ГЕМОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ

HEMOSTATIC FILMS BASED ON CARBOXYMETHYL CELLULOSE
Цитировать:
Холтураев Б.Ж., Атаханов А.А., Сарымсаков А.А. ГЕМОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2021. 9(87). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12248 (дата обращения: 26.10.2021).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniChem.2021.87.9.12248

 

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

До очистки

После очистки

СЗ

СП

Содержание основного вещества, %

Содержание примесей, %

СЗ

СП

рН 1% раствора

Раствори -мость, %

Содержание Nа–КМЦ, %

0,83

640

53

47

0,82

620

7,5

99,9

99,9

0,52

550

55

45

0,51

530

7,4

98,2

99,9

0,44

380

54

46

0,43

360

7,3

96,0

99,9

 

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

Образец

Содержание карбоксильных групп %

Содержание карбоксиметильных, групп %

NaКМЦ

-

27,7

NaНКМЦ

9

13,5

НКМЦ

18,00

-

 

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

Очищенная

Na–КМЦ

Концентрация, водного раствора Na–КМЦ %.

Толщина пленки (мкм)

Разрывная прочность (кгс/мм2)

Разрывное удлинение (%)

Время полного растворения, час

СЗ

СП

0,82

620

1

16

1,8

4,4

0,3

2

28

2,9

4,6

0,5

3

40

3,4

4,8

1,0

0,51

530

1

14

2,4

4,2

0,5

2

24

2,8

4,3

0,8

3

38

3,6

4,4

1,6

 

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

Очищенная

Na-КМЦ

Концентрация

глицерина, %

Толщина пленки (мкм)

Разрывная прочность (кгс/мм2)

Разрывное удлинение (%)

Время полного растворения (час)

СЗ

СП

0,82

620

0,1

26

1,6

8,8

0,2

0,2

26

2,5

9,0

0,4

0,3

27

3,3

9,6

0,9

0,51

530

0,1

24

2,3

8,0

0,4

0,2

24

2,8

8,2

0,7

0,3

25

3,5

8,6

1,4

 

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.
Информация об авторах

PhD докторант, Институт химии и физики полимеров АН РУз, Узбекистан, г. Ташкент

PhD doctoral student at the Institute of Chemistry and Physics of Polymers of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

д-р техн. наук, зав. лаб. Института химии и физики полимеров АН РУз., Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Technical Sciences, Head. lab. Institute of Chemistry and Physics of Polymers of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

доктор техн. наук, профессор Научно-исследовательского центра химии и физики полимеров при Национальном университете Узбекистана, 100128, Узбекистан, г. Ташкент, ул. А. Кадыри, 7б

Doctor of Engineering Sciences, professor of Scientific research center of Polymer chemistry and physics at The National University of Uzbekistan, 100128, Uzbekistan, Tashkent, A. Kadiry str, 7b

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top