Химики Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики Уральского отделения Российской академии наук испытали инновационный медицинский материал на растворах, моделирующих состояние раневой поверхности. Первые испытания альгинат-хитозанового аэрогеля показали его эффективность.

Ученые лаборатории химии растительных биополимеров Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики Уральского отделения РАН разрабатывают новые материалы на основе биополимерных комплексов, предназначенные для применения в медицине и фармакологии.

Биополимеры – это высокомолекулярные соединения (полисахариды, лигнин, хитин и так далее), извлекаемые из природных источников растительного и животного происхождения и обладающие ценными биологическими свойствами: совместимостью с живыми тканями и биоразлагаемостью (способностью быстро деструктировать под влиянием факторов окружающей среды).

Уникальные материалы

Одна из последних актуальных разработок архангельских химиков – биополимерные композитные аэрогели. Это материалы, обладающие уникальными физическими свойствами, которые позволяют повысить эффективность процесса лечения раневых поверхностей человека и животных.

Ученые лаборатории химии растительных биополимеров Института экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН получают органические аэрогели на основе биополимерных комплексов. Разработанный комплекс альгинат-хитозан производится из альгината бурых водорослей Белого моря  и хитина (хитозана) панцирьсодержащего сырья (крабы, креветки), добываемого в Баренцевом море.

— Макромолекула альгината содержит карбоксильные группы, которые заряжены отрицательно, а макромолекула хитозана – аминогруппы, заряженные положительно, – объясняет ведущий научный сотрудник лаборатории Ольга Бровко. – При взаимодействии отрицательно и положительно заряженных групп и образуется комплекс. Его структура, морфология и свойства отличаются от структуры и свойств исходных полиэлектролитов.

Фактически речь идет о своеобразном синергетическом эффекте: в составе биополиэлектролитного комплекса один полиэлектролит усиливает, взаимно обогащает свойства другого. В результате материал обретает новые свойства.

«Замороженный дым»

Технология получения аэрогеля включает несколько этапов. Сначала из исходных полиэлектролитов – альгината и хитозана – получают гель. Затем гель проходит стадию сушки в среде сверхкритического флюида (диоксида углерода). Сверхкритический флюид – форма агрегатного состояния вещества, в которую способны переходить многие органические и неорганические вещества при достижении определенных температуры и давления. В этом состоянии исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Сушку материала осуществляют в экстракционных установках (автоклавах) для СКФ-экстракции.

В результате сушки получается мезопористая матрица с очень низкими плотностью и массой: иногда аэрогели метафорически называют «замороженным дымом» и «твердым газом». В трёхмерной структуре этого вещества жидкая фаза полностью заменена воздухом. У аэрогеля низкие коэффициенты теплопроводности, электропроводности и преломления света. Иначе говоря, обладает он свойствами изоляционного материала.

Область применения

Как отмечает Ольга Бровко, такой аэрогель может иметь разные области применения. Например, его можно использовать для получения биосенсоров – регистрирующих элементов, позволяющих оценивать содержание определённых веществ в среде (воздухе, воде и так далее). Также аэрогель может использоваться как энтеросорбент. А благодаря высокой пористости и биосовместимости аэрогель востребован в биомедицине как средство доставки лекарственных веществ к органу-мишени (больному органу), а в тканевой биоинженерии – для временной замены поврежденных живых тканей.

Пористая структура инновационного аэрогеля позволяет насыщать материал лекарственными веществами и одновременно гарантирует стабильное поглощение влаги. Это означает, что аэрогель может стать эффективным компонентом раневых повязок нового поколения.

Проведенные лабораторные испытания аэрогеля (в комбинации с антисептическим лекарственным средством) на растворах, моделирующих состояние раневой поверхности, оказались результативными. Испытуемый биополимерный аэрогель работает по заданной схеме.

Благодаря инновационному материалу происходит постепенное, пролонгированное высвобождение лекарства из медицинской повязки в терапевтических дозах, что исключает передозировку активного вещества тканями раневой поверхности. Это означает, что процесс лечения, заживления раны должен протекать более эффективно и рационально, чем при лечении с использованием стандартной медицинской повязки.

Следующий этап работы ученых предполагает испытание на реципиентах – подопытных животных. 

Пресс-служба ФИЦКИА УрО РАН