CC BY
143
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
НАНОМИКРОКОМПОЗИЦИОННЫЕ РАНЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ КОЛЛАГЕНА И КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ
A. Н. ИВАНКИН, проф. каф. химии и биотехнологии МГУЛ, д-р хим. наук,
B. И. ПАНФЕРОВ, доц. каф. электроэнергетики лесных комплексов МГУЛ, канд. техн. наук, Х.А. ФАХРЕТДИНОВ, декан факультета МХТД, канд. техн. наук,
Н.Л. ВОСТРИКОВА, зав. лаб. ВНИИМП им. В.М. Горбатова, канд. техн. наук,
А.В. КУЛИКОВСКИИ, зам. зав. лаб. ВНИИМП им. В.М. Горбатова, канд. техн. наук,
П.М. ГОЛОВАНОВА, ст. научн.сотрудникВНИИМП, канд. техн. наук
aivankin@mgul.ac.ru, panferov@mgul.ac.ru, wood@mgul.ac.ru, nvostrikova@list.ru ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова»
109316, Москва, ул. Талалихина, 26
Разработка эффективных перевязочных средств для медицины является актуальной проблемой. Важнейшие характеристики таких материалов - хорошая биосовместимость и обеспечение асептики открытых ран различной сложности. Традиционные перевязочные средства требуют многократной замены в процессе лечения, не обладают достаточной гидрофильностью к биологическим жидкостям и не являются активными материалами, способствующими интенсивному заживлению. Исследования последних лет показали, что в качестве основы современных тканевых покрытий целесообразно использовать природные биополимеры, в первую очередь белки и полисахариды, а также их модифицированные формы. Использование в качестве основы для медицинских покрытий синтетических полимерных материалов ограничено высокой гидрофобностью и наличием остатков токсичных мономеров, из которых обычно получают синтетические полимеры. Целью данной работы являлось создание биологически активного покрытия на основе коллагена и добавок, влияющих на интенсификацию заживления ран. В качестве материалов-носителей использовали животный коллаген и карбоксиметилцеллюлозу. Описан процесс получения губчатых пленочных покрытий медицинского назначения на основе интерполимерного совмещения коллагена и карбоксиметилцеллюлозы с включениями бактериостатиков на основе наночастиц серебра, хлоргексидина и глутарового диальдегида. Показано, что защитный композит, представляющий собой тонкую стерильную микропористую губку толщиной до 5 мм, при нанесении на открытые раны способствует регенерации ткани в условиях, обеспечивающих интенсивное заживление. Испытания показали, что покрытие на основе коллагена, карбоксиметилцеллюлозы, хлоргексидина и наносеребра обладает поглотительной способностью влаги -46,0 г/г, высокой скоростью смачиваемости 42 с, антимикробной активностью по стафилококку 4мм, с оптимальным сроком заживления раны -10 сут. Губчатое раневое покрытие на основе индивидуального коллагена с антисептиком хлоргексидином обладало поглотительной способностью к физиологическим жидкостям на уровне 38 г/г, скоростью смачивания 300 с, активной резистентностью к стафилококку 1 мм и средним сроком заживления раны около двух недель.
Ключевые слова: раневые покрытия, медицинские наномикрокомпозиты, коллаген, карбоксиметилцеллюлоза, наносеребро.
Разработка эффективных перевязочных средств для медицины является актуальной проблемой. Важнейшие характеристики таких материалов - хорошая биосовместимость и обеспечение асептики в условиях защиты открытых ран различной сложности.
Традиционные перевязочные средства на основе хлопковых материалов требуют, как правило, многократной замены в процессе лечения, не обладают достаточной гидрофильностью к биологическим жидкостям и не являются активными материалами, способствующими интенсивному заживлению.
Исследования последних лет показали, что в качестве основы современных биологически активных раневых покрытий целесообразно использовать природные биополимеры, в качестве которых лучше всего применять природные белки [1], полисахариды [2], а также их модифицированные формы. Использование в качестве основы для медицинских покрытий синтетических полимерных материалов, как правило, ограничено высокой гидрофобностью полимеров, их плохой набухаемостью, а также наличием остатков, как правило токсичных мономеров, из которых обычно получают синтетические полимеры.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
41
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Разработки последних лет показывают, что включение в композиции на основе природных биополимеров физиологически активных веществ, способствующих интенсивной регенерации ткани, а также обладающих высокой бактериостатической активностью, позволяет создавать высокоэффективные перевязочные материалы для быстрого заживления поврежденных тканей человека [3-5].
Целью данной работы являлось создание биологически активного покрытия на основе коллагена и активных растительных добавок, влияющих на интенсификацию заживления ран.
В качестве основных материалов-носителей использовали природный коллаген животного происхождения, а также модифицированный древесный компонент - карбоксиметилцеллюлозу, являющуюся продуктом карбоксилирования древесной целлюлозы [5].
Коллаген для покрытий получали следующим образом. Гольевый спилок шкур крупного рогатого скота промывали проточной водой, измельчали на куски 5*5 см. Затем проводили щелочно-солевую обработку коллагана для удаления низкомолекулярных белков и пептидов. Обработку осуществляли раствором, содержащим 5 % NaOH и 10 % NaCl в течение 48 ч при постоянном перемешивании, гидромодуль 3. После обработки щелочно-солевую смесь сливали, а сырье промывали проточной водой до рН 8,0±0,5. Промытое сырье подвергали обработке 24 ч 1М раствором уксусной кислоты с гидромодулем 2, затем отмывали водой до рН 3,5±0,5. Далее сырье диспергировали на волокна в воде с одновременным осаждением при рН 5,5. Диспергирование осуществляли на измельчителе тканей РТ-2 с числом оборотов 1000 об/мин в емкости 1 л в течение 1 ч. Осаждение волокон коллагена осуществляли путем подачи сжатого газа в нижнюю часть емкости с разволок-ненной массой, доводили рН до 5,5 добавлением 40 %-ного раствора едкого натра. Массу коллагена отжимали до влажности 93 %. Готовили 3 % дисперсию коллагена в
0,5 %-ном растворе NaOH. Систему гомогенизировали при перемешивании в емкости, добавляли 1М раствор уксусной кислоты до рН 4,3, затем добавляли 1 % к массе пасты 10 %-ного водного раствора глутарово-го диальдегида, 0,5 % водного 10 %-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы и\или без добавления 0,1-1,5 % к массе смеси 1 %-го водного раствора нитрата серебра и 0,1 % хлоргексидина. Полученную дисперсию заливали в емкость с толщиной слоя в 1 см, замораживали при температуре -20 оС и лиофилизировали 8 ч. Продукт промывали в проточной воде, отжимали до влажности 45±0,5 % и высушивали естественным образом на воздухе при комнатной температуре. Мягкая, мелкопористая губка от светложелтого до черного цвета имела прочность 0,06 МПа при относительном удлинении при разрыве 16 %, влагопоглощение 60 мл/г, паропроницаемость 22 мг/см2ч.
Образующиеся в процессе взаимодействия глутарового диальдегида и нитрата серебра наночастицы Ag анализировали методом светорассеивания по Рэлею [6-8].
Размер частиц коллагеновой матрицы оценивали при помощи оптического микроскопа «SK14» PZO (Польша) - объектив *40, с использованием видеокомпьютерной системы анализа изображения «ВидеоТестМорфология 4,0», позволяющих наблюдать объекты с минимальным размером частиц >100 нм (0,1 мкм).
Бактериальный анализ выполняли стандартными микробиологическими методами [9, 10].
Полученную мелкопористую пленку упаковывали в пакеты из полиэтиленовой пленки и подвергали газовой стерилизации оксидом этилена.
В работе использовали гольевой спилок шкур крупного рогатого скота (ТУ 17-0689-83) а также натрия гидроксид (ГОСТ 422877), натрия хлорид (ГОСТ 4233-77), уксусную кислоту (ГОСТ 1814-74), глутаровый диальдегид 50 % водн. раствор (W512303 Fluka), нитрат серебра (ГОСТ 1277-75), карбоксиме-тилцеллюлозу (С5678 Sigma), хлоргексидин (C1510000 Fluka).
42
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Таблица
Свойства покрытий на основе коллагена и карбоксиметилцеллюлозы Properties of coatings based on collagen and carboxymethylcellulose
Наименование Ха рактеристики
Поглотительная способность, г/г Скорость смачиваемости, с Антимикробная активность по стафилококку, мм Сроки заживления раны, сутки
Покрытие на основе коллагена, карбоксиметилцеллюлозы, хлор-гексидина и наносеребра 46,0 42 4 10
Раневое покрытие губчатое на основе коллагена с хлоргексидином 38,0 300 1 14
Перспективными средствами для излечивания ран на кожных покровах являются рассасывающиеся адсорбирующие покрытия, имеющие в своем составе лекарственные средства. Это дает возможность целенаправленно влиять на протекание заживления ран.
Известно, что наличие наночастиц металлов переменной валентности придает системам биопротекторные свойства [8, 9]. Представлялось интересным оценить результат образования наночастиц серебра в коллагеновой матрице в присутствии глутарового альдегида. Моделирование смеси нитрата серебра с альдегидом в использованных соотношениях позволило оценить размеры образующихся частиц Ag.
Для оценки нанодисперсности компонентов использовали известный подход, основанный на изменении оптических свойств
дисперсной системы при поглощении электромагнитного излучения, описываемый по методу Рэлея. Для суспензии со сферическими частицами уравнение Рэлея можно написать в виде
IJI0 = 24nW • [(п2 - п22у{пх2 +
где I - полная интенсивность света, рассеянного 1 см3 системы в 1 сек;
X - длина волны света, см; п1 - показатель преломления дисперсной фазы, который равен 1,333; п2 - показатель преломления дисперсионной фазы (принимали равным как среднее значение из выборки 1,3 - 1,7. nD20 = 1,5);
Соб - объемная доля дисперсной фазы;
V - объем частицы, см3.
Учитывая, что мутность т = Ip/Io численно равна световой энергии, рассеиваемой
Рисунок. Ранозаживляющее покрытие на основе коллагена Figure. Wound-healing coating based on collagen
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
43
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
1 см3 раствора во всех направлениях, а также то, что уравнение Рэлея выполняется для очень разбавленных систем, [т] = lim (т/Соб ), Соб ——0 в работе использовали дополнительное разбавление дисперсии 1:2000... 1: 10000 при X = 620 нм для построения зависимостей соотношений т/Соб от Соб. В данных координатах экстраполяцией при Соб —0 устанавливали т/Соб и далее вычисляли приблизительный диаметр изучаемых частиц так, как это описано в работах [6, 11].
Результаты модельных испытаний показали, что в коллагеновой матрице при смешении раствора AgNO3 с глутаровым диальдегидом химической формулы OHC(CH2)3CHO образуются наночастицы Ag с условным диаметром 30-50 нм.
Микроскопирование готового покрытия показало, что в смешанной интерполимерной матрице животного коллагена с карбоксиметилцеллюлозой содержатся волоконные образования диам. 0,5- 70 мкм и условно линейными размерами до 2 мм.
Важнейшими свойствами раневых покрытий является их бактерицидность. Поведенные биологические испытания показали, что при добавлении 0,1 % нитрата серебра, радиус чистой зоны колонии в бактериальном анализе составлял менее 1 мм, а при добавлении 1,5 % AgNO3 и 0,1 % антисептика хлор-гексидина бактерицидность, оцениваемая по радиусу чистой зоны, оказывалась равной 5-6 мм.
Важнейшие биомедицинские характеристики полученных твердых раневых покрытий представлены в таблице. Видно, что покрытия обладают достаточно высоким влагопоглощением с сохранением приемлемой асептики.
На рисунке представлен образец раневого губчатого покрытия на основе коллагена и карбоксиметилцеллюлозы с добавлением 0,1 % нитрата серебра.
Таким образом, в результате исследований удалось получить гомогенизированный наномикрокомпозит с включенными в интерполимерный каркас коллагена и карбоксиме-тилцеллюлозы наночастицами серебра. Проведенные исследования позволили разработать
ранозаживляющий материал, который достаточно эффективно способствует восстановлению поврежденного кожного покрова и может быть использован в медицинских целях.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ.
Библиографический список
1. Neklyudov A.D. Properties and uses of protein hydrolysates / A.D. Neklyudov, A.N. Ivankin, A.V Berdutina // Applied Biochemistry and Microbiology. - 2000. - V 36. - № 5. - P. 452-459.
2. Иванкин, А.Н., Васюков С.Е., Панов В.П. Получение, свойства и применение хондроитинсульфатов / А.Н.Иванкин, С.Е.Васюков, В.П.Панов // Хим. фарм. ж.
- 1985. - № 3. - С. 192-202.
3. Пат. 2104038 Российская Федерация, МПК7 A61L15/20. Средство для лечения ран / А.А. Адамян, П.М. Голованова; патентообладатель Институт хирургии им. А.В.Вишневского РАМН. - № 95112784/14; заявл. 26.07.95; опубл. 10.02.98, Бюл. 2002, № 22.
4. Пат. 2020933 Российская Федерация, МПК7 A61K31/14. Стимулятор репаративной регенерации тканей / С.А. Силаева, Б.Я. Хацернова, В.А. Голенченко, А.В. Гав-рильчак, М.Я. Розкин, В.С.Ефимов, П.М. Голованова, А.С. Иванова; патентообладатель Силаева С.А.
- № 5044859/14; заявл. 29.05.92; опубл. 15.10.94. Бюл. 2000, № 27.
5. Пат. 2071788 Российская Федерация, МПК7 A61L15/32. Средство для лечения ран / А.А. Адамян, С.В. Добыш, ГВ. Поликахина, И.А. Аргуновский, П.М. Голованова, Л.Р. Макарова, Н.Н. Тузова; патентообладатель ООО НТЦ Риза. - 95113977/14; заявл. 21.08.95; опубл. 20.01.97. Бюл. 2002, № 15.
6. Лиханова, Л.М. Определение размера наночастиц композиционных материалов методом корреляционной спектроскопии / Л.М. Лиханова, Беляков В.А., Семенов Ю.П., Иванкин А.Н. // Технология и оборудов. для переработки древесины: сб. науч. тр. - Вып. 358. -М.: МГУЛ, 2012.- С. 162-170 .
7. Пат. 96372 U1 Российская Федерация, МПК7 C12N11/12. Устройство для определения размера наночастиц в жидкости/ А.Н. Иванкин, Г. Л. Олиференко; патентообладатель МГУЛ - № 2010107353/22; заявл. 01.03.10; опубл. 27.07.10. Бюл. 2010, № 21.
8. IvankinA. N. Nano, micro transformations oftermo degraded products of wood and their influence on the safety of food / A. N. Ivankin, A.V. Kulikovsky, N.L. Vostrikova, I.M. Chernucha, O.L. Figovsky, V.A. Belaykov, L.M. Lihanova. // Journal Scientific Israel - Technological Advantages.
- 2013. - V 15. - № 2. - P. 56 - 62.
9. Серов, А.В. Антимикробный препарат на основе наносеребра // Мясная индустрия. - 2010. - № 2. - С. 29-32.
10. Sarkar S. Facile synthesis of silver nano particles with highly efficient anti-microbial property / S. Sarkar, A.D. Jana, S.K. Samanta, G. Mostafa // Polyhedron. - 2007. - V 26. - № 15.
- P. 4419 - 4426.
11. Иванкин, А.Н. Гидролиз нанобиомакромолекулярных систем / А.Н Иванкин. А.А. Красноштанова. - М.: МГУЛ, 2010. - 396 с.
44
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
NANO MICRO COMPOSITE WOUND COVERINGS ON THE BASIS OF COLLAGEN AND CARBOXYMETHYLCELLULOSE
Ivankin A.N., Prof. MSFU, Dr. Sci. (Tech.); Panferov V.I., Assoc. Prof. MSFU, Ph.D (Tech.); Fahretdinov H.A., Assoc. Prof. MSFU, Ph.D (Tech.); Vostrikova N.L., Assoc. Prof., Chief of The V.M. Gorbatov VNIIMP lab., Ph.D (Tech.); Kulikovskii A.V., Assoc. Prof., Chief of The V.M. Gorbatov VNIIMP lab., Ph.D (Tech.); Golovanova P.M., Senior researcher of The V.M. Gorbatov VNIIMP lab., Ph.D (Tech.)
aivankin@mgul.ac.ru, panferov@mgul.ac.ru, wood@mgul.ac.ru, nvostrikova@list.ru Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow reg., Russia, The Gorbatov’s All-Russian Meat Research Institute (VNIIMP) 26, Talalikhina str., 109316, Moscow
The development of the effective dressing materials for medicine is an actual problem. The major characteristics of such materials are the good biocompatibility and provision of the aseptic properties of the open wounds of various complexity. Traditional dressing means demand repeated replacement during treatment, do not possess the sufficient hydrophilicity to biological liquids and are not active materials promoting intensive healing. Resent research has shown, that it is expedient to use natural biopolymers, primarilyfibers and polysaccharides, and their modifiedforms as a basis of modern fabric coverings. Usage of synthetic polymeric materials as a basis for medical coverings is limited by high water repellency and the presence of the vestiges of toxic monomers from which synthetic polymers are usually synthesized. The aim of this work was the creation of biologically active collagen-based coatings and additives influencing the intensification of wound healing. Animal collagen and carboxymethyl cellulose were used as a carrier material. The process of obtaining porous film coverings of medical purpose based on the interpolymeric combination of collagen and carboxymethylcellulose with inclusions of bacteriostatics on the basis of silver nano particles, chlorhexidine and glutaraldehyde is described. The article shows that the protective composite representing a thin, sterile, microporous sponge up to 5 mm thick, at drawing on the open wounds promotes regeneration of fabric in the conditions providing intensive healing. Tests have shown, that collagen-based covering with carboxymethylcellu-lose, chlorhexidine and nano silver possesses absorbing ability of a moisture of 46.0 g/g, high speed of wettability of 42 sec, antimicrobic activity on aureusy of 4 mm, with optimum for healing of a wound of 10 days. The covering spongy collagen on the basis of individual collagen with an antiseptic chlorhexidine possessed the absorbing ability to physiological liquids at a level of 38 g/g, speed of wetting of300 sec, active resistency to aureusy of 1 mm and an average for healing of a wound of about two weeks.
Keywords. Wound Dressings, Medical Nano Micro Composite, Collagen, Carboxymethyl Cellulose, Nano Silver.
References
1. Neklyudov A.D., IvankinA.N., Berdutina A.V. Properties and uses of protein hydrolysates. Applied Biochemistry and Microbiology, 2000, vol. 36, no 5, pp. 452-459.
2. Ivankin A.N., Vasyukov S.E, Panov V.P. Poluchenie, svoystva i primenenie khondroitinsul’fatov [Producing, property and application of hondroitin sulpates]. Chem. Pharm. J. (Rus), 1985, no. 3, pp. 192-202.
3. Adamyan A.A. et al. Pat. 2104038 RossiyskayaFederatsiya, MPK7A61L15/20. Sredstvo dlya lecheniya ran [Means for treatment of wounds]. Patent RF no. 2104038, 1995.
4. Silaeva S.A. et al. Pat. 2020933 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 A61.01/14. Stimulyator reparativnoy regeneratsii tkaney [The stimulator for regenerations of fabrics]. Patent RF no. 2020933, 1992.
5. Adamyan A.A. et al. Pat. 2071788 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 A61L15/32. Sredstvo dlya lecheniya ran [Means for treatment of wounds]. Patent RF no. 2071788, 1995.
6. Lihanova L.M., Beliakov V.A. Semenov Yu.P., Ivankin A.N. Opredelenie razmera nanochastits kompozitsionnykh materialov metodom korrelyatsionnoy spektroskopii [Determining the size of nanoparticles composites using correlation spectroscopy]. Trudy MGUL «Tehnologia dlia pererebotki drevesini» [Proc. of the MSFU «Technology and equipment for wood processing»], 2012, vol. 358, pp. 162-170 (in Russian).
7. Ivankin A.N., Oliferenko G.L. Pat. 96372 U1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 C12M1/12. Ustroystvo dlya opredeleniya razmera nanochastits v zhidkosti [The device for definition of the size of nano particles in a liquid]. Patent RF no. 96372 U1, 1995.
8. Ivankin A.N., Kulikovskii A.V., Vostrikova N.L., Chernucha I.M., Figovsky O.L., Belaykov V.A., Lihanova L.M. Nano, micro transformations of termo degraded products of wood and their influence on the safety of food. Journal Scientific Israel - Technological Advantages, 2013, vol. 15, no. 2, pp. 56-62.
9. Serov A.V. Antimikrobniypreparap na osnove cerebra [Antimicrobic preparation on the basis of nano Ag]. Myasnaya Indystria [Meat Industry], 2010, no.2, pp. 29-32.
10. Sarkar S., Jana A.D., Samanta S.K., Mostafa G. Facile synthesis of silver nano particles with highly efficient anti-microbial property. Polyhedron, 2007, vol. 26, no.15, pp. 4419 - 4426.
11. Ivankin A.N., Krasnoshtanova A.A. Gidroliz nanobiomakromolekulyarnykh sistem [The hydrolysis of nano bio macro molecular systems]. Moscow, MGUL Publ., 2010. 396 p.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
45
