CC BY
63
ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПОРТАТИВНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКСТРАКОРПОРАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ
БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ОРГАНИЗМА ОТ ТОКСИНОВ И ВИРУСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ
Яновский Ю.Г., Данилин А.Н., Захаров А.П., Жогин В.А.
Институт прикладной механики РАН, г. Москва e-mail: [email protected] Алёхин А.И., Гончаров Н.Г.
Центральная клиническая больница РАН, г. Москва e-mail: [email protected]
Известно, что в нано- и микроразмерные частицы вещества обладают рядом уникальных физико-химических свойств, в том числе, необычно большой удельной поверхностью и высокой адсорбционной активностью. Частицы могут быть электрически заряженными, иметь магнитные свойства, что усиливает процессы адсорбции на их поверхности различных токсикантов биологических структур. Последние два фактора дают основу для проектировании устройств магнитной нано- и микрофильтрации биологических сред организма с целью очистки их от токсикантов и вирусов.
В литературе описаны некоторые схемы устройств магнитной фильтрации с использованием магнитных нано- и микрочастиц, однако проблема вывода магнитных частиц с токсинами из очищаемой биологической среды не решена. Во всех описанных случаях используются традиционные магнитные системы, которые не позволяют создать высокоградиентные магнитные поля для надёжного и эффективного вывода частиц с токсинами из организма при малых размерах устройства или без использования специальных вставок (проволоки, очень тонкой металлической ленты и пр.), которые повреждают компоненты биологической жидкости.
В настоящей работе авторами даётся описание портативного устройства для экстракорпоральной очистки биологических жидкостей с помощью магниточувствительных нано- и микроразмерных порошков сорбентов, позволяющее эффективно удалять отработанные частицы. Магнитная система устройства создаёт внутри рабочего объема высокоградиентное поле (на менее 500 мТс/см) при малых габаритах, малом весе и практически полном отсутствии внешнего магнитного фона. Опытный вариант такого устройства, разработанный и изготовленный в Институте прикладной механики РАН, был испытан в лабораторных и клинических условиях (в ЦКБ РАН) на сыворотках донорской крови. Были изучены сорбционные свойства магнитоуправляемых частиц оксидных ферримагнетиков и феррокарбонов к токсинам различной молекулярной массы, а также антигенам и вирусам. Показана высокая эффективность устройства, что открывает перспективы его практического использования.
Как известно [1,2], нанотехнология определяется как набор технологий и методов регулирования структуры и состава вещества в масштабах до 100 нм. Использование уникальных свойств веществ на расстояниях, соизмеримых с атомными и молекулярными размерами, создаёт принципиально новые возможности для создания технологических приёмов в научных исследованиях и промышленности. В медицине наноматериалы используют для адресной доставки лекарственных препаратов, для борьбы с онкологическими заболеваниями и инфекциями, для целей генной и молекулярной инженерии, в шовных и перевязочных материалах, для создания биосовместимых имплантантов и др.
Специфика наноматериалов во многом определяется известными законами квантовой физики. В соответствии с этим, можно отметить следующие основные физико-химические свойства наноматериалов: малые размеры наночастиц при большом разнообразии их форм; увеличенный химический потенциал веществ на межфазной границе высокой кривизны; большая удельная поверхность наноматериалов (в расчете на единицу массы), что увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства; высокая адсорбционная активность наночастиц вследствие их высокоразвитой поверхности; наночастицы могут быть электрически заряженными и обладать магнитными свойствами.
Отмеченные свойства являются решающими при проектировании устройств нано- и микрофильтрации биологических сред организма с целью очистки их от токсикантов и вирусов.
Авторами настоящей работы предложены и испытаны метод и устройство для детоксикации биологических сред организма, где в качестве адсорбентов используются нано- и микрочастицы ферримагнетиков, а также магнитоуправляемые композитные частицы (МУКи), магнитной фазой которых являлось железо или его окислы, сорбирующей фазой - углерод, окислы кремния или алюминия, испытывалось также восстановленное железо. Эти частицы благодаря малым размерам имеют высокую сорбционную емкость и скорость удаления целевых компонентов из биологических жидкостей.
Можно отметить следующие преимущества предлагаемого метода магнитной гемосорбции по сравнению с существующими методами гемодиафильтрации, плазмафереза и традиционной гемосорбции: расширение диапазона удаляемых агентов; повышение эффективности выведения токсических веществ из биологических сред; снижение травматизации форменных элементов крови; предотвращение нарушений белкового баланса плазмы; снижение объема одномоментно выводимой из организма крови с 300-500 мл до 150 мл (80 мл для портативного варианта); снижение стоимости процедуры детоксикации за счет значительного уменьшения расхода сорбента и стоимости оборудования.
Предварительно были изучены сорбционные свойства магнитоуправляемых
суспензий нано- и микрочастиц частиц с целью их использования в качестве сорбентов для
экстракорпоральной детоксика-ции биологических жидкостей. Для обеспечения гемосовмес-тимости частиц был разработан метод покрытия поверхности магнитных частиц белками (человеческим альбумином, желатином). Как показали исследования,
модифицирование поверхности частиц не вызывает снижения их сорбционной емкости к
соединениям различной
молекулярной массы. В работах [3,4] приведены результаты изучения авторами настоящей публикации сорбционной способности нано- и
микроразмерных магнито-
чувствительных частиц оксидных ферримагнетиков, феррокарбонов и других порошкообразных
магниточувствительных сор-бентов к низко-, средне- и
высокомолекулярным белкам, а также антигенам и вирусам гепатита В. Исследования сорбционной эффективности проводили на опытном устройстве магнитной гемосорбции, разработанном и изготовленном в ИПРИМ РАН. На рис.1 показана схема этого устройства, основными элементами которого являются: 1 -
Рис. 1. Принципиальная схема устройства для экстракорпоральной детоксикации биологических сред организма с применением нано- и микроразмерных магнитоуправляемых сорбентов.
узел начального ультразвукового дезагрегирования частиц МУСа (магнитоуправляемой сорбента) и смешивания их с рабочим объёмом биосовместимой жидкости; 2 - перистальтический насос для подачи крови и насос-дозатор для подачи суспензии; 3 - смеситель-реактор, принцип работы которого основан на объемном смешивании движущихся по скрещивающимся направлениям биологической жидкости и суспензии МУСа; 4 - магнитная ловушка (сепаратор), представляющая собой последовательный набор специальным образом намагниченных втулок, создающих высокоградиентное магнитное поле (рис.2). Конструкция устройства включает также набор магистралей, блок мониторинга и управления в автоматическом и ручном режимах.
Исследования показали, что микрочастицы феррокарбонов обладают мощным сорбирующим действием по отношению к низко-, средне- и высокомолекулярным соединениям, а наночастицы ферримагнетиков - к антигенам и вирусам (на примере гепатита B) во всем диапазоне исследуемых концентраций. В последнем случае можно полагать, что это связано с индуцированными дипольными
взаимодействиями между
полярными молекулами магнетита и кобальтового феррита, с одной стороны, и антигенами и вирусами, с другой.
Исследования in vitro с использованием разработанного устройства показали также, что: сорбционная емкость отобранных образцов феррокарбонов к соединениям-маркерам в 2-4 раза превышает аналогичные показатели для угольных сорбентов;
модификация поверхности частиц феррокарбонов (для придания гемосовместимости) желатином и человеческим альбумином не вызывает снижения сорбционной ёмкости к низко- и среднемолекулярным соединениям и приводит к возрастанию сорбционной емкости макромолекул; химическая модификация поверхности магнитоуправляемых сорбентов открывает перспективы их применения для удаления патологических белков, бактерий и вирусов; конструкции смесителя и магнитного фильтра обеспечивают такой режим течения крови по внутренним каналам, при котором практически не наблюдается разрушения форменных элементов крови.
1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. Изд-во «Бином. Лаборатория знаний». М. 2007. 134 с.
2. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 г. Сборник под ред. Мальцева П.П. Изд-во «Техносфера». М. 2006. 151 с.
3. Яновский Ю.Г., Данилин А.Н., Комиссаров С.Л., Карнет Ю.Н., Шалашилин В.И. Исследование свойств магнитоуправляемых сорбентов и разработка устройств для их применения в процессах детоксикации биологических сред организма. Фундаментальные науки - медицине. Материалы конференции. Москва, 27-29 ноября 2006 г. - М. «Слово», 2006, С. 92-93.
4. Яновский Ю.Г., Данилин А.Н., Карнет Ю.Н., Комиссаров С.Л., Жогин В.А., Погорелова Л.В., Комиссарова Л.Х., Зарайский Е.И., Итин В.И., Загребин Л.В., Шестов С.С., Гончаров Н.Н., Алехин А.И. Сравнительные исследования
Рис. 2. Варианты намагничивания втулок магнитного сепаратора для создания высокоградиентных магнитных полей
сорбционной эффективности и структуры поверхности нано- и микроразмерных магнитоуправляемых частиц для их использования в медицине и биологии. Технологии живых систем. 2007. Т.4. №5-6, с. 73-84.
ENGINEERING DEVELOPMENT OF A PORTABLE DEVICE FOR EXTRACORPORAL CLEANING OF BIOLOGICAL FLUIDS FROM TOXINS AND VIRUSES USING MAGNETO-SENSITIVE NANO- AND MICROPARTICLES
Yanovsky Yu.G., Danilin A.N., Zakharov A.P., Zhogin V.A.
Institute of Applied Mechanics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
e-mail: [email protected] Alekhin A.I., Goncharov N.G.
Central Clinical Hospital, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia e-mail: [email protected]
It is well known the nano- and micro-sized particles have got some unique physical and chemical properties, particularly, huge specific surface and high adsorption activity. The particles can be electrical loaded, they are magnetic receptive, that amplify process of adsorption of different toxic biological media on the particles surface. These factors give us the case to create the magnetic filtration devices for cleaning of organism biological media from toxins and viruses.
Some devices of magnetic filtration using magnetic-operated nano- and microparticles have been characterized in modern scientific literature. But the problem of withdrawal of magnetic particles with toxins from cleanable biological medium is being yet to be solved. In the all described cases traditional magnetic systems are used that don't enable to create high-gradient magnetic field under small dimensions and weight of a device, and without special inserts (wire, high-thin steel band, etc.) that damage the biological fluid components.
In the present work the authors give concise description of a portable device for extracorporal cleaning of biological fluids using magneto-sensitive nano- and micro-sized sorbent powders. That device is able to eliminate waste particles efficiently and safely. The device magnetic system generates inside the work area the high-gradient magnetic field (no less than 700 mTl/sm) with small overall dimensions, small weight and closely lack of magnetic field outside the device. A prototype device, developed and manufactured at the Institute of Applied Mechanics (IPRIM, RAS), was tested in laboratory and clinical environment at the Central Clinical Hospital (CKB, RAS) using donor blood serums. The sorption properties of magnetic-operated oxide ferrimagnetic and ferrocarbon particles with respect to toxins of different molecular masses as well as antigens and viruses were investigated. The high efficiency of the developed device was shown that give us future trends of its practical applications.
