Потери крови при сильных кровотечениях остаются частой причиной смертей, и сегодня хоть и существует большое количество кровоостанавливающих материалов каждый из них обладает своими недостатками — например, плохой биосовместимостью или низкой сорбционной емкостью. Химики из РХТУ им. Д.И. Менделеева синтезировали новый материал на основе биополимеров хитозана и альгината, а также наночастиц серебра, который может не только эффективно купировать кровотечения, но и обладает выраженной антибактериальной активностью. Статья опубликована в августе в журнале International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials.
Результаты микробиологических тестов альгинат-хитозановых гелей с наночастицами серебра, синтезированными культурами (а) Fusarium nivale (b) Fusarium oxysporum
Кровотечения до сих пор остаются серьезной медицинской опасностью и служат причиной более чем 30% смертей от ран. Чтобы остановить кровотечение нужен гемостатический материал, который можно легко закрепить на ране и так с одной стороны изолировать ее, чтобы ускорить заживление, а с другой обеспечить отвод жидкостей и защиту от инфекции. Существует много различных гемостатических материалов, но большинство из них сфокусировано только на быстрой остановке кровотечения, и плохо подходит для более долгосрочного лечения. Российские ученые предложили новый материал из трех компонентов: альгината и хитозана -биополимеров, выделяемых из водорослей и панцирей ракообразных, соответственно, а также наночастиц серебра. При этом последние получали не стандартным химическим методом, а с помощью биологического синтеза: гранулы наносеребра производили грибы, которые выращивали в среде, богатой ионами серебра.
“На основе альгината создают гидрогели — нерастворимые в воде губки, способные набирать и отдавать большие объемы жидкости”, — рассказывает первый автор работы, доцент РХТУ им. Д.И. Менделеева, Мария Гордиенко. “Но, чтобы эти губки не растворялись в воде их структуру нужно сшить с помощью сшивающих агентов, которыми чаще всего выступают разные токсичные химические реагенты, а мы заменили их на хитозан. Он образует связи с альгинатом, что приводит к формированию геля, который сохраняет свою стабильность и при погружении в раствор. Кроме того, хитозан обладает антибактериальным эффектом, способствует связыванию компонентов крови и заживлению ран. Наконец, наночастицы серебра придают гелю дополнительный антибактериальный эффект — так, в сумме мы получили новый гемостатический материал с высокой биосовместимостью и хорошо выраженными антибактериальными свойствами. При этом его технология получения обеспечивает сохранение разветвленной макропористой структуры и как результат высокую сорбционную емкость”.
Схема получения альгинат-хитозановых гелей с наночастицами серебра
Синтезированные гели выглядят как пористая губка толщиной до 5 мм. Их можно нанести на открытые раны, чтобы быстро купировать кровотечение и одновременно защитить от инфекции. При этом губка способна впитывать большие объемы жидкостей, выделяющихся из ран, сохраняя свою механическую стабильность. Потом при необходимости — например, если хирургу нужно провести операцию и зашить рану — губку можно легко удалить.
Все от природы: преимущества и перспективы нового материала
Основная новация российских исследователей — это многостадийный процесс синтеза, который до этого не применялся для гемостатических материалов. Сначала они получали растворимый гидрогель альгината с наночастицами серебра, потом криоструктурировали его — то есть охлаждали материал до -20С в результате чего внутри губки образовывалась первичная система каналов. Далее материал приводили в контакт с раствором хитозана и при постепенном оттаивании при -5 С молекулы хитозана связывались с альгинатом и так сшивали систему уже в нерастворимую сетчатую губку. Дальше смесь снова замораживали до -20С и высушивали сублимацией, чтобы получить конечный материал.
В серии экспериментов ученые оценили перспективность нового материала для остановки кровотечения. Оказалось, его пористость составляет до 50%, то есть на суммарный объем всех пор приходится половина всего объема геля, за счет чего он эффективно впитывает жидкости. При этом альгинат-хитозановые гели остаются нерастворимыми и механически стабильными при значениях рН и температуры, характерных для ран, поэтому он подходит для этих условий. Наконец, отдельно изучали антибактериальные свойства гелей. Их помещали в чашки Петри, с тремя типичными культурами патогенов (Золотистый стафилококка Staphylococcus aureus, синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa и восковая бациллы Bacillus cereus). Спустя 24 часа нахождения гелей в среде бактерий, ученые оценивали размеры и форму свободных зон вокруг образцов: чем больше размер зоны, тем сильнее антибактериальный эффект. Оказалось, что альгинат-хитозановые губки с наночастицами серебра обладают выраженными антибактериальными свойствами, в то время как у губок без добавления серебра их нет.
Экспериментов на реальных ранах, для которых нужны лабораторные животные, ученые пока не проводили. Однако по совокупности других данных уже можно говорить о перспективности нового материала для остановки кровотечений. “Спектр материалов, которые используются для обработки ран очень большой”, — говорит Гордиенко. “И основные отличия нашего материала это его действительно высокая сорбционная емкость и биосовместимый способ получения без химических сшивающих агентов — природный альгинат, природный хитозан и наночастицы микробиологического серебра”.
В августе исследователи получили положительное решение о выдаче патента на материал и способ его получения и в данный момент проводят экономическую оценку ее перспектив, разрабатывают лабораторный регламент синтеза нового материала. В дальнейшем они планируют не только провести эксперименты на животных, но и модифицировать гели таким образом, чтобы в них появились поры различных размеров и материал можно было использовать для задачи разделения крови на фракции.
РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также кафедры биотехнологии в рамках Госзаказа (Министерство науки и высшего образования РФ).