Регулирование реологических свойств водных растворов некоторых полисахаридов как основа направленного формирования физико-механических свойств получаемых из растворов материалов

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируется цель и
задачи работы, определяется ее научная новизна и практическая значимость.
В литературном обзоре (глава 1) обобщены имеющиеся данные о материалах
биомедицинского назначения и их основных свойствах, о полисахаридах как наиболее
перспективных для создания таких материалов полимерах и о реологическом способе изучения
их структурно-механических свойств.
Во второй главе (экспериментальная часть) представлены объекты и методики,
проведения исследований. В качестве объектов исследования использовали хитoзан (ХТЗ) сo
степенью деацетилирoвания 82% и c Мsd =113000 а.е.м. (ХТЗ-1) и Мsd =334000 а.е.м.(ХТЗ-2),
натриевая сoль сукцината хитoзана (СХТЗ) с Мsd =67000 а.е.м. (СХТЗ-1) и Мsd = 195000 (СХТЗ-2)
и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), со степенью замещения γ=80% и М w=250000
а.е.м. В качестве основных методов  вискозиметрический (с использованием вискозиметра
Уббелоде), реологический (с использованием реометра Haake Mars III в режиме сдвигового
деформирования и осцилляционном режиме) и физико-механический (с использованием
универсальной разрывной машине AGS-10 kNG “Trapezium-X” фирмы «Shimadzu»).
Третья глава (обсуждение результатов) содержит результаты исследования и их
обсуждение.
3.1. Физико-химические особенности состояния растворов полисахаридов в
индивидуальном и «смешанном» растворителе
Переработка растворов полимеров является основным способом производства полимерных
материалов на основе полисахаридов. В качестве приема регулирования их свойств может быть
использовано изменение степени структурообразования в растворе, за счет варьирования
концентрации полимера и введения модифицирующих добавок или со-растворителей.
Методом вискозиметрии установлено, что в области разбавленных растворов (до точки
кроссовера С*), макромолекулы всех изучаемых полисахаридов – ХТЗ, СХТЗ и КМЦ в
индивидуальном растворителе не агрегируют друг с другом (показатель степени агрегации 
=1,00) (рисунок 1).
а)б)

Рисунок 1  Зависимость степени агрегации (а) и значения «текущей» характеристической
вязкости (б) от концентрации СХТЗ-1 в индивидуальном (1) и смешанных растворителях вода-
этанол (2, 3) и вода-изопропанол (4) с содержанием со-растворителя 2 (2) и 3 моль/л (3, 4)
При переходе в область полуразбавленных растворов макромолекулы начинают
взаимодействовать между собой и формировать надмолекулярную структуру, что
сопровождается поджатием макромолекулярных клубков (уменьшением значения «текущей»
характеристической вязкости) и увеличением степени агрегации. Аналогичные процессы имеют
место и при добавлении в раствор полимера модифицирующих добавок (со-растворителей). В
этом случае взаимодействие между макромолекулами имеет место даже в разбавленном
растворе. При использовании в качестве добавок многоатомных спиртов (этиленгликоля,
пропиленгликоля и глицерина) степень агрегации макромолекул несколько меньше, но размер
формируемых агрегатов больше, нежели в присутствии одноатомных спиртов (таблицы 1 и 2).
Таблица 1  Характеристики полимеров, определенные для их растворов в смешанном
растворителе
ПолимерСо-растворитель Концентрация со-[]*, дл/г
растворителя,
моль/л
ХТЗ-1изопропанол07,800,231,000,03
1,07,420,221,120,03
3,07,300,211,170,04
этанол1,07,480,221,100,03
3,07,360,221,150,03
пропилен-1,07,700,231,030,03
гликоль3,07,720,231,050,03
этиленгликоль1,07,770,231,030,03
3,07,750,231,040,03
глицерин1,07,800,231,010,03
3,07,780,231,020,03
СХТЗ-1изопропанол03,200,091,000,03
1,02,850,091,180,04
3,02,300,071,270,04
этанол1,02,920,091,170,04
3,02,400,071,250,04
пропилен-1,03,190,091,020,03
гликоль3,03,170,091,040,03
этиленгликоль1,03,200,091,010,03
3,03,180,091,020,03
глицерин1,03,200,091,020,03
3,03,200,091,020,03
Очевидно, это связано с различным влиянием используемых добавок на полимеры.
Например, этанол не растворяет ни один из изучаемых полисахаридов. При этом, его введение в
раствор полимера в количестве порядка 50% от количества растворителя приводит к фазовому
выделению полимеров из растворов. Аналогичным образом ведет себя и изопропанол. При
использовании в качестве со-растворителя многоатомного спирта глицерина (а также
этиленгликоля или пропиленгликоля) складывается несколько иная ситуация. Многоатомные
спирты не способны растворить полимер, в то же время не способны индуцировать процесс
разделения фаз даже при многократном превышении количества со-растворителя над
количеством растворителя. Таким образом, многоатомные спирты действительно играют роль
со-растворителей, а одноатомные  осадителей. Учитывая, что степень агрегации полимеров в
растворе в присутствие многоатомных спиртов меньше, чем в присутствии спиртов
одноатомных, а размер  больше, остается предположить, что в состав агрегатов полисахаридов
при использовании в качестве со-растворителей многоатомных спиртов входят молекулы
растворителя, т.е. агрегаты носят межмолекулярный характер вследствие способности
многоатомных спиртов к «сшиванию» макроцепей.
Таблица 2  Диаметр (нм) агрегатов в растворах ХТЗ и СХТЗ в присутствии
модифицирующих добавок
ПолимерКонцентрацияКонцентрация со-D, нм вD, нм в
полимера, г/дл растворителя, моль/лприсутствииприсутствии
этанолаглицерина
ХТЗ-10,10142±7142±7
1,0177±9250±13
3,0193±10327±16
0,50163±8163±8
1,0190±10271±14
3,0228±18358±18
1,00178±9178±9
1,0209±10328±16
3,0327±16445±22
СХТЗ-10,10164±8164±8
1,0177±9197±10
3,0181±9266±13
0,50194±10194±10
1,0220±11250±13
3,0250±13342±17
1,00221±11221±11
1,0236±12387±19
3,0276±14528±26
3.2. Изучение физико-химических особенностей поведения растворов полисахаридов в
полуразбавленном растворе в режиме сдвигового деформирования
Реологическое исследование растворов полисахаридов – СХТЗ, ХТЗ и КМЦ в сдвиговом
режиме показало, что в том случае, когда концентрация полимера в растворе не велика (порядка
2С*), растворы ведут себя как классические ньютоновские жидкости, т.е. их вязкость является
постоянной величиной и не зависит от скорости сдвига, а напряжение линейно возрастает с
ростом скорости сдвига. Повышение концентрации полимеров в растворе однозначно
сопровождается увеличением вязкости и изменением характера зависимостей кривых вязкости и
текучести – они начинают вести себя как типичные псевдопластичные жидкости (рисунок 2).

Рисунок 2  Зависимость вязкости (а) и напряжения (б) от скорости сдвига в
полулогарифмических координатах для растворов СХТЗ -1 с концентрацией 0,5 (1), 1,0 (2), 5,0
(3) и 10 г/дл (4)
Построение зависимости динамической вязкости от концентрации полимера в растворе
позволяет четко определить концентрацию Се (по интенсивному приросту вязкости), начиная с
которой в растворе начинает формироваться так называемая сетка зацеплений (рисунок 3.а).
а)б)

Рисунок 3  Концентрационная зависимость динамической вязкости (при скорости сдвига
0,1 с-1) для растворов СХТЗ-1 (1а), СХТЗ-2 (2 а), ХТЗ-1 (3 а), ХТЗ-2 (4 а) и КМЦ (1 б) в
отсутствие (1, 2-4 а) и в присутствие (2-4 б) со-растворителей этанола (2 б), этиленгликоля (3 б),
пропиленгликоля (4 б) и глицерина (5 б) с концентрацией 3 моль/л
При этом для растворов всех изучаемых полимеров зависимость lg – lgС разбивается на
два участка. На первом участке в области небольших концентраций полимера тангенс угла
наклона (т.е. значение показателя n в степенной зависимости динамической вязкости от
концентрации полимера в растворе Сn) равен 1, а на втором – 5. Концентрация формирования
сетки зацеплений Се во всех случаях не совпадает со значением точки кроссовера, что
характерно для растворов полиэлектролитов. Наличие со-растворителей приводит к смещению
Се в область меньших концентраций (рис.3 б). О протекающих более интенсивно в присутствие
со-растворителя агрегационных процессах свидетельствуют большие значения показателя n в
зависимости Сn и повышение относительной вязкости полимера в растворе (рисунок 4).
а)б)

Рисунок 4  Зависимость относительной вязкости СХТЗ-1 в воде в отсутствие (1) и
присутствии со-растворителя этанола (а) и глицерина (б) с концентрацией 2,0 (2) и 3 моль/л (3)
от концентрации полимера в растворе
Таким образом, наличие в растворе полимера со-растворителей приводит к формированию
дополнительных узлов флуктуационной сетки, которая имеет преимущественно физическую
природу. Об этом свидетельствуют отсутствие изменений в ИК-спектрах, небольшие значения
энергии активации вязкого течения и разрушение сетки зацеплений при больших скоростях
сдвига. Следствием более раннего формирования сетки зацеплений по сравнению с раствором
полимера в индивидуальном растворителе является формирование системы с вязко-упругими
свойствами, исследовать которые необходимо в режиме осцилляции.
3.3. Изучение физико-химического поведения растворов полисахаридов в
полуразбавленном растворе в режиме осцилляции
Реологическое изучение растворов полимеров в режиме осцилляции позволило определить
значения модуля накоплений и потерь по величине которых можно судить о том, какие свойства
(вязкие или упругие) преобладают в растворах полимеров. По мере увеличения содержания
полимера в растворе, при некоторой концентрации Сгел, модуль накоплений во всем изученном
диапазоне частот становится больше модуля потерь и система приобретает свойства геля, т.е.
сохраняет форму и не растекается под действием собственного веса (рисунок 5а).
а)б)

Рисунок 5  Концентрационная зависимость модуля накоплений (1) и потерь (2) при
частоте осцилляции 1 Гц для растворов КМЦ в воде (а) и в присутствие этанола с концентрацией
3 моль/л (б)
При наличии в растворах модифицирующих добавок значения модулей накоплений и
потерь увеличиваются, переход в гелеобразное состояние и формирование сетки зацеплений
происходит при меньших значениях концентраций (рисунок 5.б, таблица 3).
Как видно из данных таблицы 3, флуктуационная сетка с самой большей плотностью
зацеплений формируется в присутствие одноатомных спиртов, а самая прочная (судя по
значениям энергии активации) в присутствие многоатомных спиртов.
Отметим, что вязко-эластичные характеристики изучаемых полимеров максимально
приближены к вязкоупругим свойствам заменителей синовиальной (суставной) жидкости. При
малой частоте, моделирующей ходьбу, преобладает вязкость, что может обеспечить эффективное
смазывание суставных поверхностей. При высоких частотах, моделирующих бег или прыжки,
упругость преобладает над вязкостью, что должно обеспечивать амортизацию и защиту сустава
от повреждения.
Определение времени релаксации из реологических данных показало, что изучаемые
добавки влияют на время релаксации по-разному. При использовании изопропанола и этанола
введение даже небольших количеств модифицирующих добавок приводит к увеличению
времени релаксации макромолекул (рисунок 6). При использовании в качестве добавок
глицерина, этиленгликоля, пропиленгликоля наличие небольших (не более 0,5 моль/л) количеств
сказываются на времени релаксации очень слабо. Только при превышении концентрации данных
со-растворителей выше 1 моль/л имеет место возрастание времени релаксации.
Таблица 3  Характеристики растворов СХТЗ-1 в смешанных растворителях
Изучаемая системаКонцентрацияМе × 103Еакт.,
полимера, г/длкДж/моль К

СХТЗ – вода5,063,56,124,72,0
Се=1,1 г/дл7,026,12,330,53,1
Сгел.=10,0 г/дл10,04,40,538,13,7
СХТЗ – вода – этанол5,039,43,926,82,7
Се=0,75 г/дл7,012,81,234,63,4
Сгел.=5,8 г/дл10,03,90,445,34,2
СХТЗ – вода – изопропанол5,036,43,537,43,8
Се=0,73 г/дл7,010,91,225,62,3
Сгел.=5,5 г/дл10,02,90,344,34,2
СХТЗ – вода -5,048,24,429,42,8
пропиленгликоль7,018,91,738,73,9
Се=0,80 г/дл
Сгел. =6,1 г/дл10,03,50,352,85,1
СХТЗ – вода – этиленгликоль5,047,84,429,02,5
Се=0,80 г/дл7,020,42,039,53,9
Сгел.=6,2 г/дл10,02,90,353,05,2
СХТЗ – вода – глицерин5,050,44,930,73,5
Се=0,88 г/дл7,034,33,140,44,0
Сгел.=6,7 г/дл10,03,90,453,45,2
а)б)

Рисунок 6  Зависимость времени релаксации раствора СХТЗ-1 с концентрацией 3 г/дл (а) и
КМЦ с концентрацией 0,6 г/дл (б) от концентрации этанола (1), изопропанола (2), этиленгликоля
(3) и глицерина (4) в растворе
Особенности структурообразования полисахаридов в присутствии модифицирующих
добавок могут быть учтены в процессе создания материалов на их основе, например, при
получении гелеобразных мягких лекарственных форм.
3.3.1. Возможность использования гелей полисахаридов в качестве основы для
создания мягких лекарственных форм
Исследование структурно-механических свойств гелей СХТЗ как мягких лекарственных
форм, показало, что в присутствии модифицирующих добавок они до определенного предела
ведут себя как упругие тела, но при приложении напряжения большего, чем некоторое
предельное (предел текучести), гель приобретает способность необратимо деформироваться
(течь) (рисунок 7, таблица 4). Наличие предела текучести обеспечивает физическую возможность
локализации мягкой лекарственной формы в очаге воспаления. Из данных, приведенных в
таблице 4, видно, что в диапазоне концентраций полимера в растворе 7-10 г/дл использование
многоатомных спиртов с концентрацией 1,5-4 моль/л позволяет получать системы c прочной
сеткой зацеплений, пригодные для использования в качестве полимерной основы для мягких
лекарственных форм, обладающих реологическими характеристиками, соответствующими
оптимуму консистенции гидрофильных мазей в диапазоне температур от 20-40С, т.е. в
условиях, отражающих хранение и непосредственное применение мягких лекарственных форм.

Рисунок 7  Зависимость комплексной вязкости (а) и напряжения (б) от частоты осцилляции в
полулогарифмических координатах для растворов СХТЗ-1 с концентрацией 7,0 (1, 2) и 10,0 г/дл
(3), содержащих глицерин (1, 3) и этанол (2) в концентрации 1,5 (1, 3) и 4 (2) моль/л
Таблица 4  Значение предела текучести растворов СХТЗ-1 в присутствии спиртов
КонцентрацияСо-Концентрацияпредел текучести, Па
полимера врастворитель со-растворителя,при температуре
растворе, г/длмоль/л20С30С40С
7,0—–
этанол1,5—
3,0—
4,06,400,324,840,24-
этиленгликоль1,5—
3,0—
4,07,330,365,580,28-
глицерин1,55,250,264,050,203,120,15
3,015,360,7713,430,6710,240,52
4,018,020,9015,260,7711,94059
10,0—–
этанол1,5—
3,05,840,29–
4,08,290,414,890,24-
этиленгликоль1,59,270,464,650,23-
3,010,340,527,130,35-
4,012,470,628,930,425,150,26
глицерин1,560,583,0356,942,8550,322,51
3,074,663,7362,573,1258,872,95
4,0120,156, 00113,655,68 98,434,92
Еще одним требованием к мягким лекарственным формам является обязательное
проявление ими тиксотропных свойств, т.е. способности к обратимому восстановлению
вязкости.
3.4. Изучение тиксотропных свойств растворов полисахаридов в индивидуальных
растворителях
Для того, чтобы убедиться, что изучаемые полимеры обладают тиксотропными свойствами,
необходимо снять гистерезисную кривую, площадь которой является количественной мерой
степени структурированности системы.
В ходе изучения растворов полисахаридов было показано, что зависимость площади петли
гистерезиса от концентрации полимеров в растворе во всех случаях имеет однотипный вид —
начиная с концентрации, соответствующей концентрации начала формирования сетки
зацеплений Се, начинается интенсивный рост площади петли гистерезиса, а при некотором
значении концентрации, близкой к значению Сгел., площадь петли гистерезиса начинает
проявлять тенденцию к уменьшению (рисунок 8 а).
Площадь петли гистерезиса зависит не только от концентрации полимеров в растворе, но и
от времени воздействия сдвиговой деформации (рисунок 8 б). Значение времени воздействия на
систему сдвиговой деформации, при которой наблюдалось максимальное значение площади
петли гистерезиса, например, для раствора КМЦ в воде с концентрацией 3 г/дл, численно
совпадает со значением времени релаксации этого полимера.
а)б)

Рисунок 8  Зависимость площади петли гистерезиса от (а) концентрации КМЦ (1), ХТЗ-1
(2), ХТЗ-2 (3) и СХТЗ-1 (4) в растворе при времени нахождения системы при фиксированной
скорости сдвига -0,2 сек и (б) от времени нахождения системы при фиксированной скорости
сдвига в системе КМЦ-вода, с содержанием полимера 3 г/дл
Таким образом, со структурно-физической точки зрения, растворы одних и тех же
полимеров различной концентрации не равнозначны. Это позволяет предположить, что
материалы, полученные на их основе, например, пленочные, будут также характеризоваться
некоторыми отличиями, поскольку известно, что надмолекулярная структура полимера в
растворе оказывает влияние на свойства материалов, получаемых из этих растворов.
3.4.1. Влияние условий формирования пленочных композиций на некоторые свойства
материалов на их основе
Можно предположить, что если надмолекулярное состояние полимеров в исходном
растворе различно, то различно будет и надмолекулярное состояние сформированных из
раствора полимерных пленок. Например, в работе установлено, что пленки, полученные из
исходных растворов различной концентрации, различаются значениями температуры плавления
кристаллической фазы (по данным ДСК) и температуры стеклования аморфной фазы (рисунок 9
а), а также физико-механическими свойствами (таблица 5, рисунок 10).
Для всех исследуемых полимеров наблюдается одинаково сложный характер изменения
физико-механических характеристик, при изменении концентрации полимера в растворе:
повышение содержание полимера в растворе до 2,0-4,0 г/дл сопровождается увеличением
значений разрывного напряжения. Значения разрывного удлинения при этом практически не
изменяются. Дальнейшее увеличение концентрации полимера не только приводит к
существенному уменьшению значений разрывного удлинения, но и сопровождается
уменьшением значений разрывного напряжения. Максимальные значения модуля упругости и
разрывного напряжения достигаются в области концентраций, соответствующих максимальной
площади петли гистерезиса.
а)б)

Рисунок 9  ДСК-кривые пленок СХТЗ-1, полученные из растворов с концентрацией 2, 3, 5, 6 и 7
г/дл (сверху вниз)  (а) и пленок СХТЗ-1, полученных из растворов с концентрации 6 г/дл и
содержащих глицерин в концентрации 0,05 и 0,15моль/л (сверху вниз)  (б)

Таблица 5  Значение модулей упругости пленочных образцов СХТЗ-1
Толщина пленки Концентрация полимера вЕ1*, ГПа Е2**, ГПаЕ3***, ГПа
L, ммисходном растворе, г/дл
0,021,0—
0,051,0—
0,101,01,852,052,30
0,201,02,422,752,35
0,103,02,563,082,48
0,105,03,052,872,20
0,107,02,642,001,84
*
модуль упругости Е определен на разрывной машине;
**
модуль упругости Е определен по данным ДМА;
***
модуль упругости Е определен методом индентирования.
а)б)

Рисунок 10  Зависимость (а) модуля упругости пленок СХТЗ-1 (1), КМЦ (2) и ХТЗ-1 (3) и
(б) разрывного напряжения и разрывного удлинения для пленок КМЦ, от концентрации
полимера в исходном растворе
Таким образом, значения температур релаксационных переходов, а следовательно, гибкость
макромолекул, модуль упругости и разрывное напряжение достигают максимальных значений
для пленочных полимерных материалов на основе изучаемых полисахаридов, полученных из
растворов исходных концентраций, при которых полимеры формируют наиболее плотную сетку
зацеплений, но еще не становятся упруго-вязкими телами, т.е. соответствующие концентрациям,
характеризующихся максимальным значением площади петли гистерезиса. Можно
предположить, что использование со-растворителей, представляющих собой одно, двух и
трехатомные спирты, которые в растворе оказывают влияние и на сетку зацеплений, и на время
релаксации, и на другие характеристики, проявят свое влияние и для случая пленочных
полимерных материалов на основе изучаемых полисахаридов, полученных из растворов.
3.4.2. Влияние условий формирования пленочных композиций в присутствии со-
растворителей на некоторые свойства материалов на их основе
На рисунке 11 представлены зависимости напряжение-деформация для пленок ХТЗ-1 и
СХТЗ-1, сформированных из раствора с концентрацией 1,0 г/дл в отсутствие и присутствии со-
растворителей. Сравнение кривых позволяет констатировать, что пленки, полученные из
раствора, содержащего в качестве добавки этанол, характеризуются большим значением
разрывного напряжения и несколько меньшими значениями разрывного удлинения, нежели
пленки, сформированные в отсутствие добавки.
В тоже время, при использовании в качестве добавки двух и трехатомных спиртов,
ситуация прямо противоположная. Наличие этиленгликоля, пропиленгликоля и глицерина в
исходном растворе приводит к формированию пленок, характеризующихся меньшими
значениями разрывного напряжения и, существенно большими значениями разрывного
удлинения, по сравнению с пленками, полученными из индивидуального растворителя.
Подобного рода закономерности наблюдались для всех изучаемых полимеров.
а)б)

Рисунок 11  Кривая напряжение-деформация для пленок ХТЗ-1 (а) и СХТЗ-1 (б) толщиной
0.1 мм, полученных из растворов концентрации 1 г/дл, не содержащих (1) и содержащих
этилегликоль (2,4) и пропиленгликоль (3,5) в концентрации 0,05 (2), 0,10 (3), 0,15 (4), 0,2 моль/л
(5)  для рисунка (а) и содержащих этанол(2-4) в концентрации 1 (2), 3 (3) и 5 моль/л (4)  для
рисунка (б)
Влияние добавок принципиально отличается друг от друга, очевидно, вследствие их
различного поведения в процессе формирования пленочных материалов. Действительно, пленка,
получаемая из раствора, содержащего этанол, формируется быстрее, чем пленка из водного
раствора (в течении двух суток, не более). Пленки из растворов, содержащих в качестве со-
растворителей глицерин, этиленгликоль и пропиленгликоль, формируются медленно (порядка 10
дней). Более того, при длительном выдерживании в процессе получения пленки контакты
полисахарид-вода замещаются на контакты полисахарид-многоатомный спирт, вода из раствора
испаряется, а со-растворитель остается и начинает играть роль пластификатора. О том, что
многоатомные спирты играют роль пластификаторов свидетельствуют данные ДСК,
представленные на рисунке 9 б. При этом, время релаксации принципиального изменения не
претерпевает (таблица 6).

Таблица 6  Значения времени релаксации раствора КМЦ, полученные в ходе
формирования пленочного покрытия
Со-растворитель сКонцентрация КМЦ вВремя релаксации,
концентрацией 3процессе формированияс
моль/лпленки, г/дл
-0,60,02
1,30,06
3,30,22
5,411,4
6,0159
этанол0,60,05
1,50,09
3,00,23
5,813,3
6,3199
глицерин0,60,03
0,90,12
1,40,38
2,70,70
3,60,72
Следовательно, материал, полученный в присутствии одноатомных спиртов, представляет
собой твердый пленочный материал, сформированный из раствора с повышенной степенью
структурированности, с большим (нежели без добавки) временем релаксации. В присутствие
многоатомных спиртов, получаемые материалы представляют собой, с реологической точки
зрения, не твердый материал, а концентрированный раствор, гель, еще сохраняющий
значительную подвижность звеньев макромолекул.
Обобщающие зависимости значений разрывного удлинения и разрывного напряжения от
концентрации добавки в исходном растворе для пленок СХТЗ-1 представлены на рисунке 12.
а)б)

Рисунок 12  Зависимость разрывного напряжения и разрывного удлинения пленки СХТЗ-1,
полученной из раствора с концентрацией 3 г/дл от (а) содержания этанола (1) и изопропанола (2)
и (б)  глицерина (1) и пропиленгликоля (2) в исходном растворе

Можно отметить, что для всех трех изученных полимеров, введение этанола и
изопропанола в исходный раствор в концентрации до 3 моль/л сопровождается ростом значений
разрывного напряжения (и модуля упругости) и практически не сказывается на значениях
разрывного удлинения. Более того, пленки, сформированные с различным содержанием
осадителя (этанола), по данным атомно-силовой микроскопии характеризуются различной
надмолекулярной структурой и различной топологией поверхности (таблица 7, рисунок 13).

Таблица 7  Некоторые характеристики топографии поверхности пленочных образцов ХТЗ-
1 толщиной 0,1 мм, полученных из исходных растворов с концентрацией 1г/дл
Концентрация Среднеквадра-Е1*, ГПаЕ2**, ГПаЕ3***, ГПа
этанола втичная
исходномшероховатость,
растворе,нм
моль/л
010,893,030,243,180,253,480,28
1,013,533,420,273,540,283,690,29
3,045,433,710,293,750,303,870,31
5,040,282,860,233,100,253,240,26
*
модуль упругости Е определен на разрывной машине;
**
модуль упругости Е определен по данным ДМА;
***
модуль упругости Е определен методом индентирования.
а)

б)

в)

Рисунок 13  АСМ изображения поверхностей пленок ХТЗ-1, сформированных из раствора
полимера с концентрацией полимера 1 г/дл и содержащих 1 (а), 3 (б) и 5 моль/л этанола в
исходном растворе
При этом можно отметить, что исходная пленка ХТЗ характеризуется зернистой
структурой, состоящей из мелких зерен надмолекулярных структурных образований размером
около 10 нанометров. По мере добавления в исходный раствор осадителя, в получаемых пленках
изменяются структурные элементы поверхности, шероховатость пленки растет вместе с ростом
размеров надмолекулярных образований. Пленка, полученная из раствора с концентрацией
этанола в исходном растворе 5 моль/л характеризуется самыми крупными надмолекулярными
образованиями, но общая шероховатость поверхности несколько уменьшается.
Введение многоатомных спиртов приводит к однозначному увеличению разрывного
удлинения и уменьшению разрывного напряжения. Некоторые физико-механические
характеристики пленочных материалов, полученных из водных растворов полисахаридов,
приведены в таблице 8.
Таблица 8  Некоторые физико-механические характеристики пленочных материалов,
полученных из водных растворов полисахаридов
Полученный материалРазрывноеРазрывноеЕ, ГПа
напряжение, удлинение,
МПа%
Пленка СХТЗ-1, полученная из раствора 24,321,9423,151,83 1,850,15
с концентрацией 1 г/дл
Пленка СХТЗ-1, полученная из раствора 40,263,2121,251,70 3,270,26
с концентрацией 1 г/дл, содержащая
этанол с концентрацией 3 моль/л
Пленка СХТЗ-1, полученная из раствора35,72,8520,841,62 2,570,21
с концентрацией 3 г/дл
Пленка СХТЗ-1, полученная из раствора5,380,43120,659,62 2,450,19
с концентрацией 3 г/дл, содержащая
глицерин с концентрацией 0,02 моль/л
Пленка КМЦ , полученнаяиз раствора с38,783,167,530,62 3,180,30
концентрацией 1 г/дл
Пленка КМЦ, полученная из раствора с80,367,417,140,57 3,790,32
концентрацией 3 г/дл
Пленка ХТЗ-1, полученная из раствора с 75,877,636,060,48 2,89023
концентрацией 1 г/дл
Пленка ХТЗ-1, полученная из раствора с 95,477,633,570,28 3,560,28
концентрацией 1 г/дл, содержащая
этанол с концентрацией 3 моль/л
Заключение
Таким образом, проведенный поиск подходов к формированию необходимых физико-
механических свойств материалов, получаемых из водных растворов некоторых полисахаридов,
подходящих для создания разнообразных лекарственных форм, показал, что удобным способом
регулирования является направленное структурообразование полимера в растворе,
осуществляемое за счет варьирования концентрации полимера в растворе и использования
нерастворителей и со-растворителей.
Разработка подходов к структурообразованию растворов хитозана, натриевой соли
сукцината хитозана, натриевой соли карбоксиметилцелцеллюлозы показала, что степень
структурообразования полимеров в растворе при повышении его содержания в растворе
меняется не равномерно. Существует область разбавленных, равновесных растворов (в нашем
случае до Cе), в которой почти отсутствуют взаимодействия между макромолекулами. Имеется
область концентрированных растворов с концентрацией выше Сгел, в которой система ведет себя
практически как упругое тело, не способное к течению и воспринимаемое как квазиравновесное.
И только в области полуразбавленных растворов, характеризующихся высоким уровнем
межмолекулярного взаимодействия (между Cе и Сгел), имеет место существенное изменение
степени структурообразования полимеров в растворе. Как следствие варьирования
структурообразования, изменяется весь комплекс свойств, а именно: время релаксации,
тиксотропия и др. Важно то, что различная степень структурообразования, которая имело место
в растворах, предопределяет различный уровень подвижности (релаксации) звеньев, и в
материалах, получаемых из этих растворов. Например, пленки, полученные из растворов с
различной исходной концентрацией, характеризуются различием в значениях температур
стеклования и плавления, модуля упругости, разрывного напряжения, разрывного удлинения…
Варьирование степени межмолекулярного взаимодействия посредством направленного
структурообразования, осуществляемого за счет изменения концентрации полимера в исходном
растворе или использования модифицирующих добавок, позволяет получать материалы,
пригодные для их использования в качестве мягких лекарственных форм. Например, при
добавлении раствора глицерина с концентрацией 1,5-4 моль/л к СХТЗ с концентраций 7-10 г/дл
сопровождается получением систем типа гелей c прочной сеткой зацеплений. Реология таких
гелей соответствует необходимой для гидрофильных мазей консистенции именно в условиях,
отражающих хранение и непосредственное применение мягких лекарственных форм (20-40С).
Варьируя природу добавки (одно или многоатомный спирт) и концентрацию полимера в
исходном растворе можно добиться получения мягких лекарственных форм типа защитных
пленок, используемых при обширных повреждениях кожи. Например, пленочные материалы,
полученные из растворов в присутствии одноатомного спирта, характеризуются повышенными
значениями разрывного напряжения и модуля упругости и пониженными значениями
разрывного удлинения по сравнению с пленками, сформированными из водного раствора в
отсутствие добавок. В то же время, пленочные материалы, полученные из растворов в
присутствии многоатомных спиртов, характеризуются пониженными значениями разрывного
напряжения и модуля упругости и повышенными значения разрывного удлинения.
Таким образом, для полимерных систем, полученных из водных растворов полисахаридов,
удается получать материалы, значительно различающиеся по своим физико-механическим
свойствам, посредством направленного структурообразования, осуществляемого за счет
варьирования концентрации полимера в исходном растворе или использования
модифицирующих добавок.
ВЫВОДЫ
1. Установлены концентрационные границы области, в которой растворы полисахаридов
хитозана, натриевой соли сукцината хитозана и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы
характеризуются максимально выраженными тиксотропными свойствами. Они находится между
концентрацией начала формирования флуктуационной сетки зацеплений Се (0,3-1,1 г/дл) и
концентрацией формирования упругих гелей Сгел. (5,0-10,0 г/дл). Наличие тиксотропных
неравновесных структур обусловливает возможность регулирования некоторых физико-
химических (Тст и Тпл) и физико-механических (модуля упругости Е, значений разрывного
напряжения  и разрывного удлинения Δl/l0) свойств материалов, формируемых из растворов.
2. Доказано, что присутствие спиртов, этанола, изопропанола, этиленгликоля,
пропиленгликоля и глицерина, в растворах полисахаридов приводит к изменению степени
структурообразования полимеров за счет сжатия макромолекулярного клубка (в 1,1-1,5 раза),
увеличения степени агрегации макромолекул (в 1,1-1,3 раза), изменения времени релаксации (в
1,5-2,5 раза), увеличения плотности сетки зацеплений (в 1,5-1,8 раза) и уменьшения значений Се
и Сгел. (в 1,5-2,0 раза).
3. Применение многоатомных спиртов, этиленгликоля, пропиленгликоля и глицерина, в
концентрации 1,5-4,0 моль/л позволяет получать системы c прочной сеткой зацеплений (значения
предельного напряжения сдвига 50-120 Па), обладающие оптимальными для мягких
лекарственных форм реологическими характеристиками в диапазоне температур от 20-40С, т.е.
в условиях, отражающих их хранение и непосредственное применение.
4. Показано, что пленочные материалы, полученные из растворов в присутствии
одноатомных спиртов, этанола или изопропанола, характеризуются повышенными значениями
разрывного напряжения  и модуля упругости Е (в 1,5-2,0 раза) и пониженными значениями
разрывного удлинения Δl/l0 (в 1,1-1,5 раза) по сравнению с пленками, сформированными из
водного раствора в отсутствие добавок.
5. Доказано, что пленочные материалы, полученные из растворов в присутствии
многоатомных спиртов, этиленгликоля, пропиленгликоля и глицерина, характеризуются
пониженными значениями разрывного напряжения  и модуля упругости Е (в 5-8 раз) и
повышенными значениями разрывного удлинения Δl/l0 (в 5-10 раз) по сравнению с пленками,
сформированными из водного раствора в отсутствие добавок.