Новые биоразлагаемые сополимеры на основе бетулина, органических кислот и их производных

Впервые было показано, что сополимеры на основе бетулина и производных оксикарбоновых кислот, а именно: лактид, гликолид и бутиловый эфир молочной кислоты являются перспективными безопасными полимерными материалами для применения их в медицине.
Был предложен метод синтеза сополимеров бетулина с адипиновой кислотой, а также с производными оксикарбоновых кислот: лактид, гликолид и бутиловый эфир молочной кислоты. Было проведено сравнительное каталитическое исследование H-?-25, Sn(Oct)2, ?-Al2O3, AlOOH, Zn(OAc)2 ?-Al2O3/TBHP и TBHP систем; Исследованы текстурные и структурные свойства ?-Al2O3. Проведена оценка токсичности полученных сополимеров бетулина.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 11
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………………….. 14
1.1 Основные сведения о бетулине …………………………………………………………… 14
1.2 Полимерные производные бетулина и способы их получения ……………… 17
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ………………………………………………………… 24
2.1 Синтез сополимеров бетулина с органическими кислотами и их
производными………………………………………………………………………………………….. 24
2.2 Характеристика полимерных производных бетулина ………………………….. 25
2.2.1 Определение структуры и молекулярной массы полимеров………………. 25
2.2.2 Термический анализ …………………………………………………………………………. 26
2.3 Методы исследования катализатора γ-Al2O3 ………………………………………… 27
2.4 Оценка токсичности полимеров ………………………………………………………….. 28
2.4.2 Исследование токсичности полимерных образцов для E.Coli,
Staph.aureus, Staph. epidermidis методом диффузных дисков ……………………… 29
2.4.3 Исследование токсичности полимерных образцов для культуры
Lactobacillus plantarum в жидкой питательной среде методом
спектрофотометрии. …………………………………………………………………………………. 30
2.4.4 Исследование токсичности полимерных образцов для культуры
Escherichia coli в жидкой питательной среде методом спектрофотометрии. 31
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………… 32
3.1 Исследование процесса сополимеризации бетулина с органическими
кислотами и их производными …………………………………………………………………. 32
3.2 Оценка активности катализаторов процесса сополимеризации бетулина с
производными органических кислот ………………………………………………………… 38
3.3 Исследование структурных и текстурных свойств γ-Al2O3 …………………… 42
3.4 Исследование токсичности сополимеров бетулина с производными
оксикарбоновых кислот ……………………………………………………………………………. 43
3.4.1 Исследование токсичности полимеров для E.Coli, Staph.aureus, Staph.
epidermidis методом диффузных дисков……………………………………………………. 43
3.4.2 Исследование токсичности полимеров для культуры Lactobacillus
plantarum и E.coli в жидкой питательной среде методом спектрофотометрии.
………………………………………………………………………………………………………………… 44
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………. 46
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения…………………………………………………………………………………… 46
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………. 46
4.1.2 FAST-анализ ……………………………………………………………………………………. 48
4.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 51
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований
………………………………………………………………………………………………………………… 55
4.3 Планирование научно-исследовательских работ………………………………….. 56
4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………………. 56
4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………………. 57
4.3.3 Разработка графика проведения научного исследования …………………… 59
4.3.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ………………………….. 61
4.4 Определение ресурсной , финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования …………………………………………… 67
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………………. 69
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……… 70
5.1.1 Организация рабочей зоны исследователя ……………………………………….. 71
5.2 Производственная безопасность………………………………………………………….. 71
5.2.1 Отклонение показателей микролимата ……………………………………………… 73
5.2.1.1 Расчѐт минимального воздухообмена в помещении химической
лаборатории …………………………………………………………………………………………….. 74
5.2.2 Химические опасные и вредные производственные факторы ……………. 77
5.2.2.1 Повышенный уровень вибрации и шума ………………………………………… 78
5.2.2.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………………………… 79
5.2.2.3 Электробезопасность …………………………………………………………………….. 80
5.2.2.4 Работа с легковоспламеняющимися жидкостями……………………………. 81
5.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………………….. 82
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 84
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований. ………………………………………………………………………………………….. 84
5.4.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте при
проведении исследований. ……………………………………………………………………….. 84
5.4.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС. …………………………………………. 84
5.4.3.1 Противопожарная защита………………………………………………………………. 84
5.4.3.2 Средства пожаротушения ………………………………………………………………. 85
5.5 Вывод по разделу ……………………………………………………………………………….. 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….. 88
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА ……………………………………………………. 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………………………. 90
Приложение I …………………………………………………………………………………………… 95
Приложение II………………………………………………………………………………………… 105

1. Sharma, Munish, et al. “Metabolic engineering strategies for enhancing the
production of bio-active compounds from medicinal plants.” Natural bio-
active compounds. Springer, Singapore, 2019. 287-316.
2. Zhuo, Z.J., Xiao, M.J., Lin, H.R., Luo, J. and Wang, T., 2018. Novel betulin
derivative induces anti-proliferative activity by G2/M phase cell cycle arrest
and apoptosis in Huh7 cells. Oncology letters, 15(2), pp.2097-2104.
3. Hordyjewska, A., Ostapiuk, A., Horecka, A. and Kurzepa, J., 2019. Betulin
and betulinic acid: triterpenoids derivatives with a powerful biological
potential. Phytochemistry Reviews, 18(3), pp.929-951.
4. Curia, Silvio, et al. “Betulin-Based Thermoplastics and Thermosets through
Sustainable and Industrially Viable Approaches: New Insights for the
Valorization of an Underutilized Resource.” ACS Sustainable Chemistry &
Engineering 7.19 (2019): 16371-16381
5. Ma, Zhiyuan, Yong-Guang Jia, and X. X. Zhu. “Glycopolymers bearing
galactose and betulin: Synthesis, encapsulation, and lectin recognition.”
Biomacromolecules 18.11 (2017): 3812-3818
6. Zhao, J.; Schlaad, H.; Weidner, S.; Antonietti, M. Synthesis of terpene–
poly(ethylene oxide)s by t-BuP4-promoted anionic ring-opening
polymerization. Polym. Chem. 2012, 3, 1763–1768
7. Domb, A.J.; Kumar, N.; Ezra, A. Biodegradable Polymers in Clinical Use
and Clinical Development; Wiley & Sons Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2011
8. Trumbull et al., 1976
9. Zhou Z. et al. Betulin induces cytochrome c release and apoptosis in colon
cancer cells via NOXA //Oncology letters. – 2018. – Т. 15. – №. 5. – С.
7319-7327
10. Zhan X. K. et al. Betulinic acid exerts potent antitumor effects on
paclitaxel‑resistant human lung carcinoma cells (H460) via G2/M phase cell
cycle arrest and induction of mitochondrial apoptosis //Oncology letters. –
2018. – Т. 16. – №. 3. – С. 3628-3634
11.Chunhua M. et al. Betulin inhibited cigarette smoke-induced COPD in mice
//Biomedicine & Pharmacotherapy. – 2017. – Т. 85. – С. 679-686.
12.Wu Q. et al. Betulin protects mice from bacterial pneumonia and acute lung
injury //Microbial pathogenesis. – 2014. – Т. 75. – С. 21-28.
13. Chen Y. et al. The design, synthesis and structure-activity relationships
associated with C28 amine-based betulinic acid derivatives as inhibitors of
HIV-1 maturation //Bioorganic & medicinal chemistry letters. – 2018. – Т.
28. – №. 9. – С. 1550-1557
14.Dang Z. et al. Synthesis of betulinic acid derivatives as entry inhibitors
against HIV-1 and bevirimat-resistant HIV-1 variants //Bioorganic &
medicinal chemistry letters. – 2012. – Т. 22. – №. 16. – С. 5190-5194
15.Halder A. et al. Lactoferrin-modified Betulinic Acid-loaded PLGA
nanoparticles are strong anti-leishmanials //Cytokine. – 2018. – Т. 110. – С.
412-415.
16. Dubinin, M.V.; Semenova, A.A.; Ilzorkina, A.I.; Mikheeva, I.B.; Yashin,
V.A.; Penkov, N.V.; Vydrina, V.A.; Ishmuratov, G.Y.; Sharapov, V.A.;
Khoroshavina, E.I.; et al. Effect of betulin and betulonic acid on isolated rat
liver mitochondria and liposomes. Biochim. Biophys. Acta (BBA)–
Biomembr. 2020, 1862, 183383, doi:10.1016/j.bbamem.2020.183383.].
17.Chairez-Ramirez, M.H.; Moreno-Jiménez, M.R.; González-Laredo, R.F.;
Gallegos-Infante, J.; Rocha-Guzmán, N.E. Lupane-type triterpenes and their
anti-cancer activities against most common malignant tumors: A review.
EXCLI J. 2016, 15, 758–771
18. Yang, S.; Zhao, Q.; Xiang, H.; Liu, M.; Zhang, Q.; Xue, W.; Song, B.;
Yang, S. Antiproliferative activity and apoptosis-inducing mechanism of
constituents from Toona sinensis on human cancer cells. Cancer Cell Int.
2013, 13, 12, doi:10.1186/1475-2867-13- 12]
19.Makarova, M.; Shikov, A.; Avdeeva, O.; Pozharitskaya, O.; Makarenko, I.;
Makarov, V.; Djachuk, G. Evaluation of acute toxicity of betulin. Planta
Med. 2011, 77, PM48, doi:10.1055/s-0031-1282806.
20. Gosselin, R.E.; Hodge, H.; Smith, R.P.; Gleason, M.N. Clinical Toxicology
of Commercial Products: Acute Poisoning. 4th ed.; Williams & Wilkins:
Baltimore, MD, USA, 1976; p. 332, ISBN-10 0683036319
21.Er , V. A.; J skel inen, P.; Ukkonen, K., Angew. Makromol. Chem. 1980,
88 (1), 79−88.
22.Vasnev, V. V.; Konkina, I. N.; Korshak, V. V.; Vinogradova, S. V.;
Lindberg, J. J.; J skel inen, P.; Piiroinen, K., Makromol. Chem. 1987, 188
(4), 683−691.,
23. А.с. № 1671666 (СССР). Диглицидиловый эфир на основе бетулина в
качестве мономера для получения эпоксиполимеров с высокими
диэлектрическими свойствами / М.С. Клебанов, В.А. Алдошин, И.П.
Педько / 1991.
24.Немилова В.Е., Начинкин О.Н., Царев Г.И. Полиэфиры на основе
бетулина и адипиновой кислоты. – Сб. Физико-химия полимеров. –
ТГУ. –Вып.2. – Тверь, 1996 г., -С. 124-127.
25.Пат. RU 2167892 С1 Российская Федерация, С 08 G 63/197, 63/16.
Способ получения полиэфира на основе бетулина / Орлова Т.В.,
Немилов В.Е., Царев Г.И., Войтова Н.В.; заявитель и
патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна. – № 99121308/04; заявл. 06.10.1999; опубл.
27.05.2001
26. Jeromenok, J.; Bohlmann, W.; Antonietti, M.; Weber, J., Macromol. Rapid
Commun. 2011, 32 (22), 1846−1851., Jeromenok, J.; Bohlmann, W.; Jager,
C.; Weber, J., ChemistryOpen 2013, 2 (1), 17−20.
27. Auclair, Nicolas, et al. “Acrylated betulin as a comonomer for bio-based
coatings. Part II: Mechanical and optical properties.” Industrial Crops and
Products 82 (2016): 118-126.
28.Chen, Y.; Song, Q.; Zhao, J.; Gong, X.; Schlaad, H.; Zhang G., ACS Appl.
Mater. Interfaces 2018, 10, 6593−6600
29.Okada, M.; Suzuki, K.; Mawatari, Y.; Tabata, M., Eur. Polym. J. 2019, 113,
12−17.
30.Ma, Zh.; Jia, Y-G.; Zhu X. X., Biomacromolecules 2017, 18, 3812−3818.
31.Горбунова, М.Н.; Крайнова, Г.Ф., Вестник Пермского научного центра
2014, 2, 44 – 52
32. Niewolik, Daria, et al. “Novel polymeric derivatives of betulin with
anticancer activity.” RSC advances 9.36 (2019): 20892-20900.]
33. Nofar, Mohammadreza, et al. “Poly (lactic acid) blends: Processing,
properties and applications.” International journal of biological
macromolecules 125 (2019): 307-360.
34.Inkinen, Saara, et al. “From lactic acid to poly (lactic acid)(PLA):
characterization and analysis of PLA and its precursors.”
Biomacromolecules 12.3 (2011): 523-532,
35.], Lasprilla, Astrid JR, et al. “Poly-lactic acid synthesis for application in
biomedical devices—A review.” Biotechnology advances 30.1 (2012): 321-
328.
36.Кимбаев, К. “Новые реакции бетулина с оксикарбоновыми кислотами.”
Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XX
Международной научно-практической конференции имени профессора
ЛП Кулѐва студентов и молодых ученых, 20–23 мая 2019 г., г. Томск.—
Томск, 2019.. 2019.
37. Попова, В. А., et al. “Синтез сополимеров молочной кислоты с
капролактамом и бетулином в условиях микроволнового облучения.”
Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных
трудов XIII Международной конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых, г. Томск, 26-29 апреля 2016 г.. Т. 2: Химия.—Томск,
2016.. Vol. 2. Изд-во ТПУ, 2016
38.Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред.
от 24.04.2020) [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. URL:
https://docs.cntd.ru, свободный. Дата обращения: 05.05.2020 г.
39.ГОСТ 12.0.003-2015. Опасные и вредные производственные факторы.
40.Классификация. – М.: Стандартинформ, 2019. – 10 c.
41.СанПиН 2.2.4.548-96. Физические факторы производственной среды.
Гигиенические требования к микроклимату производственных
помещений. – М.: Информационно-издательский центр Минздрава
России, 1997. – 20 с.
42.ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. М.: –
Издательство стандартов, 1988. – 11 с.
43.СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых,
общественных зданий и на территории застройки. М.: –
Госкомсанэпиднадзор России, 1996. – 12 с.
44.СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (с
Изменением N 1). – М.: Госкомсанэпиднадзор России, 2009. – 27 с.
45.Технический регламент о требованиях пожарной безопасности (с
изменениями на 29 июля 2017 года) [Электронный ресурс]. – Электрон.
дан. URL: http://vsegost.com, свободный. – Дата обращения: 22.04.2020
г.
46.ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Пожарная безопасность. Общие требования. – М.: Стандартинформ,
1992. – 68 c.
47.СанПиН 1.2.3685-21. Предельно допустимые концентрации (ПДК)
загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских
поселений. – М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии
Роспотребнадзора, 2019. – 55 c.
48. Расчет потребного воздухообмена. Методические указания к
выполнению самостоятельной работы по дисциплине “Безопасность
жизнедеятельности” для студентов всех специальностей. – Томск: изд.
ТПУ, 2005. – 16 с.
49.СанПиН 118.13330.2016. Общественные здания и сооружения. – М.: –
Госкомсанэпиднадзор России, 2016. – 82 с.
50.ГОСТ 17.1.3.05-82. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и
нефтепродуктами. – М.: Издательство стандартов, 1983. – 3 с.
51.ГОСТ Р 22.0.01-2016. Безопасность в чрезвычайных ситуациях.
Основные положения. – М.: Стандартинформ, 2017. – 6 с.