Производственный прогресс невозможен не только без инвестиций, модернизации и грамотного менеджмента, но и без внедрения современных научных разработок. Зачастую экономический эффект от повышения технологической составляющей является определяющим в выходе на новые рынки или борьбе за наиболее маржинальные сектора уже освоенных сфер товарооборота.
Понимая это, предприятия концерна «Белнефтехим» тесно сотрудничают с широким кругом авторитетных научных организаций. Результат заметен и в тенденциях, и в абсолютных цифрах.
О функциональных инновациях в области нанотехнологий рассказывает профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор химических наук, заслуженный деятель науки Республики Беларусь Николай ПРОКОПЧУК.
Целебная паутина
Одним из перспективных направлений в области нанотехнологий является разработка Nanospider — бескапиллярное электроформование нановолокон из растворов полимеров, отличающихся сверхразвитой структурой и пористостью. Благодаря этим свойствам они показывают высокую эффективность в фильтрационных, сорбционных процессах; используются для обеспечения антимикробных и антивирусных барьерных свойств, регулируют водо- и паропроницаемость. Кроме того, их используют для создания перевязочных средств при лечении обширных ожоговых поверхностей, незаживающих ран и трофических язв.
Особая роль в развитии лечебных нанотехнологий принадлежит химии и технологии нановолокон из хитозана. Этот полисахарид способен к адсорбции небольших полярных молекул, пептидных и белковых лекарственных веществ, таких как факторы роста, а также фрагментов ДНК и может служить средством их доставки через слизистую оболочку носа и гастроэнтерального тракта. Хитозан сочетает в себе химическую, биологическую и радиационную стойкость, совместим с различными веществами: антисептиками, антибиотиками, сульфаниламидами, местными анестетиками и др.
Широко применять хитозан в лечебных целях стали в середине 1970-х годов. Было установлено, что этот углевод обладает антимикробной активностью, способностью поглощать биологические жидкости и помогать регенерации тканей. При этом он легко рассасывается в организме. Благодаря своим уникальным свойствам хитозан оказался незаменимым в медицине и фармации.
Формирование чуда
С конца ХХ века по всему миру постоянно возрастает интерес исследователей к процессу получения функциональных материалов методом электроформования волокна. Разработкой теоретических основ, формовочных растворов, а также аппаратурных реализаций метода занимаются ведущие научно-исследовательские группы в США, Южной Корее, Израиле, Китае, Чехии, Швейцарии, Польше.
Само по себе электроформование является весьма интересным физическим процессом. Пусть несколько сложным для обывателя, но зато производительным и эффективным. К раствору полимера, который при помощи дозатора нагнетается через капилляр, подается электрическое напряжение от единиц до 100 кВ (в большинстве случаев — 10—60 кВ). Оно индуцирует одноименные электрические заряды, которые в результате кулоновского электростатического взаимодействия приводят к вытягиванию раствора полимера в тонкую струю.
Полученные струи превращаются в волокна за счет испарения растворителя или в результате охлаждения и под действием электростатических сил дрейфуют к заземленной подложке. При этом осадительный электрод (коллектор) должен обладать хорошей электрической проводимостью. Форма же в данном случае не принципиальна — он может быть в виде стержня, плоскости или цилиндра; сплошным или сетчатым; твердым или жидким; стационарным или движущимся.
Несмотря на сложность понимания и исследования физических процессов электроформования, этот метод отличается аппаратурной простотой, высокой энергетической эффективностью, универсальностью к формуемым материалам и гибкостью в управлении параметрами, высокой производительностью и масштабируемостью от лабораторной установки до элементов промышленного конвейера. Все это делает процесс электроформования привлекательным для промышленного производства нановолокон.
Прикладной интерес
В ОАО «Завод горного воска» имеется электроформовочная установка NS LAB500 производства фирмы ELMARCO (Чешская Республика), позволяющая получать широкий спектр нановолоконных материалов, в том числе и из растворов хитозана. Она работает по методу бескапиллярного формования Nanospider: образование волокон происходит с поверхности раствора полимера, смачивающего волокнообразующий электрод.
На установке NS LAB500 можно производить нановолокна из растворов полимеров. Однако параметры процесса электроформования нельзя рассчитать теоретически — для каждого состава формовочного раствора необходимо проводить эмпирический подбор для получения нановолокон нужного диаметра и структуры.
В результате тесного сотрудничества предприятия и кафедры технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов этот процесс значительно усовершенствован. Внесенные коррективы позволили получать наукоемкие материалы более эффективно с экономической точки зрения.
Так, на основании проведенных исследований показано, что использование грибного хитозана марки Kionutrime-Cs (Бельгия) в составе формовочного раствора способствует получению нановолоконного покрытия с более высокой плотностью по сравнению с покрытиями, для которых использовался животный хитозан ООО «Хитозановые технологии» (Россия).
Кроме того, определено, что температура и влажность окружающей среды оказывают влияние на структуру и морфологию нановолоконного покрытия. Рекомендуемый режим для получения равномерного и сплошного покрытия по всей площади формования обеспечивается при температуре воздуха 30±5 ºС и влажности 25—35%.
Важным для производственников стал и тот факт, что показатель максимальной плотности нановолоконного покрытия наблюдался на материалах Спанлейс и Спанбел 10 IV. Данные особенности формирования нановолоконного покрытия с использованием различных подложек определяются прежде всего структурой и свойствами поверхности текстильного материала.
Немного физики...
И еще немного физики. По итогам исследований определено, что наиболее приемлемым значением межэлектродного расстояния при электроформовании нановолокон из хитозана является диапазон 125—150 мм, так как для получения максимальной плотности нанесения нановолоконного покрытия необходимо использовать близкие к минимальным значения.
Однако это способствует пробою газового разряда с поверхности электродов, уменьшает время полета струи формующего раствора, что приводит к недосыханию и неполному вытягиваю волокон. Процедура же при межэлектродном расстоянии 125—150 мм позволяет обеспечивать высокую производительность и безопасность проведения процесса, а также получение покрытия удовлетворительной плотности.
Также на основании полученных данных было показано, что электроформование необходимо проводить при напряжении 70—80 кВ, поскольку в данных условиях наблюдается относительно высокая производительность работы оборудования в нормальном режиме и получение покрытия с высокой плотностью. Однако более активное увеличение напряжения способствует уменьшению времени формования, что может приводить к недосыханию волокон до укладки на подложку и появлению дефектов.
Серьезное прикладное значение при нанесении покрытия на нетканые подкладочные материалы Спанлейс и Спанбел имеет и скорость вращения волокнообразующего электрода. Оптимальный показатель в данной ситуации — 8—12 об/мин. Более низкие значения провоцируют нехватку формующего раствора на поверхности электрода, что снижает производительность процесса. Повышение же скорости вращения не позволяет раствору полностью сформоваться.
И наконец, в результате исследований адгезионных свойств были подобраны наиболее оптимальные марки силиконизированной бумаги для защиты раневого покрытия в стерилизационной упаковке.
Проведенные исследования позволили впервые в Республике Беларусь выпустить опытно-промышленную партию раневых покрытий с нановолокнами хитозана, полученных методом электроформования.
На данный момент подобраны состав формовочного раствора и параметры процесса электроформования, утверждены медико-технические требования и технические условия на стерильные раневые покрытия с нановолокнами хитозана «Хитомед-ранозаживляющие», успешно проведены клинические испытания.
Изделие прошло государственную регистрацию, а изобретение защищено двумя патентами Республики Беларусь. Положительные клинические наблюдения при лечении трофических язв, ожогов, посттравматических ран обуславливают актуальность продолжения работ по данной тематике.
Как любят говорить ученые, ab ovo. Начало положено — продолжение следует.
Фото Дарьи Хачирашвили
