccharides, 1964, 83, 42—51.

24. N. Volpi, F. Maccari, J. Titze, J. Chromatography B, 2005, 820, 131—135.

25. J. J. Ahire, D. D. Robertson, A. J. van Reenen, L. M. T. Dicks, Biomed. Pharmacother., 2017, 86, 143—148.

26. M. Seon-Lutz, A.-C. Couffin, S. Vignoud, G. Schlatter, A. Hebraud, Carbohydr. Polym, 2019, 207, 246—287.

27. G. Chen, J. Guo, J. Nie, G. Ma, Polymer, 2016, 83, 12—19.

28. A. Chanda, J. Adhikari, A. Ghosh, S. R. Chowdhury, S. Thomas, P. Datta, P. Saha, Int. J. Biol. Macromol., 2018, 116, 774—785.

29. V. A. Petrova, D. D. Chernyakov, D. N. Poshina, I. V. Gofman, D. P. Romanov, A. I. Mishanin, A. S. Golovkin, Y. A. Skorik, Materials, 2019, 12.

30. P. P. Snetkov, T. E. Uspenskaia, M. V. Uspenskaya, K. S. Rzametov, 19th Intern. Multidisciplinary Sci. GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM-2019, 2019, 19, 175—182.

31. T. Collins, Biotechniques, 2007, 43, 25—30.

32. S. Manju, K. Sreenivasan, J. Colloid Interf. Sci., 2011, 359, 318—325.

33. J. Li, G. H. Shin, X. Chen, H. J. Park, Food Res. Int., 2015, 69, 202—208.

34. Z. Jiang, X. Dong, H. Liu, Y. Wang, L. Zhang, Y. Sun, Reactive and Functional Polymers, 2016, 104, 22—29.

35. J. E. Scott, F. Heatley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999, 96, 4850—4855.

a

b

36. J. E. Scott, C. Cummings, A. Brass, Y. Chen, Biochem. J., 1991, 274, 699—705.

37. E. D. Atkins, J. K. Sheehan, Science, 1973, 179, 562—564.

38. I. C. Dea, M. R. Moorhouse, Science, 1973, 179, 560—562.

39. A. Almond, A. Brass, J. K. Sheehan, J. Mol. Biol, 1998, 284, 1425—143.

40. Z. Khan, F. M. Kafiah, H. Z. Shafi, F. Nufaiei, S. A. Furquan, A. Matin, Inter. J. Adv. Engineering and Nano Technology, 2015, 2, 15—22.

41. H. M. Ibrahim, E. M. R. El-Zairy, Chitosan as a Biomaterial — Structure, Properties, and Electrospun Nanofibers. In: Concepts, Compounds and the Alternatives of Antibacterials, Ed. V. Bobbarala, IntechOpen, 2015, 23 p.

Поступила в редакцию 30 сентября 2019; после доработки — 21 ноября 2019; принята к публикации 10 декабря 2019

УДК 547.995.15: 544.35.03

Снетков П.П., Захарова К.С., Тянутова М.И., Морозкина С.Н., Олехнович Р.О., Успенская М.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРЯДИЛЬНЫХ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ

ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ

Университет ИТМО, Кронверкский пр., д.49, литер А, Санкт-Петербург, 197101, Россия. E-mail: ppsnetkov@itmo. ru

Гиалуроновая кислота (ГК) - природный полимер, встречающийся в разнообразных тканях и биологических жидкостях. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как биодеградируемость и биосовместимость, гиалуроновая кислота может применяться в производстве полимерных нановолокон для тканевой инженерии и раневых повязок. Для получения таких на-но- и микроструктур может быть использован метод электроспиннинга. Этот метод позволяет получать частицы и волокна из раствора полимера под действием высокого напряжения. Однако стабильность процесса зависит от множества параметров, включая физические характеристики полимерного раствора. В данной статье рассматриваются физические свойства водно-органических прядильных растворов гиалуроновой кислоты с учетом их пригодности для электроспиннинга.

Ключевые слова: биополимер, гиалуроновая кислота, диметилсульфоксид, заживление ран, нановолокна, тканевая инженерия, электроспиннинг.

DOI 10.36807/1998-9849-2020-55-81-16-21

Introduction

Hyaluronic acid was originally described by Karl Meyer and John Palmer in 1934. The name "hyaluronic acid" was derived from "hyalos" (glass-like) and "uronic acid" [1]. HA consists from regularly repeating residues of D-glucuronic acid and N-acetyl-D-glucosamine that form linear molecule [2]. Containing both polar and non-polar segments HA can exist in different conformational states while interacting with various chemical substances and with its own chains [3].

In view of its biocompatibility, HA has plenty of applications and continues to attract the research interest. It is utilized in arthrology for viscosupplementation, in drug delivery as a carrier for hydrophobic drugs, in ophthalmology and dentistry and as a food supplement [4-8]. HA can be utilized in a various form, such as gel, powder, nanoparticles, non-woven micro- and nanofibers. Nano-fibers obtained from HA have potential application in wound healing and tissue engineering.

Electrospinning is one of the ways of producing nano- and microfibers and it is notable for its hardware simplicity, high energy efficiency, wide universality to the materials being obtained, and flexibility in controlling pro-

Petr P. Snetkov, Kseniia S. Zakharova, Maria I Tyanutova., Svetlana N. Morozkina, Roman O. Olekhnovich, Mayya V. Uspenskaya

THE STUDY OF THE

PHYSICAL PROPERTIES OF

AQUEOUS-ORGANIC

HYALURONAN

ELECTROSPINNING

SOLUTIONS

ITMO University, Kronverkskiy prospekt, 49A, St. Petersburg, 197101, Russia. E-mail: [e-mail]

Hyaluronic acid (HA) is a naturally occurring polymer that is found in variety of tissues and biological fluids. Due to its unique properties such as biodegradabiltty and biocompatibility, HA can be appied in fabrication of nanofibers for tissue engineering and wound heating. Electrospinning as one of the methods of creating such structures allows to obtain fibers and particles with nano- and microscale from polymer solutions utitizing the high voltage power supply. However, the electrospinning process directly depends upon different parameters, including physical characteristics of the polymer solutions. This paper reviews physicalprop-erties of aqueous-organic HA solutions considering their suttabitity for electrospinning.

Keywords: biopolymer, dimethyl sulfoxide, electrospinning, hyaluronic acid, nanofiber, tissue engineering, wound healing.

Дата поступления - 4 июля 2020 года

cess parameters [9]. Required polymer solution is loaded into syringe with metallic needle connected to a high voltage power supply. During the high voltage supply like charges are formed, and as a result of Coulomb electrostatic interactions the polymer solution is drawn in a thin stream. The droplet at the end of the needle creates a continuous, stationary, accelerating and thinning jet in a cone shape, which is called Taylor Cone. As the jet flows to the plate, solvent is evaporated, and a solidified polymer fiber is collected [10, 11]. Despite the seeming simplicity, there are a number of technological parameters and solution characteristics that must be taken into consideration (Table 1) [9, 12-14].

The values of all these parameters must be in a certain range for a stable and successful electrospinning process. Thus, a low viscosity of the solution does not lead to the formation of a stable jet, while high viscosity results in the clogging of the feed systems of the electrospinning device [12]. High surface tension, high electrical conductivity, and low solvent evaporability are the limitations of HA aqueous solutions that make electrospinning difficult to accomplish. To facilitate the nanofibers obtain-ment, organic co-solvents can be utilized. Yang Lui et al.

[15] conducted electrospinning of HA from solution composed of deionized water, dimethyl formamide (DMF) and formic acid. As formic acid was introduced in a solution, it was found to disrupt hydrogen bonds formed by HA with water, thereby changing the conformation of HA and increasing viscosity of the solution. DMF was used to decrease surface tension and electrical conductivity. These parameters together determine the voltage applied to the solution. Respectively, lowering the voltage, the probability of electrical breakdown can be reduced [9].

Table 1. Variable parameters of electrospinning

Solution parameters Technological parameters Environment Parameters

Viscosity Applied voltage Temperature

Concentration Collector type Humidity

Polymer's molecular weight Distance between the collector and the spinneret Air pressure

Electrical conductivity Feeding rate

Surface tension Needle size

Rotation speed of the drum/rod collector

Another method to avoid the restrictions generated by HA is to add second polymer to the solution. Li Junxing et al. [16] successfully prepared solutions of HA and gelatin in water/DMF solvents system. The addition of gelatin allows to decrease in surface tension and electrical conductivity of the solutions and to obtain fibers with larger diameter. Viscosity of the solution was not affected by gelatin thus leading to stable process of electrospinning.

Note, that not only additional biopolymers could be utilized to improving the electrospinning process. Also, the water-soluble modifying polymers named carrying polymers are used [13]. The most usable polymers are polyethylene oxide (PEO) and polyvinyl alcohol (PVA). However, in some cases the quantity of HA is less than the additional polymer content which provides no undertaking therapeutic effects of materials obtained.

It this paper dimethyl sulfoxide (DMSO) was used as co-solvent [17]. DMSO is a polar aprotic solvent that is commonly used in cryobiology as a cryoprotectant. It has less toxic effect than other widely used solvents, such as dimethylacetamide, and DMF [18]. DMSO is well compatible in water. Interestingly, its solutions properties show deviation from theoretical assumption due to formation of 1DMSO-2H2O clusters [19]. Hydrogen bonds formed between water and DMSO are stronger than the ones formed between molecules of water, which explains increasing viscosity of aqueous solution of DMSO. However, in presence of DMSO, water-water bond has greater lifetime than in water alone, supporting the concept that the distortion of water molecules is related to the growth of the local rigidity [19,20]. With this in mind, it can be predicted that conformation of HA in solution with presence of DMSO is affected. This may influence the parameters of the polymer solution.

The physical characteristics of the polymer solution play a significant role in the stability of the electro-spinning process. Knowing the solution parameters indicated in the Table 1, the choice of technical process parameters becomes more evident.

Materials

Hyaluronic acid was obtained from Bloomage Freda Biopharm Co., Ltd (China). Molecular weight 1.29

MDa, glucuronic acid content 45 %, protein content 0.05 %. Dimethyl sulfoxide (DMSO, 99.5% ACS) was purchased from JSC EKOS-1 (Russian Federation). Distilled water was obtained from distillation unit was utilized as solvent. All materials were used without any further purification.

Solutions preparation

The required amount of distilled water was put in the chemical glass, and then hyaluronic acid was added. After the hyaluronic acid was completely dissolved (~1 hour), the required amount of DMSO was added and solution was left on the magnetic stirrer for 24 hours until a homogeneous mixture was obtained. Eight concentrations of HA were selected ranging from 0.25 wt. % to 2.00 wt. % at a pitch of 0.25. Each concentration was prepared in four different binary solvent systems: 100/0, 75/25, 50/50, 25/75 H2O/DMSO (v/v). Solutions with 1.75 wt. % and 2.00 wt. % HA in system 25/75 had failed to be prepared because of the HA partial solubility even after 24 hours of stirring.

Experimental methods

For studying density of HA solutions Mettler Toledo Densito 30PX (USA) density meter was used. The samples were put to analysis through the external syringe to prevent air bubbles forming in the solution. Surface tension was studied using pendant drop tensiometry with drop shape analyzer DSA 100 by KRUSS (Germany). Electrical conductivity of solutions was measured by InoLab Cond 720 (USA). Dynamic viscosity was determined by Anton Paar Physica MCR-502 rheometer (Austria) in two modes: changing shear rate with constant temperature and changing temperature with constant shear rate.

Results and discussion

Density measurements are necessary for subsequent surface tension analysis. Utilized density meter based on the method of determination of the oscillation frequency of the tube with the sample. For this reason, the results drastically depend on the quality of the solutions prepared and could be impaired by air bubbles. Thus, the solutions prepared could not be measured straight after their mixing.

The results of density measurements at 25.0 ± 1.0 °C are demonstrated in Fig. 1. It is obvious, that density has moderate increase with increase of polymer concentration and the DMSO content. Note that the density of distilled water at 25.0 °C is equal to 0.9970 g/cm3, and the DMSO density at the same temperature is equal to 1.1010 g/cm3 [21].

In general, the characteristic curve the dependence obtained has a linear character is corresponded to previous studies [22,23]. Note that in the mentioned papers organic solvent was not utilized.

Surface tension plays an important role in the electrospinning process. Initially, after supplementation of the high electric voltage, an electrical like charges are prompted on the surface of the drop of the polymer solution. This charge leads to the overcome of the surface tension forces and the alteration of drop shape from spherical to conical. After the excess of the electric field degree over the specified critical value, the electrostatic forces surpass the polymer solution surface tension and the dispersal of polymer solution is started [24].

Fig. 1. Dependence of the density from hyaluronan concentration and H2O:DMSO volume ratio at 25.0 ± 1.0 °C

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1.75 2,00 Hyaluronan concentration, % (w/w) , 3. Dependence of the electrical conductivity from hyaluronan concentration and H2O:DMSO volume ratio at 25.0 ± 1.0 °C.

Unfortunately, the vast majority of scientific studies in the area of hyaluronic acid electrospun nanofibers did not focus on the physical characteristics of the solutions. The authors, in general, established the fiber obtaining and their characterization as the main goal, but missed the fact that the physical properties could influence the nanofiber properties.

Fig. 2 shows the dependence of the surface tension from hyaluronan concentration and H2O:DMSO volume ratio at 25.0 ± 1.0 °C. The decrease in the surface tension is observable with an increase of both polymer concentration and DMSO content. Note, that our results are correlated to [25]. Rapid changes in the surface tension are not identified because of shorting of the concentration in which the entanglement process of polymer chains is started.

Hyaluronan concentration, % (w/w) Fig. 2. Dependence of the surface tension from hyaluronan concentration and H2O:DMSO volume ratio at 25.0 ± 1.0 °C.

Electrical conductivity is also a key parameter of the polymer solution for electrospinning. HA as a natural polysaccharide and polyelectrolyte could be named as electro-active polymer [26]. Water solutions based on it show high level of electrical conductivity that could hinder the electrospinning process, as was mentioned above. It is known that the solutions of charged polymers could possess the electrolytic conductivity [27].

The relationship between the electrical conductivity of solution and hyaluronan concentration and H2O:DMSO volume ratio at 25.0 ± 1.0 °C is demonstrated in Fig. 3.

Obviously, that addition of polymer leads to increasing of ions content and to increase of conductivity, consequently. By contrast, increase in content of DMSO which has even lower electrical conductivity than distilled water (2E-9 S/m) [28] in binary system results in decrease of the electrical conductivity of solution.

On the one hand, the polymer solutions must have a certain value of electrical conductivity to allow the charge transfer from the spinneret. On the other hand, high level of electrical conductivity combined with low evaporability of water-based solutions could result in creation of electrical breakdown between the electrodes using the wet fiber as a conductor. For this reason, the knowledge of such parameter is necessary for subsequent elaboration of nanofibrous materials for tissue engineering and wound healing.

Dynamic viscosity of the polymer solution is a technological parameter, which could demonstrate the possibility of solution utilizing in view of thin transporting systems and needles. It is known that hyaluronic acid could form the tertiary helicoid structure [29-33]. Moreover, in HA aqueous solutions with concentration from 1.0 wt. % the polymer chains start to entangle each other leading to rapid increasing of the viscosity [3]. Note, that high level of solution viscosity hinders the transportability of solution which results in impossibility of electrospinning process.

It is known that dynamic viscosity of HA solutions depends on shear rate and is in accordance with nonlinear law. It is typical behavior of non-Newtonian solutions [34]. As shown in Fig. 4 the dynamic viscosity of HA solution with concentration 0.25 wt.% at 25 °C has the increasing tendency while DMSO content rises, however with rising of shear rate this difference is smoothed. The viscosity curves with higher HA concentrations and temperatures have similar character.

Fig. 4. Dependence of the dynamic viscosity of HA solutions (0.25 wt.%) from shear rate and H2O:DMSO volume ratio.

Temperature dependence of dynamic viscosity has inverse relationship from shear rate (see Fig. 5). Note, that solutions with higher HA concentration demonstrate the same behavior.

Q-£

E

л

с >.

О

1000 800

600400-

200-

-H?0:DMS0 (100:0)

-H?0:DMS0 (75:25)

-HjO:DMSO (50:50)

-H.O DMSO (25:75)

10 15 20 25 30 35 40 Temperature, °C

45 50

55

Fig. 5.

Dependence of the dynamic viscosity of HA solutions (0.25 wt.%) from temperature.

The increase in dynamic viscosity with an increase in the proportion of organic solvent can be explained in several ways. HA forms hydrogen bonds, such as intramolecular, intermolecular and with water acting as linkage. After DMSO addition the forming of stronger hydrogen bonds is happen [20,35,36].

This fact leads, in general, to an increase in the rigidity of the system and an increase in dynamic viscosity. Interestingly, viscosity of solutions with equal volumes of water and DMSO is much higher than viscosity of other systems containing organic solvent. This can be explained by the fact that during mixing DMSO and water the summary volume of system decreases, which results in increase of polymer concentration [20].

Conclusion

This paper demonstrates the results of a study of the physical properties of hyaluronic acid solutions designed to obtain nano- and microfibers via electrospinning. Note, that the presence of residual quantity of DMSO in resulting fibrous materials could attach healing properties to the obtained materials.

It is shown, that with increase of the DMSO content in binary solution, an increase of density and dynamic viscosity is happen. Meanwhile, surface tension and electrical conductivity decrease with raise the DMSO volume fraction.

The data obtained can be used by researchers in the process of formulating biopolymer solutions for obtaining of fibers and materials based on it for the development of modern scaffolds and wound dressings based not only on hyaluronic acid, but also on other polysaccharides.

Заключение

Статья отражает результаты исследования физических характеристик растворов гиалуроновой кислоты, предназначенных для получения нано- и микроволокон с помощью метода электроспиннинга. Отметим, что присутствие остаточного количества ДМСО в полученных волокнистых материалах может придавать им дополнительные противовоспалительные и анальгезирующие свойства.

Показано, что с увеличением содержания ДМСО в бинарном растворе происходит увеличение плотности и динамической вязкости. Между тем, поверхностное натяжение и электропроводность уменьшаются с увеличением объемной доли ДМСО.

Полученные данные могут быть использованы исследователями в процессе составления биополимерных растворов для получения волокон и материалов на их основе для разработки современных клеточных каркасов и раневых покрытий не только на основе ги-алуроновой кислоты, но и других полисахаридов.

Acknowledgment

This work was financially supported by Government of Russian Federation (Grant 08-08) and by RFBR (project number19-33-90098).

References

1. Meyer K, Palmer J. The polysaccharide of the vitreous humor // Journal of Biological Chemistry. 1934. Vol. 107. P. 629-634.

2. Radaeva I.F., Kostina G.A., Zmievski A.V. Hyaluronic acid: biological role, structure, synthesis, isolation, purification, and application (in Russian) // Applied Biochemistry and Microbiology (Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya). 1997. Vol. 33. Iss. 2. P. 133-137. PMID: 9157413

3. Selyanin M.A., Khabarov V.N. andBoykovP.Y. Hyaluronic acid: production, properties, application in biology and medicine / Edited by F. Polyak. - UK: John Wiley & Sons, Ltd. 2015. P. 215. DOI: 10.1002/9781118695920

4. Balazs E.A. and Denlinger J.L. Viscosupple-mentation: a new concept in the treatment of osteoarthri-tis // The Journal of Rheumatology. 1993. Vol. 39. P. 3-9. PMID: 8410881

5. Fan Z, Li J., Liu J,, Jiao H. and Liu B. AntiInflammation and Joint Lubrication Dual Effects of a Novel Hyaluronic Acid/Curcumin Nanomicelle Improve the Efficacy of Rheumatoid Arthritis Therapy // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. Vol. 10. Iss. 28. P. 23595-23604. DOI: 10.1021/acsami.8b06236

6. Moustafa M.A, Elnaggar Y.S.R, El-Refaie W.M. and Abdallah O.Y. Hyalugel-integrated liposomes as a novel ocular nanosized delivery system of fluconazole with promising prolonged effect // International Journal of Pharmaceutics. 2017. Vol. 534. Iss. 1-2. P. 14-24. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2017.10.007

7. Casale M, Moffa A., Vella P., Sabatino L, Cap-uano F., Salvinelli B, Lopez M.A., Carina F. and Salvinelli F Hyaluronic acid: Perspectives in dentistry. A systematic

review // International journal of immunopathology and pharmacology. 2016. Vol. 29. Iss. 4. P. 572-582. DOI: 10.1177/0394632016652906

8. Kawada C, Yoshida T, Yoshida H, Matsuoka R, Sakamoto W, Odanaka W, Sato T, Yamasaki T, Kanemitsu T, Masuda Y. and Urushibata O. Ingested hya-luronan moisturizes dry skin // Nutrition journal. 2014. Vol. 13. Iss. 70. P. 1-9. DOI: 10.1186/1475-2891-13-70

9. Matveev A.T. and Afanasov I.M. Poluchenie nanovolokon metodom elektroformovaniya: Uchebnoe posobie dlya studentov po spetsialnosti «Kompozitsionnye nanomaterialy» [Obtaining nanofibers by electroforming: a textbook for students on the specialty "Composite nano-

materials"]. Moscow: Moscow State University. 2010. 83 p.

10. Young D.C. Hyaluronic acid-based nanofibers via electrospinning (Unpublished Master's thesis) // North Carolina State University. USA. 2006.

11. Brenner E.K. Investigation into the Electro-spinning of Hyaluronic Acid (Unpublished Master's thesis) // Drexel University. USA. 2009.

12. Electrospinning. Principles, Practice and Possibilities / Edited by Geoffrey R. Mitchell, Royal Society of Chemistry, UK, 2015.

13. Snetkov P, Morozkina S, Uspenskaya M. and O/ekhnovich R. Hyaluronan-Based Nanofibers: Fabrication, Characterization and Application // Polymers. 2019. Vol. 11. Iss. 12. P. 2036. DOI: 10.3390/polym11122036

14. LiZ. and Wang C. Effects of Working Parameters on Electrospinning // In One-Dimensional nanostruc-tures, SpringerBriefs in Materials, Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, pp. 15-28, 2013.

15. Liu Y, Ma G, Fang D, Xu J, Zhang H. and Nie J. Effects of solution properties and electric field on the electrospinning of hyaluronic acid // Carbohydrate Polymers. 2011. Vol. 83. Iss. 2. P. 1011-1015. DOI: 10.1016/j.carbpol.2010.08.061

16. Li J,, He A., Han C.C, Fang D, Hsiao B.S. and Chu B. Electrospinning of Hyaluronic Acid (HA) and HA/Gelatin Blends // Macromolecular Rapid Communications. 2006. Vol. 27. Iss. 2. P. 114-120. DOI: 10.1002/marc.200500726

17. Snetkov P.P., Uspenskaia T.E, Uspenskaya M. V. and Rzametov K.S. Effect of technological parameters on electrospinnability of water-organic solutions of hyaluronic acid // Proc. Int. Multidiscip. Sci. Geoconf. SGEM, Albena, Bulgaria, 30 June - 6 July 2019. Vol. 19. Iss. 6.1. P. 175-182. DOI: 10.5593/sgem2019/6.1/S24.023.

18. Galvao J,, Davis B, Tilley M, Normando E, Duchen M.R. and Cordeiro M.F. Unexpected low-dose toxicity of the universal solvent DMSO // FASEB Journal. 2014. Vol. 28. Iss. 3. P. 1317-1330. DOI: 10.1096/fj.13-235440

19. Nieto-Draghi C, Rousseau B. and Ava/os J. Transport properties of dimethyl sulfoxide aqueous solutions // The Journal of Chemical Physics. 2003. Vol. 119. Iss. 9. P. 4782. DOI: 10.1063/1.1595637

20. Cowie J.M.G. and Toporowski P.M. Association in the binary liquid system dimethyl sulphoxide - water // Canadian Journal of Chemistry. 1961. Vol. 39. Iss. 11. P. 2240-2243. DOI: 10.1139/v61-296

21. Haynes W.M, Lide D.R. and Bruno T.J. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95th ed., Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2014.

22. KargerováA. and PekarM. Densitometry and ultrasound velocimetry of hyaluronan solutions in water and in sodium chloride solution // Carbohydrate Polymers. 2014. Vol. 106. P. 453-459. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.01.020

23. Garda-Abuín A., Gómez-Díaz D, Navaza J.M., Regueiro L and Vidal-Tato I. Viscosimetric behaviour of hyaluronic acid in different aqueous solutions // Carbohydrate Polymers. 2011. Vol. 85. Iss. 3. P. 500-505. DOI: 10.1016/j.carbpol.2011.02.028

24. Garg K. and Bowiin G.L. Electrospinning jets and nanofibrous structures // Biomicrofluidics. 2011. Vol. 5. Iss. 1. P. 13403. DOI: 10.1063/1.3567097

25. Ribeiro W, Mata J.L. and Saramago B. Effect of Concentration and Temperature on Surface Tension of Sodium Hyaluronate Saline Solutions // Langmuir. 2007. Vol. 23. Iss. 13. P. 7014-7017. DOI: 10.1021/la700269k

26. Finkenstadt V.L. Natural polysaccharides as electroactive polymers // Applied Microbiology and Biotechnology. 2005. Vol. 67. Iss. 6. P. 735-745. DOI: 10.1007/s00253-005-1931-4

27. Habibi Y. andLucia L. Polysaccharide Building Blocks: A Sustainable Approach to the Development of Renewable Biomaterials, NYC: John Wiley & Sons, 2012.

28. Smallwood I.M. Handbook of organic solvent properties / Imprint, London: Arnold, New York: Halsted Press, 1996.

29. Scott J.E. and Heatley F. Hyaluronan forms specific stable tertiary structures in aqueous solution: A 13C NMR study // P. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. Vol 96. Iss. 9. P. 4850-4855. DOI: 10.1073/pnas.96.9.4850

30. Almond A., Brass A. and Sheehan J.K. Deducing polymeric structure from aqueous molecular dynamic simulations of oligosaccharides: prediction from simulation of hyaluronan tetrasaccharides compared with hydrody-namic and X-ray fiber diffraction date // Journal of Molecular Biology. 1998. Vol. 284. Iss. 5. P. 1425-1437. DOI: 10.1006/jmbi.1998.2245

31. Dea I.C. and Moorhouse M.R. Hyaluronic acid: a novel, double helical molecule // Science. 1973. Vol. 179. Iss. 4073. P. 560-562. DOI: 10.1126/science.179.4073.560

32. Atkins E.D. and Sheehan J.K. Hyaluronates: Relation between molecular conformations // Science. 1973. Vol. 179. Iss. 4073. P. 562-564. DOI: 10.1126/science.179.4073.562

33. Scott J.E, Cummings C, Brass A. and Chen Y. Secondary and tertiary structures of hyaluronan in aqueous solution, investigated by rotary shadowing-electron microscopy and computer simulation. Hyaluronan is a very efficient network-forming polymer // Biochemical Journal. 1991. Vol. 274. Iss. 3. P. 699-705. DOI: 10.1042/bj2740699

34. Pisárcik M, Bakos D. and Ceppan M. Non-Newtonian properties of hyaluronic acid aqueous solution // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1995. Vol. 97. Iss. 3. P. 197-202. DOI: 10.1016/0927-7757(95)03097-W

35. Idrissi A, Marekha B.A, Barj M, Miannay F.A, Takamuku T, Raptis V. and Jedlovszky P. Local structure of dilute aqueous DMSO solutions, as seen from molecular dynamics simulations // The Journal of Chemical Physics. 2017. Vol. 146. Iss. 23. P. 234507. DOI: 10.1063/1.4985630

36. Wong D.B., Sokolowsky K.P., El-Barghouthi M.I, Fenn E.E., Giammanco C.H, Sturlaugson A.L. and Fayer M.D. Water Dynamics in Water/DMSO Binary Mix-

tures // The Journal of Physical Chemistry B. 2012. Vol. 116. Iss. 18, P. 5479-5490. DOI: 10.1021/jp301967e

Сведения об авторах

Snetkov Petr Petrovich, PhD Student, [e-mail]; Снетков Петр Петрович, аспирант

Zakharova Kseniia Sergeevna, Graduate student, [e-mail]; Захарова Ксения Сергеевна, магистрант Tyanutova Maria Ivanovna, PhD Student, [e-mail]; Тянутова Мария Ивановна, аспирант Morozkina Svetlana Nikolaevna, PhD (Chem.), Associate professor, Lecturer, [e-mail]; Морозкина Светлана Николаевна, канд. хим. наук, доцент преподаватель

Oiekhnovich Roman Olegovich, PhD (Eng.), [e-mail]; Олехнович Роман Олегович, канд. техн. наук, доцент Uspenskaya Mayya Valerievna, D.Sci. (Eng.), Professor, [e-mail]; Успенская Майя Валерьевна, д-р техн. наук, профессор