Исследование адсорбции чистого и модифицированного сверхкритического диоксида углерода полиэтиленом медицинского назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма»

Исследование адсорбции чистого и модифицированного сверхкритического диоксида углерода полиэтиленом медицинского назначения

Газизов Р.А., Шамсетдинов Ф.Н.

В настоящее время частое использование полимеров в качестве материала для изготовления изделий медицинского назначения,наряду с увеличением их номенклатуры, создало определенные проблемы, в частности, значительное уменьшение методов стерилизации. Утрадиционных методов стерилизации, таких как химический, радиационный и термический, имеются определенные недостатки - высокая огне- и взрывоопасность, возможно содержание токсичных остатков, ограничение по изделиям из термолабильных материалов и т.д. [1], [2].

В последние десятилетия ведется активный поиск новых методов стерилизации медицинских изделий, изготовляемых из полимерных материалов. Одним из таких методов является стерилизация с использованием сверхкритических флюидных (СКФ) сред. В работах [7], [8], [9] показана эффективность и возможность использования этого метода в пищевой и фармацевтической промышленностях, как альтернатива традиционным методам стерилизации.

В вышеназванных работах проводились исследования с точки зрения воздействия сверхкритических флюидных сред на микроорганизмы. Так же, немаловажным является определение влияния сверхкритического флюида на полимерный материал стерилизуемого изделия. К примеру, для достижения вышеназванной цели в работе [10] описаны исследования по определению прочностных характеристик некоторых полимеров, наиболее часто используемых в медицинских изделиях, после обработки диоксидом углерода при давлении 6,5 МПа и диапазоне температур от 290 K до 297 K. Одним из свойств сверхкритических флюидов является высокая растворяющая способность из-за их низкой вязкости и высокого коэффициента диффузии. Применительно к полимерам известно, что процесс обработки полимерных материалов СК СО2, при которой происходит пластификация стеклообразных полимеров, приводит к существенному снижению температуры стеклования, так как насыщенный диоксидом углерода полимер характеризуется повышенной подвижностью цепей, а также увеличенным расстоянием между ними. Пластификация сопровождается набуханием полимерной матрицы с последующим увеличением свободного объема. Кроме того, возможно специфическое взаимодействие между СО2 и некоторыми функциональными группами полимеров, такими, как, например, карбонильные группы, что доказано для систем СО2-полиэтилентерефталат и СО2-полиметилметакрилат [11].

Цель исследования

Изучить адсорбцию чистого и модифицированного перекисью водорода сверхкритического диоксида углеродаполиэтиленом марки 5118 для определения возможности использования сверхкритических флюидов в качестве стерилизующего агента изделий медицинского назначения из полимерных материалов.

Материалы и методы исследования

В настоящей работе [6] параметры стерилизации диоксидом углерода составляли по давлению 8-30 МПа и температуре 313-373°K. С учетом данных значений давлений и температур было принято решение провести измерение адсорбциисверхкритического диоксида углерода полиэтиленом марки 5118в диапазоне давлений от 8 МПа до 20 МПа и температурах от 313°K до 333°K. Выбор данного материала именно этой маркиобусловлен нормативным документом [12].

Для исследования процесса поглощения и насыщения полимера сверхкритическим флюидомбыла использована экспериментальная установка (рис. 1)позволяющая проводить опыты в диапазоне температур от 303°K до 333°K и давлений от 8,0 до 30,0 МПа.При проведении опытов реализуется статический метод исследования, т.е. в течение определенного времениизучаемый образецобрабатывается одной порцией газа.

Установка включает в себя систему создания и поддержания давления, систему регулирования и поддержания температуры,автоклав высокого давления.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки реализующий статический метод изучения адсорбции веществами СКФ среды. 1 - баллон с диоксидом углерода; 2 - термокомпрессор; 3 - автоклав высокого давления; 4 - термостат

Система создания давления (рис. 1) состоит из баллона с СО2 (1) объёмом 50 л, термокомпрессора (2) и образцового манометра. В начале эксперимента в охлажденный до 253°K криогенным термостатом термокомпрессор из баллона подается диоксид углерода. Давление в автоклаве создается путем изохорного нагревания термокомпрессора. Рабочее давление в системе измеряется образцовым манометром класса точности 0,15.

Система регулирования и поддержания температуры представляет собой жидкостной термостат. Точность поддержания температуры составляет ± 0,5°K. сверхкритический диоксид углерод полимерный

Основной частью экспериментальной установки является автоклав, представляющий собой ячейку высокого давленияобъёмом 0,53 мл, в котором происходит адсорбирование исследуемым веществом сверхкритического диоксида углерода. Ячейка представляет собой трубку (рис. 2) с внутренней резьбой на концах, в которые ввинчиваются крепления капиллярных трубок. Уплотнение осуществляется по системе «конус-конус». Ячейка изготовлена из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

Рис. 2 - Ячейка для исследования адсорбционных процессов

Исследуемое вещество загружается в реактор (3) (рис. 1), после чего ячейка с веществом взвешивается, и помещается в жидкостной термостат (4). Газ из баллона (1) подается в термокомпрессор (2). Путем нагревания термокомпрессора создается давление, и диоксид углерода подается в автоклав. Продолжительность обработки полиэтилена сверхкритическим флюидом составила от 30 до 120 минут, в зависимости от эксперимента. По истечении этого времени давление в системе стравливается до атмосферного, автоклав извлекается из термостата и вновь взвешивается.

В результате проведенных экспериментов было выявлено отсутствие растворимости полиэтилена 5118 в чистом сверхкритическом СО2, что подтвердилось восстановлением до первоначальной массы испытуемых образцов материала через 24 часа, после помещения их в нормальные условия (н.у.). Практически, произошло лишь набухание полимера в результате адсорбции им диоксида углерода, что выразилась увеличением массы помещенного в реактор полиэтилена. Полученные результаты представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3 - Увеличение массы полиэтилена в процессе адсорбирования им сверхкритического диоксида углерода при изотерме Т=313 K

Рис. 4 - Увеличение массы полиэтилена в процессе адсорбирования им сверхкритического диоксида углерода при изотерме Т=333 K

Как видно из графиков, интенсивное насыщение полимера диоксидом углерода происходит в первые 60 минут, далее приращение массы практически не наблюдается. Термическая вариация процесса, в сторону увеличения, только подтвердила отсутствие растворимости полиэтилена незначительным ростом массы образцов в пределах погрешности измерений (3,2%).

Далее, исходя из результатов работы [6], были проведены повторные опыты с аналогичными параметрами из вышеописанных опытов в настоящей работе, но с добавлением в СО2-модификатора, в качестве которого была использована 1% перекись водорода (Н2О2). Были получены результаты, практически идентичные представленным на рис. 3 и 4.

Заключение

Полученные в настоящей работе результаты исследований показали отсутствие растворимости полиэтилена 5118 в чистом и модифицированном 1% Н2О2 сверхкритическом диоксиде углерода. Наблюдалась адсорбция полимером сверхкритического флюида, что выражалась увеличением массы образцов на 3-4%, в зависимости от параметров эксперимента. Данные результаты подтверждают возможность стерилизации изделий медицинского назначения из полиэтилена марки 5118 сверхкритическим СО2, модифицированным 1% Н2О2.

Список литературы

1. Салманов А.Г. Стерилизация изделий медицинского назначения / А.Г. Салманов, О.М.Вернер.- Х.:ФОППановА.М., 2015. - 412 с.

2. Марычев С.Н. Полимеры в медицине: учеб.пособие / С.Н.Марычев, Б.А.Калинин.- Владимир: Владим. гос. ун-т, 2001. - 68 с.

3. Zhang J.Sterilization using high-pressure carbon dioxide - a review /J.Zhang, T.A.Davis, M.A.Matthews et al // J. of Supercritical Fluids.-2006. -V. 38. - Is. 3. - P. 354-372.

4. Spilimbergo S. Non-thermal bacteria inactivation with dense CO2 /S.Spilimbergo, A.Bertucco// J. of Biotechnology and Bioengineering. - 2003.-№ 84.-Р. 627-638.

5. Залепугин Д.Ю. Стерилизация пористого сверхмолекулярного полиэтилена в субкритических фреонах / Д.Ю.Залепугин, А.В.Максимкин, М.В. Кисилевский и др.// Сверхкритическиефлюиды: Теорияипрактика. - 2016. - Т.11. - №1. -С. 84-90.

6. Газизов Р.А. Исследование инактивацииbacillusatrophaeus с использованием чистого имодифицированного диоксида углерода / Р.А.Газизов, Ф.Н.Шамсетдинов// Международный научно-исследовательский журнал. -2018. - №12(78). - Ч.1.- С. 165-168.

7. Lanzalaco S. Sterilization of macroscopic poly(l-lactic acid) porous scaffolds with dense carbon dioxide: Investigation of the spatial penetration of the treatment and of its effect on the properties of the matrix / S. Lanzalaco, S. Campora, V.Brucatoetal// J. of Supercritical Fluids. - 2016.-№ 111.-Р. 83-90.

8. Perrut M. Sterilization and virus inactivation by supercritical fluids (a review)/ M. Perrut// J. of Supercritical Fluids. - 2012.- V. 66. - P. 359-371.

9. Ellis J.L. Supercritical CO2 sterilization of ultra-high molecular weight polyethylene. / J.L. Ellis, J.C. Titone, D.L. Tomaskoat al // J. Supercritical Fluids. - 2010. - V. 52. -P. 235-240.

10. Jimйnez A. Compatibility of Medical-Grade Polymers with Dense CO2 / A.Jimйnez, G.L.Thompson, M.A.Matthewset al // Supercritical Fluids. - 2007. - № 42, - Р. 366-372.

11. Залепугин Д.Ю. Развитие технологий, основанных на использовании сверхкритических флюидов/ Д.Ю.Залепугин, Н.А. Тилькунова, И.В. Чернышова и др.// Сверхкритическиефлюиды: Теорияипрактика. - 2006. - Т.1. - №1. -С. 27-51.

Размещено на Allbest.ru