ГЕМОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследованы возможности получения гемостатических пленок на основе очищенных образцов Na-КМЦ с различными степенями полимеризации и замещения. Изучено влияния качественных показателей Na-КМЦ и содержания пластификаторов на физико - механические свойства пленок, предназначенных для использования в качестве гемостатического материала.

ABSTRACT

In this work, we investigated the possibility of obtaining hemostatic films based on highly purified Na-CMC samples with various degrees of polymerization and degrees of substitution. The influence of quality indicators of Na-CMC and the content of plasticizers on the physical and mechanical properties of films intended for use as a hemostatic material has been studied.

Ключевые слова: Na-КМЦ, плёнка, гемостатический материал, растворимость, карбоксиметильные группы, NaНКМЦ, НКМЦ

Keywords: Na-CMC, film, hemostatic material, solubility, carboxymethyl groups, NaНСMC, НСMC

Введение

Na-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ) - анионный полиэлектролит - простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты, хорошо растворяется в воде, и образует гидрогели в зависимости от степени замещения (СЗ) и степени полимеризации (СП) [1]. Он хорошо связывает воду, его растворы устойчивы по отношению к одновалентным солям металлов. Он нетоксичен, не является канцерогеном, хорошо оказывает эмбриотоксического эффекта. Пленкообразующая КМЦ в зависимости от степени замещения и полимеризации может образовывать пленки и изменять свои свойства от нерастворимой пленки, до легко растворимого геля. Очищенная КМЦ широко примененяется в качестве наполнителя в лекарственных препаратах, а в хирургии - в качестве основы ранозаживляющих и противоспаечных средств. При значениях рН растворов от слабокислого до нейтрального, КМЦ обладает стабилизирующим действием, замедляет процессы свертывания крови [2].

Na-KМЦ и его производные допущены к клиническому применению во многих странах: России, США и Европы. В фармакологии КМЦ применяется как вспомогательное соединение и входит в состав препаратов применяемых наружно, per os, так и в состав препаратов, вводимых парэнтерально.

Водный раствор Na-KМЦ представляет собой раствор или гель, имитирующий по вязкости синовиальную жидкость. Высокий молекулярный вес (350000) и длительное пребывание в составе перитонеальной жидкости увеличивает его способность покрывать серозные поверхности в течение периода регенерации мезотелия. Кроме того, Na-KМЦ снижает активность фибробластов и предотвращает депонирование фибрина на поврежденной серозной поверхности, уменьшая миграцию фибробластов к очагу воспаления. В чистом виде применение КМЦ в хирургической практике малоэффективно. Чаще всего КМЦ на практике используется как вспомогательное соединение с другими антиспаечными препаратами. Примером служит соединение гиалуроновой кислоты и карбоксиметилцеллюлозы в виде рассасываемой пленки Seprafilm, которая является нетоксичной, неимуногенной, биологически совместимой. Она используется в виде пленки для покрытия поврежденных поверхностей.  Мембрана из Na-KМЦ трансформируется в гель в течение 24-48 часов и сохраняется в течение семи суток. Полное рассасывание достигается к 28 дню. Эффективность Seprafilm доказана в эксперименте и клиническими исследованиями в хирургии, гинекологии [3]. По данным Becker J. (1996) у 51% пациентов, перенесших лапаротомию с использованием Seprafilm, спаечного процесса в брюшной полости не отмечалось, а в контрольной группе только 6% пациентов не имели спайкообразования [4].

Российский препарат Мезогель, имеющий в своем составе КМЦ определенной СЗ и СП, применяется в виде геля для предупреждения спаек [5]. Он не оказывает отрицательного влияния на заживление анастомозов и не воздействует на местный гемостаз [5,6].

В медицинской хирургической практике соединения очищенной и стерилизованной Nа-КМЦ применяется как агент, способствующий быстрому заживлению ран и ожогов, а Н-КМЦ - как слабый кровоостанавливающий агент [7].

Таким образом, карбоксиметилцеллюлоза и её соединения в медицине зарекомендовали себя как биоинертный, нетоксичный и биодеградируемый материал, используемый в различных сферах лечебной деятельности. Опыт использования КМЦ в качестве гемостатического средства практически отсутствует, в связи с чем поиск путей переработки целлюлозы для создания гемостатических имплантатов из КМЦ и её соединений представляет научный и практический интерес.

Материалы и методы

Определение растворимости

Методика растворимости Na-КМЦ основана на растворении образца в воде с последующей фильтрацией с целью разделения её растворимых и гелевых фракций [8].

Растворимость Nа-КМЦ в воде (Хi) в процентах вычисляется по формуле:

где m₁ - масса навески Nа-КМЦ в пересчете на абсолютно сухое вещество, г ;

m₂ - масса осадка на фильтре, высушенного до постоянной массы, г.

ИК-спектроскопический анализ

ИК-спектры образцов Nа-КМЦ и Н-КМЦ регистрировали на ИК-Фурье Inventio-S с приставкой нарушенного полного внутреннего отражения (Bruker, Германия) в инфракрасном диапазоне от 400 до 4000 см^-1со спектральным разрешением 2 см^-1.

Кондуктометрическое титрование.

Количество формированных карбоксиметильных групп в NaКМЦ определяли путем кондуктометрического титрования её растворов 0,5 н раствором соляной кислоты с помощью настольного измерителя проводимости Mettler Toledo (ФША).

Результаты и обсуждение

По разработанной нами технологии [9] были проведены исследования очистки и получения высокоочищенных образцов Na-КМЦ из его технических марок..

Результаты исследований состава высокоочищенных образцов Na-КМЦ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнение характеристик исходных и очищенных образцов Na-КМЦ

Как видно из таблицы, показатели качества очищенных образцов Na-КМЦ (степень замещения, степень полимеризации, содержание основного вещества, растворимость и рН 1% водного раствора) позволяют их использовать в качестве пленкообразующего полимера в производстве композиционных гемостатических средств.

На рис. 1 представлены ИК-спектры полученных образцов Н-КМЦ в стравнении с Na-КМЦ.

Рисунок 1. ИК-спектры продуктов кислотной обработки технической Nа-КМЦ от времени (1- исходная техническая Na-КМЦ; образцы, обработанные серной кислотой; 2- 60 мин, 3- 120 мин)

Спектры образцов, характеризуются широкими полосами в области частот валентных колебаний - ОН групп - 3700-3000 см^-1: 3519 см^-1, которые характеризуют энергетически неравноценные водородные связи. В области валентных колебаний С-Н связей на спектрах также имеется максимум при 2920 см^-1, характеризующий ассиметричные колебания метиленовой группы.

Полосы поглощения в области 950-1430 см^-1 характеризуют плоскостные деформационные колебания гидроксильных групп КМЦ [10].

Как видно из рисунка 1, при увеличении продолжительности кислотной обработки 20 % серной кислотой характеристические полосы поглощения для карбоксилат аниона изменяются.

Интенсивная полоса поглощения при 1610 см^-1 характеризует валентные колебания карбоксилат аниона [11], который в процессе обработки 20 % серной кислотой КМЦ проявляет дополнительную неинтенсивную полосу при 1740 см^-1, которая относится к  -CH₂-COOH карбоксиметильной группы. Подтверждением этого является то, что при обработке Nа-КМЦ 20 % водным раствором серной кислоты на спектрах полоса характерная карбоксиметилат анионним группам при 1610 см^-1 снижается интенсивность и появляется менее интенсивная полоса при 1740 см^-1, характеризующая карбоксильную группу Н-КМЦ [12]. При увеличении продолжительности кислотной обработки Nа-КМЦ до 120 минут интенсивность полосы 1740 см^-1 увеличивается, одновременно полностью исчезает характеристическая полоса поглощения карбоксилат аниона при 1610 см^-1. Установлено, что при обработке исходного сырья серной кислотой в течение 120 минут, Nа-КМЦ полностью переходит в водонерастворимую, кислотную форму Н-КМЦ.

Кондуктометрическое титрование NaКМЦ

Количества карбоксиметильных карбоксиметилат анионных групп в NaКМЦ определяли путем кондуктометрического титрования. На приборе Mettler Toledo сюда марка потенциометрия [13]. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Кондуктометрическое титрование NaКМЦ

Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что количество карбоксиметильных и карбоксиметилатных анионных групп в образцах  NaКМЦ, НКМЦ и NaНКМЦ могут быть регулированы путем изменения условий кислотной обработки. В результате была продемонстрирована и подтверждена различными физико-химическими методами возможность получения образцов NaКМЦ, НКМЦ и NaНКМЦ, с заранее заданными карбоксиметильными и карбоксиметилат-анионными группами .

Для получения пленок Na-КМЦ были приготовлены 1-3 % растворы очищенной Na- КМЦ в воде. С целью формования пленок, полученные водные растворы Na-КМЦ различной концентрации, подвергал и центрифугированию со скоростью 6000 – 8000 об/мин для удаления гелевой фракции, которая может оказать отрицательные влияние на свойства пленок Nа-КМЦ.

Формование пленок различной толщины на поверхности обезжиренных стеклянных пластинок проводили нанесением на них растворов, содержащих различные концентрации Na-КМЦ. Сушку осуществляли сначала при комнатной температуре в течение 10-15 часов, а затем при температуре 70°С. Характеристики полученных пленок Na-КМЦ представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Физико-механические и физико-химические характеристики пленок полученных из растворов очищенной Na-КМЦ различной концентрации

Как видно из таблицы 3, с увеличением концентрации раствора Na-КМЦ увеличивается толщина пленок и время полного его растворения в воде. При этом разрывное удлинение изменяется незначительно и имеет достаточно низкие показатели. Пленки Na-КМЦ достаточно хрупкие. В связи с вышеизложенным, были исследованы возможности пластификации пленок Na-КМЦ посредством применения пластификатора глицерина. Для этого перед формованием пленок в растворы Na-КМЦ различной концентрации был добавлен глицерин в количестве 0,1-0,3% от веса Na-КМЦ. Далее формование пленок осуществляли, как описано ранее.

В таблице 4 представлены физико-механические показатели пленок Na-КМЦ сформованных из 2%-ных растворов Na-КМЦ различной СЗ и СП содержащих 0,1 - 0,3% пластификатора.

Таблица 4.

Физико-механические показатели пленок Na-КМЦ формованных из 2%-ных растворов содержащих различное количество глицерина

Как видно из таблицы 4 с увеличением содержания пластификатора - глицерина в растворах Na-КМЦ разрывное удлинение пленок заметно увеличивается, что объясняется увеличением степени ориентации макромолекул в процессе формования пленок и пластифицирующим эффектом глицерина.

Нами разработаны лабораторные способы и технология производства высокоочищенной Na-КМЦ в качестве пленкообразующей подложки, окисленной порошковой целлюлозы и наноцеллюлозы, обладающих заранее заданными характеристиками.

Гемостатические свойства производных целлюлозы.

Хорошо известно применение монокарбоксилцеллюлозы в качестве кровоостанавливающей марли. Высокая биоинертность карбоксиметилцеллюлозы позволяет использовать ее в качестве барьерного средства, например, в форме гидрогеля («Мезогель») для предотвращения  спаечного процесса в брюшной полости в послеоперационный период. Na-карбокси-метилцеллюлоза обладает выраженным стимулирующим действием на репаративные процессы, ускоряет образование и созревание  грануляционной ткани, активно влияет на процессы фибриллогенеза и подвержен полному биоразложению в организме. Порошок Na-карбоксиметилцеллюлозы набухает, образуя  прозрачные гели и вязкие растворы-гели, после высыхания геля образуются пленки. Эти преобразования карбоксиметилцеллюлозы эффективно применяются при гемостаз [5,6].

Проведены исследования возможности получения гемостатических пленок на основе NaКМЦ, ОЦ и наноцеллюлозы которые проявляли высокие адгезивные и гемостатические свойства по сравнению с чистой NaКМЦ.

Гемостатическая композиция, содержащая 33,40% ОЦ, 62,17% NaКМЦ, 4,43% наноцеллюлозу, в лучшей степени способствовала предотвращению  кровотечения из паренхиматозных органов в течении 151 ± 10 сек, по сравнению с импортным "Surgicel" - 352 ± 70 сек.

Созданные образцы имплант- пленки на основе очищенной КМЦ, оксицеллюлозы и наноцеллюлозы длиной 10 - 15 см, шириной 5 - 10 см, толщиной 40-350 мкм, обладали прочностью при разрыве 190 – 570 кгс/см², относительным удлинением при разрыве ~ 6-12 %.  При этом полученный материал характеризуется высоким местным гемостатическим эффектом, не обладает токсичностью, биологически инертен и подвержен  биоразложению в короткие сроки, допускает стерилизацию, сохраняет устойчивость при хранении и значительно дешевле по отношению других гемостатических материалов.

Выводы

1. Разработан способ и технология получения биоразлагаемых композиционных гемостатических пленок на основе очищенной NaКМЦ, оксицеллюлозы и наноцеллюлозы.
2. Подобраны оптимальные соотношения и составы производных целлюлозы, обеспечивающие необходимые физико-механические характеристики композиционных гемостатических пленок.
3. Получены биоразлагаемные композиционные гемостатические пленки на основе производных целлюлозы, обеспечивающие предотвращение кровотечения из паренхиматозных органов при хирургических операциях в течении 151 ± 10 сек.

Благодарности

Авторы выражают благодарность за проведение медико-биологических испытаний гемостатических средств профессору Садикову Р.А и младшему научному сотруднику Исмоилову Б.А из Республиканского специализированного центра хирургии им. академика В. Вахидова.

Список литературы:

1. Блинова И.А., Вураско А.В., Шаповалова И.О., Стоянов О.В. Перспективы применения макулатуры в качестве сырья для получения натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы // Вестник технологического университета. - 2017.- Т.20, №13. -С. 26-36.
2. Алимов М.М., Садыков Р.А., Мирзахмедов Б.М., Исмаилов Б.А., Сарымсаков А.А. Морфологическая оценка гемостатического эффекта модифицированной КМЦ пленки.  // Журнал Проблемы биологии и медицины. - Самарканд, 2015 - №3(84). -  С. 78-81.
3. Diamond MP and the Seprafilm Adhesions Study Group. Seprafilm (HAL-F) reduces postoperative adhesions: initial results of a multicenter gynecologic clinical study. Presented at the 3rd International Congress on Pelvic Surgery and Adhesion Prevention, February 29-March 2, 1996.
4. Becker J.M., Dayton Mr, Fazio V.W., et al. Sodium hyaluronate-based bioresorbable membrane (HAL-F) in the prevention of postoperative abdominal adhesions: a prospective, randomized, double-blinded multicenter study. Presented at the American College of Surgeons Meeting, October 24, 1995.
5. Вербицкий Д.А. Применение геля карбоксиметилцеллюлозы для профилактики спайкообразования в брюшной полости. // Автореф. дис. канд. мед. наук. — СПб. 2004.-32 с.
6. Суковатых Б.С., Бежин А.И. и соавт. Экспериментальное и клиническое обоснование применения противоспаечного средства «Мезогель» для профилактики рецидива острой спаечной кишечной непроходимости // Вестник хирургии им. Грекова. – 2008. - №5. - С. 32 – 35.
7. Липатов В.А., Кудрявцева Т.Н., Северинов Д.А. Применение карбоксиметилцеллюлозы в экспериментальной хирургии паренхиматозных органов // Наука молодых (Eruditio Juvenium). -2020. -Т. 8, №2.- С. 269-283.
8. Йулдошов, Ш.А., Шукуров А.И., Сарымсаков А.А., Рашидова С.Ш. Получение растворов карбоксиметилцеллюлозы методом замораживания-оттаивания // Universum:Химия и биология. - 2016.- №5 (23).
9. Патент РУз  № IAP 04429 / Сарымсаков А.А., Йулдошов Ш.А., Сайпиев Т.С., Набиев Д.С., Узаков П.Т., Рашидова С.Ш. “Способ получения натрий карбоксиметилцеллюлозы” . – Опубл. Бюлл. – 2011. - №10.
10. Bono A., Ying P.H., Yan F.Y., et al. Synthesis and Characterization of Carboxymethyl Cellulose from Palm Kernel Cake // Adv. Natl. Appl. Sci – 2009. vol. 1, No. 3. - P. 5 – 11.
11. Wang J., Somasundaran P. Adsorption and conformation of carboxymethylcellulose at solid - liquid interfaces using spectroscopic, AFM and allied techniques // Journal of Colloid and Interface Science, no. 291, рр. 75 - 83, 2005.
12. Viera R.G.P., Filho G.R., Assuncao R.M.N., Meireles C.S., Vieira J.G., Oliveira G.S. Synthesis and characterization of methylcellulose from sugar cane bagasse cellulose //Carbohydr. Polym. - 2007. – Т. 2, № 67. – P. 182 – 189.
13. Петропавловский Г.А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. - Ленинград «Наука», 1988. - С.108-110.