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-х...

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 на...

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).

Статья: M.G. Gordienko et al, The alginate–chitosan composite sponges with biogenic Ag nanoparticles produced by combining of cryostructuration, ionotropic gelation and ion replacement methods, International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, 2020. DOI: 10.1080/00914037.2020.1798439