Kitozán-zselatin hibrid filmek előállítása és tulajdonságai

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar
Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
Kolloidkémia Csoport
Kitozán-zselatin hibrid filmek előállítása
és tulajdonságai
Szakdolgozat
Készítette: Komlai Krisztina
Témavezető: Dr. Hórvölgyi Zoltán
Egyetemi docens
Konzulens: Kabainé Dr. Faix Márta
Tudományos tanácsadó
Budapest, 2010

Köszönetnyilvánítás
Szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik segítettek szakdolgozatom
elkészítésében.
Köszönöm Dr. Hórvölgyi Zoltán docens úrnak, témavezetőmnek, dolgozatom
elkészítéséhez nyújtott szakmai segítségét, iránymutatását.
Hálásan köszönöm Kabainé Dr. Faix Márta tudományos tanácsadónak,
konzulensemnek, hogy mindvégig irányította munkámat, fáradhatatlanul segített a
felmerülő problémák megoldásában. Nélkülük ez a dolgozat létre sem jöhetett volna.
A BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék munkatársainak, Májlinger
Kornél egyetemi tanársegédnek és Nagy Péter doktoránsnak, hogy lehetővé tették a SEM
felvételek elkészítését.
A BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Lágy Anyagok Kutatócsoport
valamennyi tagjának, hogy segítették a mechanikai mérések elvégzését.
A BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Kolloidkémia Csoport
valamennyi dolgozó vagy hallgatói státuszban lévő tagjának, elsősorban Mártonné Pakai
Márta vegyésztechnikusnak és Volentiru Emőke tudományos segédmunkatársnak,
munkám során nyújtott kedvességüket, segítőkészségüket, a kellemes légkört.
Végül szüleimnek, hogy egyetemi tanulmányaim alatt végig lelkesen támogattak,
bíztattak.
A munkát anyagilag támogatták:
Országos Tudományos Kutatási Alap (OTKA CK 78629),
Nemzeti Fejlesztési Ügynökség (Társadalmi Megújulás Operatív Program, TÁMOP -
4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002),
Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal (NKTH - A*STAR Kétoldalú TéT Pályázat,
BIOSPONA)
1

Tartalomjegyzék
Rövidítésjegyzék ....................................................................................................................... 4
1 Bevezetés .................................................................................................................................. 5
2 Irodalmi áttekintés ............................................................................................................. 6
2.1 Kitozán ......................................................................................................................... 6
2.2 Zselatin ......................................................................................................................... 8
2.3 Kitozán film tulajdonságainak javítása ........................................................................ 9
2.4 Kitozán/zselatin hibrid filmek és egyéb rendszerek .................................................... 9
3 Kísérleti rész ........................................................................................................................ 13
3.1 Felhasznált anyagok ................................................................................................... 13
3.2 Felhasznált eszközök ................................................................................................. 14
3.3 Filmképzés ................................................................................................................. 14
3.3.1 Film előállítása kitozán hidrogélből préseléssel.................................................. 14
3.3.2 Film preparálása oldat öntéssel/elpárologtatással ............................................... 15
3.3.3 A filmek térhálósítása.......................................................................................... 15
3.4 Duzzadási vizsgálat .................................................................................................... 16
3.5 Morfológiai vizsgálatok ............................................................................................. 16
3.6 Nedvesedési vizsgálatok ............................................................................................ 17
3.7 Mechanikai vizsgálatok ............................................................................................. 17
4 Kísérleti eredmények, eredmények értékelése ................................................... 18
4.1 Az előkísérletek során nyert eredmények .................................................................. 18
4.1.1 Filmképzés .......................................................................................................... 18
4.1.2 Térhálósítás hatása .............................................................................................. 19
4.2 Duzzadási vizsgálatok ................................................................................................ 21
4.3 Morfológiai vizsgálatok ............................................................................................. 23
4.4 Nedvesedési vizsgálatok ............................................................................................ 25
4.5 Mechanikai vizsgálatok ............................................................................................. 27
2

5 Összefoglalás ........................................................................................................................ 28
Irodalomjegyzék ..................................................................................................................... 30
3

Rövidítésjegyzék
Az aminosavak jelölésére a peptidkémiában használt hárombetűs rövidítéseket
alkalmaztam.
Név
Alanin
Arginin
Aszparaginsav
Glicin
Glutaminsav
Hidroxiprolin
Prolin
Hárombetűs
rövidítés
Ala
Arg
Asp
Gly
Glu
Hyp
Pro
AcOH
DA
DD
HPN
K
KZ
NaAc
NaCMC
PB
PEG
PVA
PVP
SEM
XRD
Zs
Ecetsav
Duzzadási arány
Deacetilezettség foka
Hibrid polimer hálózat
Kitozán
Kitozán/zselatin hybrid film
Nátrium-acetát
Karboximetil-cellulóz nátruim sója
Foszfát puffer
Polietilénglikol
Polivinilalkohol
Polivinil-pirrolidon
Pásztázó elektronmikroszkóp
Röntgendiffrakciós módszer
Zselatin
4

1 Bevezetés
Napjainkban nagymértékben megnövekedett a biopolimerek iránti érdeklődés, igény
A műanyagokhoz képest, - melyek már önmagukban is rengeteg előnyös
tulajdonsággal rendelkeznek (pl.: könnyűek, törésállók, vízzárók vagy vízoldhatók, ridegek
vagy rugalmasak, hosszú élettartalmúak, könnyen kezelhetők és feldolgozhatók) – további
különleges tulajdonságokat rendelkeznek. Ilyen például az, hogy biológiai úton
lebomlanak, azaz biodegradábilisak. Ez adja környezetvédelmi területen való
felhasználásuk iránti fokozódó érdeklődést. Megújuló nyersanyagforrásokból hozhatjuk
létre, ezáltal takarékoskodhatunk az értékes fosszilis nyersanyagokkal. Új hulladékkezelési
lehetőséget biztosítanak és a hagyományos műanyagokhoz viszonyítva csökkennek az
ezzel járó költségek is. [1]
A szakdolgozatom tárgya a kitozán is egyfajta biopolimer. Előnyös tulajdonságai
nagyban szerepet játszanak abban, hogy egyre elterjedtebb, s ez által szélesebb körben
alkalmazzák (orvosbiológiai, biotechnológiai, gyógyszerkémiai). Ilyen előnyös
tulajdonságok például: a biokompatibilitás és a biológiai lebonthatóság. Más, szintetikus és
természetes, biodegradábilis és kompatibilis polimerekkel (pl.: PVP, PVA, PEG, NaCMC
stb.) társítva, jelentősen javíthatjuk a mechanikai, kolloidkémiai, hatóanyag megkötési
tulajdonságait. [2–5]
Kísérleti munkám során különböző összetételű kitozán/zselatin filmeket állítottam
elő és vizsgáltam a filmek duzzadási, morfológiai, nedvesedési és mechanikai
tulajdonságait. Vizsgáltam azt, hogy a kitozán/zselatin arány, a duzzasztó közeg pH-ja és a
térhálósítás milyen hatással van a filmek duzzadására.
A vizsgálatok során nyert eredmények hozzájárulhatnak a kitozán/zselatin filmek,
membránok, mikro- és makro hidrogélek, kriogélek és mag-héj („core-shell”) szerkezetű
hatóanyag hordozó mátrixok fejlesztéséhez.
5

2 Irodalmi áttekintés
2.1 Kitozán
A kitin a második leggyakoribb természetes polimer a cellulóz után. Megtalálható a
rákok páncéljában, gombákban. A kitozán (1. ábra), amelyet a kitin lúgos deacetilezésével
állítják elő (2. ábra), egy lineáris, kristályos szerkezetű biopolimer, mely számos előnyös
tulajdonsággal rendelkezik: biológiailag lebontható, nem mérgező, valamint
antimikrobiális hatású. A deacetilezési fok (DD) 60-100%-ig terjedhet.
Ezen jellemzőknek köszönhetően széles körben alkalmazzák akár önmagában, akár
egyéb, természetes illetve mesterséges polimerekkel keverve. [6]
OH
OH
OH
HO
HO
O
O
HO
O
O
HO
O
OH
NH 2
NH 2
NH 2
N
1. ábra: A kitozán szerkezete
2. ábra: Kitozán előállítása a kitin deacetilezésével [7]
6

Antimikrobiális hatás
A kitozánt antimikrobiális hatásának köszönhetően felhasználják az
élelmiszeriparban, textiliparban és a mezőgazdaságban. Alkalmazzák továbbá víztisztító
membránoknál és kozmetikumok összetevőjeként is.
Nem csak baktériumok, hanem fonalas gombák és élesztő gombák ellen is
hatásosnak bizonyult. Antibakteriális hatását több tényező befolyásolhatja: [6]
1) Mikrobiális tényezők, a kapcsolódó mikroorganizmus fajtája és a sejt kora;
Eltérő hatékonyságot mutat a Gram-negatív és a Gram-pozitív baktériumokkal
szemben, melynek oka valószínűleg az eltérő sejtfelszíni tulajdonságokban
keresendő. A tanulmányok kimutatták, hogy a gombák érzékenyebben viselkedtek a
kitozánnal szemben, mint a gombák.
2) A kitozánt jellemző fizikai és kémiai paraméterek: pozitív töltéssűrűség,
molekulatömeg, hidrofil/hidrofób karakterisztika, kelátképző képesség;
A pozitív töltéssűrűség (polikationos szerkezet) alapvető fontosságú az erős
elektrosztatikus kölcsönhatás kialakításában. A magasabb DD nagyobb
töltéssűrűséghez vezet, mely biztosítja a kedvezőbb hatást.
A molekulatömeggel kapcsolatban számos ellentétes eredmény született már, egyes
vizsgálatok szerint a növekedésével csökken az antimikrobiális hatás, mások szerint
épp a magas molekulatömeg kedvez e tulajdonságnak.
3) Fizikai állapot: vízben oldott vagy szilárd kitozán
A mikrobaölő sajátság szempontjából nem mindegy, hogy a kitozánt oldott- vagy
szilárd állapotban (például filmként) használjuk-e fel.
4) Környezeti tényezők: a közeg ionerőssége, pH, hőmérséklet;
A kutatások bebizonyították, hogy a kitozán antimikrobiális tevékenysége pH függő.
Nem csak azért, mert a biopolimer savas közegben oldódik, hanem mert ebben a
környezetben már polikationos formában van jelen, melynek jelentőségét fentebb
tárgyaltam. [6, 8]
7

2.2 Zselatin
Biokompatibilis polipeptid, mely a szervezetbe kerülve antigenitást és
bioadszorptivitást mutat. Gyakran használják a gyógyászatban, köszönhetően annak, hogy
gélesedési hőmérséklete közel azonos az emberi testhőmérséklettel. Egyéb kedvező
jellemzője a plaszticitás és a tapadóképesség, valamint a viszonylag alacsony ár. Ennek
köszönhetően alkalmazzák kapszulák, kötszerek, sebészeti célú adszorbens párnák
összetevőjeként, s nagy szerepet játszik a 3 dimenziós szöveti regenerációban is. [9 – 12]
Amorf polimer, melynek fontosabb építőelemei a 3. ábrán feltüntetett aminosavak.
Zselatin aminosav összetétele
22%
21%
6%
8%
9%
10%
12%
12%
Gly Pro Hyp Glu Ala Arg Asp Egyéb
3. ábra: Zselatin aminosav összetétele
8

2.3 Kitozán film tulajdonságainak javítása
Annak ellenére, hogy számos kedvező tulajdonsággal rendelkezik, a nem megfelelő
mechanikai sajátságok (merev, törékeny) nagyban korlátozzák a kitozán film
felhasználását. [10]
Ennek kiküszöbölésére más, természetes vagy akár mesterséges polimerekkel
szokták társítani. Ilyen polimerek például:
PVP, itt is csak korlátozott felhasználásról beszélhetünk, lévén még mindig nem
teljesen megfelelőek a mechanikai tulajdonságok. [4]
PEG, szintén biológiailag összeférhető és nem toxikus; kitozán/PEG film
szabályozott hatóanyag-leadását vizsgálták [2]
Poliolok/glicerin, lágyítóként használják összetett filmek gyártásánál; A lágyító
használatának következtében csökken a rugalmassági modulusza és a
szakítószilárdsága a filmnek (30%-os lágyító tartalom mellett legfeljebb 50%-al
csökken), ellenben a relatív megnyúlás értéke növekszik (akár 150%-a is lehet az
eredeti értéknek) [9]
NaCMC, kitozánnal társítva oldható polielektrolitkomplex hozható létre, mellyel
javítható a membrán szeparációs eljárás hatékonysága [3]
Alginát, jó bevonatképző, kitozánnal képzett kétrétegű membránját dializáló
készülékekben alkalmazzák [13]
PVA, membránok, orvosbiológiai felhasználás [14]
2.4 Kitozán/zselatin hibrid filmek és egyéb rendszerek
A kitozánt szívesen társítják zselatinnal. Ennek talán az egyik fő oka az, hogy az így
készített hibrid filmeket, makro-, mikro- vagy nanorészecskéket, szálakat lio-, xero-, ill.
kriogél formában az orvosbiológia és a biotechnológia területén alkalmazzák.
Megjegyzendő, hogy folynak próbálkozások ehető, biológiailag lebomló csomagolóanyag
kifejlesztésére is.
9

Ezeket a csomagolóanyagokat aktív biofilmeknek nevezik és a kitozánt nem
kizárólag zselatinnal, hanem más anyagokkal is társítják: növényi és állati fehérjékkel,
poliszacharidokkal, antimikrobiális peptidekkel (pl.: kitozán - tápióka keményítő alapú
étkezési filmek és bevonatok, kitozán – tejsavó fehérje filmek, hal zselatin – kitozán filmek
stb.). [8]
A filmek tulajdonságait a polimer láncok között kialakuló kölcsönhatás befolyásolja. Sok
esetben hogy a polimerek kompatibilisek legyenek, azaz molekulárisan elegyedjenek
egymással.
4. ábra: Kölcsönhatások a polimer molekulák között; (a) kitozán molekulák között
kialakult térháló sematikus rajza, (b) különböző polimer molekulák között kialakuló
térháló sematikus rajza (hibrid polimer hálózat: HPN) [15] Vastag vonal: kitozán
molekulák, Vékony vonal: másik polimer, +: pozitív töltés
A 4. ábrán látható, hogy a kitozán polimer láncok egymással is képesek
kölcsönhatásba lépni, közöttük másodlagos inter- és intramolekuláris kötések alakulnak ki.
Egy hibrid polimer hálózatnál - amilyen például a kitozán/zselatin hibrid - szintén erős
intermolekuláris kölcsönhatás, hidrogénkötés lép fel a két polimer láncai között. A
kitozánt, más töltéssel nem rendelkező polimerekkel társítva szintén hidrogénkötések
alakulnak ki. A kötések kialakulása a polimer láncokon megtalálható amino-, hidroxil- és
karboxil csoportoknak köszönhető. Az így létrejött filmek hatóanyag leadási – és
mechanikai tulajdonságai jelentősen függnek a keresztkötések sűrűségétől.
10

A kölcsönhatásoknak köszönhetően egy hálószerű struktúra alakul ki, amely lehetővé
teszi a bioaktív vegyületek felvételét és ezen anyagok diffúzió útján történő kibocsátását.
[15]
Zselatinnal való kölcsönhatáskor csökken a kitozán kristályossága, melyet XRD
vizsgálattal igazoltak [11]. Az 5. ábrán látható, ahogyan nő a filmek zselatin tartalma, a
röntgen diffrakciós csúcsok intenzitása egyre csökken. Ebből arra lehet következtetni, hogy
a kitozán kristályossági foka csökken.
5. ábra: XRD felvételek; a) m-1 minta 0,3 kitozán tartalom, b) m-2 minta 0,5 kitozán
tartalom, c) m-3 minta 0,7 kitozán tartalom, d) m-4 minta/ kitozán membrán [11]
Kitozán/zselatin kriogél
A kitozán/zselatin hibrideket hidrogél képző tulajdonságuk következtében
kriogélek előállításához is felhasználják. A kriogél általában összekapcsolt
makropórusokból áll, ahol akadálytalanul áramolhatnak akár a nano-, akár a
mikroszemcsék is. Előállításuk az oldószer kristályosodási hőmérsékleténél alacsonyabb
hőfokon történik. A fagyasztás során a folyadék kristályok növekednek, felületük
11

találkozik, miközben a prekurzol-szol töményedik és megindul a gélesedési folyamat A
rendszert kiolvasztva összefüggő pórushálózatot kapunk. [16]
A kitozán/zselatin kriogéleket szövetek létrehozásához használják. A kriogélre
építik fel az élő szövetet és ezt ültetik vissza a páciensbe. A kriogél biológiailag lebomlik
és úgy viselkedik, mint egy extracelluláris mátrix, amely sablonként szolgál a
sejtadhézióhoz, a szöveti fejlődéshez és annak terjedéséhez. [17]
12

3 Kísérleti rész
3.1 Felhasznált anyagok
Kitozán/ zselatin hibrid filmek előállításához felhasznált anyagok
Kitozán, közepes mólsúlyú, 98%-ban deacetilezett, Aldrich;
Zselatin, egyéb információt nem tudtak róla megadni, Lágymányosi Patika;
Ecetsav, 100%-os, a.r., Merck;
NaOH, szemcsés, puriss., Reanal;
Desztillált víz
Duzzadási vizsgálatokhoz használt anyagok
PB puffer, saját készítésű*, Merck
NaAc-os puffer, saját készítésű**,
Merck
Térhálósításhoz használt anyagok
Trinátrium-citrát, a.t. ,
Reanal
* 0,2 M törzsoldat: 31,74 g/l NaH 2 PO 4 .H 2 O és 73,14 g/l Na 2 HPO 4 .12H 2 O, a.t.
** 0,1 M törzsoldat: 5,72 cm 3 /l ecetsavat és 13,6 g/l NaAc-ot , a.t.
1. táblázat: Különböző pH-jú puffer oldatok összetétele
Bemért törzsoldatok (ml)
pH AcOH NaAc NaH 2 PO 4 .H 2 O Na 2 HPO 4 .12H 2 O
4 84,7 15,3 - -
4,8 35,7 64,3 - -
5,8 5,2 94,8 - -
7,2 - - 28 72
8 - - 5,3 94,7
13

3.2 Felhasznált eszközök
1) Tára mérleg (Sartorius Laboratory)
2) Analitikai mérleg (Ohaus Explorer)
3) Ultrahangos kád (Elmasonic S 15 H)
4) Kézi pH mérő (Adwa AD11)
5) Video kamera (Elektro Optika Kft.)
6) Centrifuga (Orto Alresa)
7) Pásztázó elektronmikroszkóp (BAL TEC SCD 005 sputter coater; Philips XL30
FEG ESEM)
8) Szakítógép (Instron 5543)
3.3 Filmképzés
3.3.1 Film előállítása kitozán hidrogélből préseléssel
A munkám során kitozán hidrogélből próbáltam filmet előállítani préseléses
módszerrel. [11]
Kitozán hidrogél előállítása:
0,1 g kitozánt oldottam 100 ml 2 V/V%-os ecetsav oldatban. A kitozán oldatot állni
hagytam a polimer teljes feloldódásáig. Ezután elkezdtem lassan csepegtetni a 10m/V%-os
vizes NaOH oldatot a kitozán oldatba, addig amíg el nem értem a 11-es pH-t. Ekkor az
oldat kitozán hidrogél keletkezése következtében beopálosodott (fázis szeparáció)
történik?). A keletkezett gélszuszpenziót dekantálva mostam mindaddig, amíg a közeg pHja
7 lett. A szuszpenziót 3900-as fordulaton 40 percig centrifugáltam. A dekantálás
végeztével a felülúszót leöntöttem.
Kitozán/zselatin oldat és film preparálása:
2 m/V%-os zselatin oldatot készítettem, majd a hidrogélt a zselatin oldattal elegyítettem, és
50 o C-on kevertettem. Az oldatot szűrőpapíron leszűrtem, és megpróbáltam két műanyag
lap között filmmé préselni.
14

3.3.2 Film preparálása oldat öntéssel/elpárologtatással
(„Casting/solvent evaporation technique”)
Oldatok elkészítése:
2,5 g kitozánt oldottam 250 ml 1%-os ecetsav oldatban. Az így előállított oldat kitozánra
nézve 1%-os volt. 10 g zselatint oldottam 10 ml desztillált vízben melegítés közben.
Különböző összetételű filmek preparálása:
20 ml kitozán oldathoz hozzáadtam a választott arányoknak megfelelő zselatin oldatot,
valamint készítettem csak kitozánt és csak zselatint tartalmazó filmeket is. A mintákat
Petri-csészébe öntöttem, majd több napi levegőn való szárítás után spatula segítségével
leválasztottam a filmeket az üveg edényről, s az összetétel szerint borítékban tároltam őket.
Az alábbi mintákat állítottam elő:
2. táblázat: Kitozán/zselatin hibrid filmek összetétele és kódja; K: kitozán, KZs:
kitozán/zselatin hibrid, Zs: zselatin
Mintaazonosító Keverési arány (K/Zs)
K 1:0
KZs-2 1:0,5
KZs-1 1:1
KZs-0,5 0,5:1
Zs 0:1
3.3.3 A filmek térhálósítása
A filmeket száradás után feldaraboltam, majd analitikai mérlegen lemértem a
tömegüket. Ezután elkészítettem a 2%-os trinátrium-citrát oldatot, majd 20%-os ecetsavval
a pH-t 6-ra állítottam. A filmeket ebben a közegbe mártottam úgy, hogy a film teljes
felületét nedvesítse. 45 perc után a mintát kivettem az oldatból, desztillált vízzel mostam és
papírvattával leitattam. Az így készített filmek duzzadási tulajdonságait vizsgáltam.
15

3.4 Duzzadási vizsgálat
Az általam készített filmeken duzzadási vizsgálatokat végeztem. Ehhez
desztillált vizet és különböző puffer oldatokat használtam. A puffer oldatok pH-ja rendre a
következő volt: 4 pH; 4,8 pH; 5,8 pH; 7,2 pH; 8 pH.
1) A kész, kiszáradt filmből levágtam egy darabot, aminek analitikai mérlegen
lemértem a tömegét.
2) Majd Petri-csészébe tettem és 20 ml puffer oldattal/desztillált vízzel felöltöttem.
3) A filmet úgy helyeztem el, hogy minden oldalról levegőmentesen körbevegye a
duzzasztó közeg.
4) A mintákat 30 percig duzzasztottam, majd analitikai mérleg mellett kivettem őket a
duzzasztó folyadékból, papírtörlő segítségével leitattam a felesleges folyadékot és
lemértem a duzzasztott film tömegét.
5) Ezután óraüvegen/üveglapon/Petri-csészében szárítottam és a tömeg állandóság
beállta után visszamértem analitikai mérlegen.
A duzzadást a duzzadási aránnyal jellemeztem
(1)
3.5 Morfológiai vizsgálatok
A méréseket SEM-el végeztem. A felület vizsgálatához a filmből levágtam egy
tetszőleges méretű darabot, amit kétoldalú szénszalaggal ellátott mintatartóra ragasztottam.
A keresztmetszeti képhez a filmeket szakítottam, és ezeket a mintákat is hasonló módon
rögzítettem. Ez az eljárás nem tekinthető szabványosnak, az irodalom szerint a filmeket
folyékony nitrogénbe kéne mártani és aztán eltörni. [18] Mivel a mintáim nem vezetők,
ezért mérés előtt aranyozni kellett őket, s csak eztán helyezhettük be a mintatartót a
készülékbe. A vákuum beállása után elkészítettük a felvételeket.
16

3.6 Nedvesedési vizsgálatok
A szokásos módon képzett filmek nem bizonyultak megfelelőnek ezen vizsgálat
elvégzéséhez (nem volt vízszintes felület, amin mérni lehetett volna). Ezért a nedvesedési
vizsgálatokhoz új mintákat állítottam elő. Mikroszkóp tárgylemezeket vágtam félbe
üvegvágó segítségével és az elkészített oldatokat erre öntöttem rá, majd
szobahőmérsékleten szárítottam. Az így kapott filmek a vizsgálat során kezelhetőek voltak.
A mérést telített gőztérben végeztem ülő csepp módszerrel. Az üvegkalitkában lévő vattára
desztillált vizet csöpögtettem, majd lezártam egy fóliával és 30 percig hagytam állni. Ekkor
behelyeztem a mintát, s ismét rögzítettem a fóliát. Beállítottam a mikroszkóp lámpát, hogy
megfelelő megvilágításba helyezzem a filmet. A kamera összeszerelése és beüzemelése
után, Hamilton-fecskendő segítségével desztillált vízből 10 l-es cseppet építettem a film
felületére, közben digitális felvételt készítettem, amiből a későbbiek során a Pinnacle
Studio 9.4-es verziójú programmal kivágtam a szükséges képeket, majd a megfelelő
alkalmazás segítségével érintő módszerrel meghatároztam a peremszögeket. A
cseppfelépítési technikával haladó peremszögek közel maximális értékeit határoztam meg.
3.7 Mechanikai vizsgálatok
A mechanikai vizsgálatokhoz Instron 5543 szakítógépet használtam.
A szakítószilárdság méréséhez az általam elkészített próbatesten (5mm x 50 mm –es
filmcsík) statikus szakítóvizsgálatot végeztem. Ez azt jelenti, hogy a gép lassan,
fokozatosan növelte a húzóerőt, miközben rögzítette a minta feszültség-alakváltozás
diagramját. [19]
A szakítógépre az 50 N-os mérőfejet szereltem, majd a filmcsíkot a befogó pofákba
rögzítettem. (Hogy ki ne csússzon papírt hajtogattam a végére, rögzítés előtt.) A filmeket 1
mm/sec sebességgel szakítottam.
17

4 Kísérleti eredmények, eredmények értékelése
4.1 Az előkísérletek során nyert eredmények
A Kolloidkémia Csoportnál kitozánnal foglalkozó tanulmányok korábban nem
folytak, ezért nagyon fontos volt bizonyos előkísérletek elvégzése. A filmek tulajdonságát
nagymértékben befolyásolhatja a kitozán deacetilezettségi foka, molekulatömege és
sokszor az eredete is. Ezért az irodalomban megtalálható recepteket egy az egyben nem
tudtam alkalmazni.
Azt tapasztaltam, hogy a filmek desztillált vízben való duzzasztásakor, az
eredmények nagyon szórtak, ezért a duzzadási vizsgálatokat mindig puffer oldatban
végeztem.
4.1.1 Filmképzés
Film előállítása különböző technikákkal
A préseléses eljárást pár próbálkozás után elvetettem. Ennek oka, hogy az előállítás
hosszadalmas volt, és nem lehetett homogén, transzparens filmeket készíteni. Emellett nem
tudtam a megfelelő körülményeket biztosítani, ugyanis préselésre alkalmas szerkezet nem
állt rendelkezésemre.
Ezzel szemben az öntéses módszer alkalmazhatónak bizonyult. Kezdetben az
oldatot üveglapra öntöttem, de az így öntött filmeket nem lehetett szépen, egybefüggően
leszedni a felületről. Próbálkoztam műanyag lemezre való öntéssel is. Végül is a
filmképzést úgy hajtottam végre, hogy Petri - csészébe öntöttem és így egyenletes
vastagságú filmet kaptam. (A filmek vastagságát a sűrűséget 1-nek véve 30-35 µm-re
becsültük, de ezt az adatot nem használtuk fel)
18

Kevertetési idő és hőmérséklet hatása az előállított filmek duzzadására
A méréshez a KZs-1 kódú mintát használtam.
Az első esetben (KZs-1a) az oldatokat melegítettem, majd üvegbot segítségével
összekevertem és filmet öntöttem.
A második esetben (KZs-1b) a hőmérsékletet 55-60°C között tartva, 1 órán
keresztül kevertettem az oldatot.
A 3. táblázatban és a 6. ábrán jól látható, hogy a két módszer alkalmazásával
lényeges különbség nem tapasztalható az egyes filmek duzzadási tulajdonságaiban. Az
egyetlen szembeötlő eltérés, hogy a KZs-1b minta duzzadása 4,8-as pH-nál is mérhető
volt, ezzel szemben a KZs-1a minta ezen a pH-n beoldódott a puffer oldatba.
3. táblázat: Kevertetés körülményeinek hatása a duzzadási arányra eltérő pH-knál
Duzzadási arány
pH KZs-1a KZs-1b
4,0 - -
4,8 - 43,70
5,8 38,93 30,32
7,2 5,40 6,27
8,0 6,50 6,00
4.1.2 Térhálósítás hatása
Ismeretes, hogy a kitozán filmek duzzadása térhálósítással csökkenthető.
Megvizsgáltuk, hogy a hibrid filmek duzzadására egy többértékű anionnal való
térhálósítás miként hat. KZs-1 és KZs-2 jelű mintákat 2%-os trinátrium-citráttal
térhálósítottam. Az eredmények azt mutatták, hogy térhálósítás esetén a filmek jóval
kisebb mértékben duzzadtak, mint a nem térhálósított minták (7. ábra). Ennek oka az, hogy
a polimer molekulák között jóval sűrűbben fordulnak elő keresztkötések, melyek rögzítik a
láncokat, ezzel lecsökkentve a duzzadás mértékét.
19

Duzzadási arány
Térhálósított minta duzzadási aránya az
összetétel függvényében
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
KZs-2
KZs-2 térhálósított
KZs-1
KZs-1 térhálósított
10,00
0,00
Összetétel
7. ábra: Különböző összetételű (KZs-2 és KZs-1) térhálósított és nem térhálósított minta
duzzadási vizsgálatának eredményei. A duzzasztó oldat pH-ja 5,8.
20

4.2 Duzzadási vizsgálatok
Kitozán/zselatin tömegarány és pH hatása a duzzadásra
Az előkísérletek során bebizonyosodott, hogy a pH nagy szerepet játszik a filmek
duzzadásában. Ezért a duzzadást különböző (4-8 pH-jú) puffer oldatokban vizsgáltam.
Az eredményeket a 4. táblázatban valamint a 8. ábrán mutatom be. A méréseknél
gondot okozott a duzzadt filmek kivétele a folyadék közegből és a felületre tapadt víz
eltávolítása papírtörlővel. A megbízhatatlan eredményeket a táblázatban nem tüntettem fel.
A feltüntetett értékek szórása 10% körül volt.
4. táblázat: Összefoglaló táblázat, Duzzadási vizsgálatok különböző pH-kon és eltérő
összetételnél
Duzzadási arány
pH K KZs-2 KZs-1 KZs-0,5 Zs
4,0 - - - 55,43 5,38
4,8 - - - 32,77 4,61
5,8 - 66,41 38,93 18,53 4,18
7,2 11,68 7,26 5,40 6,20 4,75
8,0 5,13 4,94 6,50 6,35 4,60
Az 8. ábra jól szemlélteti a különböző összetételű filmek, eltérő pH-n mutatott
duzzadási arányát. A kitozán és a kitozán/zselatin hibrid filmek (K, KZs-2, KZs-1) savas
tartományban, bizonyos pH alatt oldódnak vagy szétesnek. Ennek oka az, hogy a kitozán
láncokon lévő amino csoportok savas közegben protonálodnak és a láncok között erős
taszítási kölcsönhatás működik. Mivel a kitozán pK-ja ~6 körüli érték, érthető, hogy a
kitozán film 7,2 pH-nál már hidrogélt képez, és a hidrogél duzzadása a pH növekedésével
csökken. Minden pH-nál mért duzzadási arány azt mutatja, hogy a zselatin tartalom
növelésével a filmek duzzadóképessége csökkent, amit feltehetően a két polimer molekulái
között fellépő intermolekuláris kölcsönhatás (hidrogén kötések) kialakulása eredményezett.
Adott összetétel mellett a pH növekedésével a duzzadási fok csökkent, mert a kitozán
töltéssűrűségének csökkenése kedvezett a molekulák közötti H- kötések, hálópontok
kiépülésének. A zselatin film duzzadására a pH változás kevésbé hat.
21

Duzzadási arány
Duzzadási arány az összetétel és a pH
függvényében
70
60
pH
50
40
30
20
10
0
4,0
4,8
5,8
7,2
8,0
K
KZs-2
KZs-1
KZs-0,5
Z
8. ábra: Duzzadási arány függése a pH-tól és az összetételtől, K: kitozán, Zs: Zselatin,
KZs: Kitozán/zselatin hibrid; Ahol a duzzadási arány 0, a filmek feloldódnak ill, szétesnek.
22

4.3 Morfológiai vizsgálatok
A kiválasztott mintákat pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltam,a mintákról
készült képeket a 9. ábra mutatja.
23

9. ábra: SEM felvételek, 1000x-es nagyítás; a) kitozán film felülete, b) kitozán film
keresztmetszeti képe, c) KZs-1 keresztmetszeti képe, d) zselatin keresztmetszeti képe; a
nyíl a film keresztmetszetét jelöli
Az a) képen a film felületéről készített kép látható. A felület teljesen sima,
homogén, amint az az irodalmi adatok alapján várható volt. [11] A b) képen látható
keresztmetszeti felvétel is a film homogenitására utal.
A kitozán és zselatin 1:1 arányú hibrid film ( c) ábra), - a mintaelőkészítés
hibájából adódó egyenetlenségektől eltekintve - homogén szerkezetet láthatunk.
A zselatin film esetében megfigyelhető a kéregképződés, mely további vizsgálatok
tárgyát képezheti.
A filmekről azért nem készültek nagyobb nagyítású képek, mert az arany bevonat
ellenére az elektron nyaláb egy idő után lyukakat égetett a filmbe, mely meghamisította
volna a mérési eredményeket.
24

4.4 Nedvesedési vizsgálatok
A kísérletileg meghatározott víz peremszögek haladó értékeit az 5. táblázatban
adtam meg. A peremszögek a tanulmányozott minták jelentős hidrofobitását mutatják,
értékük nagyobb, mint 90 o . A paralel mérések eredményeit átlagoltam és Excel
segítségével meghatároztam a szórásukat.
5. táblázat: A minták felületén nyert víz peremszögek haladó értékei; Minden egyes értéket
több cseppre kapott értékek átlagolásával nyertem. K: kitozán, KZs1: kitozán-zselatin
keverék, Zs: zselatin.
Film összetétele
Peremszög
K 92 4 o
KZs-1 117 8 o
Zs 117 6 o
Kitűnik a zselatin hidrofobizáló hatása. A vízlepergető hatás oka minden bizonnyal
a filmet alkotó molekulák orientációjával magyarázható: a makromolekulák poláris részei
befelé, míg apolárisabb részei a levegő fázis felé fordultak a száradás idején.
A cseppekről készített felvételek az 10., 11. és 12. ábrákon láthatóak. A
peremszögek csökkenésének és a cseppek alakváltozásának oka feltételezhetően az, hogy a
víz kölcsönhatásba lép a szubsztrátummal. Duzzasztja, ill. beoldja a polimert. Ez utóbbi
folyamat eredményeként nő a vízcsepp polimer tartalma. A folyadék feltehetően liogéllé
alakul, miközben a csepp peremvonalának körszimmetriája megszűnik, a csepp szabályos
alakja pedig idővel nagymértékben torzul. Jól megfigyelhető, hogy a duzzadás a kitozán
film (K jelű minta) esetében jóval gyorsabban megy végbe, mint a kompozit filmnél. A
vízcsepp alakja ebben az esetben időben torzul. Zselatin, ill. zselatin tartalmú filmekre
helyezett cseppek nem torzultak a vizsgálat időtartama alatt, ezek a filmek tehát
ellenállóbbnak mutatkoztak. Kitozán filmeken a peremszögek időbeli változása nem is
tanulmányozható, a cseppek gyorsan bekövetkező (30 másodpercen belüli) torzulása miatt.
25

Több közleményben is beszámolnak kitozán, ill. zselatin felületén nyert víz
peremszög adatokról. Ezek számottevően kisebbek az általam mért víz peremszög
értékeknél [5, 13]. A legtöbb közleményben azonban nem számolnak be a peremszög
mérés körülményeiről, így korántsem bizonyos, hogy az irodalomban megadott adatok a
peremszögek haladó értékei. Az összehasonlításra ezért nem nyílik lehetőség.
A kitozán filmeken megfigyelt jelenségek kiinduló pontként szolgálhatnak további
nedvesedési vizsgálatoknak. Nyilvánvaló ugyanis, hogy különböző összetételű, ill. pH-jú
vizes oldatok szubsztrátummal való kölcsönhatása más és más, amelyről a peremszögek
időbeli változása, ill. a torzulási folyamat elindulásának időpontja számszerűsíthető
információt adhatnak.
10. ábra: A kitozán filmen lévő csepp alakjának időbeli változása
11. ábra: Kitozán/zselatin kompozit filmen lévő csepp alakjának változása az időben
12. ábra: Zselatin film haladó peremszögéről készült felvétel
26

4.5 Mechanikai vizsgálatok
K, KZs-2, KZs-1 és KZs-0,5 jelű minták szakítószilárdságát vizsgáltam, az
eredmények 6. táblázatban találhatók. Zs film erősen töredezett, ezért nem tudtam a
szakítószilárdságát meghatározni.
KZs-1 jelű film esetén a szakítószilárdság 50 N feletti érték volt. A további
felhasználás szempontjából ez még előnyös lehet a biológiailag lebomló
csomagolóanyagok gyártásakor. Látható, hogy a legkevésbé ellenállónak a kitozán film
bizonyult, s a szakítószilárdság növekedését a zselatin adagolásával lehetett elérni.
6. táblázat: Összefoglaló táblázat; Különböző összetételű minták szakítószilárdsága; K:
kitozán, KZs: kitozán/zselatin kompozit
Minta
Szakítószilárdság (N)
K 16,86
KZs-2 20,24
KZs-1 > 50
KZs-0,5 31,15
A maximális szakítószilárdságot az 1:1 arányú kitozán/zselatin film mutatta.
27

5 Összefoglalás
Munkám célja a kitozán filmek tulajdonságainak módosítása, amit zselatinnal való
társítással kívántam elérni. Vizsgáltam a filmek duzzadását, morfológiáját, nedvesedési és
mechanikai tulajdonságát.
Az előkísérletek során több fontos tényező hatását tisztáznom kellett. Azt
tapasztaltam, hogy a preparációs módszer jelentősen befolyásolja az elkészült filmek
homogenitását, transzparenciáját. Vizsgálatok azt mutatták, hogy az oldat
öntéses/oldószer-elpárologtatásos („Casting/solvent evaporation technique”) technikát
használva sikerült homogén, átlátszó filmeket létrehozni.
A filmek duzzadását a duzzasztó közeg pH-ja jelentősen befolyásolja. A
duzzasztási vizsgálatokat széles pH tartományban (4 - 8-as pH) végeztem. Azt
tapasztaltam, hogy a kitozán film savas (pH 6) duzzasztó közegekbe beoldódik. Ezt a sok
tekintetben kedvezőtlen folyamatot különböző mennyiségű zselatin hozzáadásával
szabályozni lehetett. A zselatin arányának növelésével a filmek duzzadóképessége (adott
pH-nál) csökkent, amit feltehetően a két polimer molekulái között fellépő intermolekuláris
kölcsönhatás (hidrogén kötések) kialakulása eredményezett. Adott összetétel mellett a pH
növekedésével a duzzadási fok csökkent, mert a kitozán töltéssűrűségének csökkenése
kedvezett a molekulák közötti H- kötések, hálópontok kiépülésének. Trinátrium-citráttal
való térhálósítás után a kitozán/zselatin filmek duzzadási foka jelentős mértékben
csökkent.
A mintákról készült SEM felvételek alapján próbáltam a filmek morfológiájára
következtetni. A kitozán film felülete és belső szerkezete a képek alapján homogénnek
tűnt. A zselatin filmnél kéregképződésre utaló felületi réteg mutatkozott. A kitozán/zselatin
filmeknél - a mintaelőkészítés hibájából adódó egyenetlenségektől eltekintve - homogén
szerkezetet láthattunk.
28

A nedvesedési vizsgálatok során a kitozán filmek sajátságos tulajdonságának
köszönhetően, - miszerint a cseppek alakja időben torzul, duzzadás játszódik le - csak a
kezdeti, haladó peremszögeket lehetett meghatározni. Megmutatkozott a zselatin
hidrofobizáló tulajdonsága, melyet a molekulán belüli poláris és apoláris csoportok eltérő
orientációja eredményezett.
A mechanikai vizsgálatok igazolták, hogy a zselatin adagolásával kedvezőbbé
tehetőek a kitozán tulajdonságai. A szakítószilárdság az 1:1 összetételű hibrid film
esetében volt a legnagyobb, az 1:0 összetételű filmnél (kitozán) pedig a legkisebb. A
zselatin szakítószilárdságát a minta törékenysége miatt nem lehetett meghatározni.
29

Irodalomjegyzék
[1] http://www.pointernet.pds.hu/ujsagok/transpack/2007/12/20080116231359560000007630.
html.
[2] Controlled release of ciproXoxacin hydrochloride from chitosan/polyethylene glycol blend films.
Qun Wang, Zhanfeng Dong, Yumin Du, John F. Kennedy. 2007., Carbohydrate Polymers 69,
336–343.
[3] Synthesis and characterization of soluble chitosan/sodium carboxymethyl cellulose
polyelectrolyte complexes and the pervaporationdehydration of their homogeneous membranes .
Qiang Zhaoa, Jinwen Qiana, Quanfu Ana, Congjie Gaob , Zhangliang Guia, Huangtao Jina. 2009.,
Journal of Membrane Science 333, 68–78.
[4] Preparation, characterization and surface pKa values of, poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)/chitosan
blend films . Serkan Demirci, Ali Alaslan, Tuncer Caykara. 2009., Applied Surface Science 255,
5979–5983.
[5] Studies of chitosan: II. Preparation and characterization of chitosan/poly(vinyl alcohol)/gelatin
ternary blend films . Cheng-Ho Chen, Fang-Yu Wanga, Ching-Feng Maoa, Wei-Tung Liao, Ching-
Dong Hsieha. 2008., International Journal of Biological Macromolecules 43, 37–42.
[6] Antimicrobial properties of chitosan and mode of action: A state of the art review. Ming Kong,
Xi Guang Chen, Ke Xing, Hyun Jin Park. 2010., International Journal of Food Microbiology 144,
51–63.
[7] Schematic drawing of the enzymatic synthesis of Chitosan. NEUROtiker. 2008., Wikipédia.
[8] Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry:
Review. Aider, Mohammed. 2010., LWT - Food Science and Technology 43, 837–842.
[9] Chitosan and gelatin based edible films: state diagrams, mechanical and permeation
properties. Ioannis S. Arvanitoyannis, Atsuyoshi Nakayama, Sei-ichi Aiba. 1998., Carbohydrate
Polymers 37, 371–382.
[10] Study on physical properties and nerve cell affinity of composite films from chitosan and
gelatin solutions. Mingyu Cheng, Jinguang Deng, Fei Yang, Yandao Gong, Nanming Zhao, Xiufang
Zhang. 2003., Biomaterials 24, 2871–2880.
[11] Preparation and characterization of novel chitosan/gelatin membranes using chitosan
hydrogel. H. Nagahama, H. Maeda, T. Kashiki, R. Jayakumar, T. Furuike, H. Tamura. 2009.,
Carbohydrate Polymers 76, 255–260.
30

[12]Composite and bi-layer films based on gelatin and chitosan. S. Rivero, M.A. García, A. Pinotti.
2009., Journal of Food Engineering 90, 531–539.
[13] Evaluation of Alginate coated Chitosan Membrane for Guided Tissue Regeneration. Shyh
Ming Kuo, Shwu Jen Chang, Yun Ting Hsu, Ta Wei Chen. 2005., Engineering in Medicine and
Biology 27th Annual Conference .
[14] Evaluation of chitosan/PVA blended hydrogel membranes . Jen Ming Yang, Wen Yu Sua, Te
Lang Leub, Ming Chien Yangb. 2004., Journal of Membrane Science 236, 39–51 .
[15] Structure and interactions in covalently and ionically crosslinked chitosan hydrogels for
biomedical applications. J. Berger, M. Reist, J.M. Mayer, O. Felt, N.A. Peppas, R. Gurny. 2004.,
European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 57, 19–34.
[16] Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest. Vladimir I. Lozinsky,
Igor Yu. Galaev,Fatima M. Plieva,Irina N. Savina,Hans Jungvid,Bo Mattiasson. 2003., TRENDS in
Biotechnologie 21(10), 445-451.
[17] Synthesis and characterization of elastic and macroporous chitosan–gelatin cryogels for tissue
engineering. Neeraj Kathuria, Anuj Tripathi, Kamal K Karb, Ashok Kumar. 2009., Acta
Biomateriala 5, 406-418.
[18] Electrically treated composite FILMS based on chitosan and methylcellulose blends. M.A.
Garcia, A. Pinotti, M. Martino, N. Zaritzky. 2009., Food Hydrocolloids 23, 722–728.
[19] http://hu.wikipedia.org/wiki/Szak%C3%ADt%C3%B3szil%C3%A1rds%C3%A1g.
31