ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕМОСОРБЕНТА ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ ОТХОДОВ НАТУРАЛЬНОГО ШЕЛКА, И ЕГО СОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К ВИТАМИНУ B12

АННОТАЦИЯ

Изучены гемосорбенты, полученные из волокнистых отходов производства натурального шелка. Жиро-восковые и неорганические примеси из волокнистых отходов удалены промывкой различными органическими растворителями. Разработан способ разделения чистого серицина и фиброина в водной среде при высокой температуре, не требующий дополнительной очистки. Разработан способ получения волокнистого, оригинального, полифункционального гемосорбента из фиброина путем его дополнительного гидролиза в водной среде при высоких температурах под давлением с использованием методов УЗ-диспергирования и СВЧ-облучения. Исследованы сорбционные свойства полученных гемосорбентов в модельных средах с использованием витамина В₁₂.

ABSTRACT

Hemosorbents obtained from fibrous waste of natural silk production have been studied. Fat-wax and inorganic impurities from the fibrous waste are removed by washing with various organic solvents. A method has been developed for the separation of pure sericin and fibroin in an aqueous medium at a high temperature, which does not require additional purification. A method has been developed for obtaining a fibrous, original, multifunctional hemosorbent from fibroin by additional hydrolysis in an aqueous medium at high temperatures under pressure using the methods of ultrasonic dispersion and microwave irradiation. The sorption properties of the obtained hemosorbents in model media with the use of vitamin B₁₂ have been investigated.

Ключевые слова: гемосорбент, фиброин, серицин, гидролиз, изотерма, сорбция, витамин В₁₂.

Keywords: hemosorbent, fibroin, sericin, hydrolysis, isotherm, sorption, vitamin B₁₂.

Введение. Гемосорбция является современным и эффективным методом удаления токсических для организма веществ, циркулирующих в кровотоке и способствующих развитию критических состояний и тяжелых заболеваний пациентов.

В практической медицине процедура гемосорбции осуществляется вне организма больного путем пропускания крови через систему, заполненную сорбентом. Критичными параметрами для достижения терапевтического эффекта являются тип сорбента, его степень функционализации, избирательность и токсичность, количество и сроки повторных процедур. Показатели эффективности лечения больных с использованием сорбентов индивидуальны, зависят от выявленных паталогических нарушений и состояния больного, оцениваемого в лечебном учреждении [1].

К первым гемосорбентам (Г), которые используются в настоящее время, относятся материалы на основе активированного угля и его, химически модифицированных, производных [2, 3], способные удалять из кровотока такие разнообразные токсичные молекулы, как экзотоксины, цитотоксины, тяжелые металлы, провоспалительные медиаторы, продукты бактериальной природы и распада клеток. Эффективность и специфичность угольных сорбентов невелика, хотя они в той или иной степени позволяют удалять из крови и плазмы достаточно широкой круг токсичных веществ.

В последние годы возрастает интерес к разработке более селективных гемосорбентов, призванных избирательно удалять молекулы определенного строения, включая токсичные метаболиты, существенно не затрагивая при этом жизненно необходимые компоненты крови [1]. В данном направлении синтезированы Г двух основных типов. К первому типу относятся неселективные Г на основе активированного угля и ряд полимерных сорбентов [4;5]. Ко второму типу относятся такие селективные сорбенты, как синтетические и модифицированные природные соединения [6;7].

В настоящее время создается третий тип «мультимодальных» гемосорбентов, сочетающих свойства селективных и неселективных сорбентов [8;9;10].

Нами разработаны способ получения и технология производства. Проведен медико-биологический скрининг нового полифункционального гемосорбента на основе фиброина натурального шелка. Получены предварительные результаты исследований по получению и испытанию Г на основе волокнистых отходов натурального щелка [11,12].

Исследованиями Пак Т.С. с соавторами (2005, 2007), Ивановой Н.С., Пак Т.С. (2015) при гидролизе фиброина натурального шелка показана возможность получения пероральной формы энтеросорбентов с порошковой и гранулированной структурой для детоксикации организма [13-15]. По результатам исследований авторами получен патент на способ получения полимерного энтеро- и гемосорбента на основе отходов производства натурального шелка [16]. Порошковая и гранулированная структура полученных сорбентов ограничивает их использование в качестве эффективных гемосорбентов. Это связано с тем, что исходная порошковая форма Г подвергается грануляции в органических средах, снижающей их сорбционную активность и не исключающей возможность попадания в кровоток пыли гранулированного гемосорбента (ГГ). Кроме того, разработанный способ получения Г достаточно сложен, что существенно повышает его себестоимость.

Целью исследований является разработка способа разделения в водной среде серицина и фиброина из натурального шелка при высоких температуре и давлении, способствующего получению чистого, без дополнительной очистки,  водорастворимого серицина и волокнистой структуры гемосорбента путем дополнительного гидролиза фиброина в водной среде с использованием сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) и ультразвукового диспергирования (УЗ) продукта реакции на установке,  разработанной проф.Сарымсаковым А.А. с соавт. в 2019 г. [17]. При этом существенно упрощается способ получения Г, исключается пылеобразование и возможна коррекция сорбционной активности гемосорбента за счет УЗ - диспергирования и СВЧ-облучения.

Объекты и методы исследования. В качестве исходного сырья для получения чистого фиброина и гемосорбента использованы коконы тутового шелкопряда “Bombyx mori”, шелковые нити и волокнистые отходы производства натурального шелка в виде сдира, холста, струны.

С целью очистки коконов, шелковых нитей, волокнистых отходов от жиро-восковых и минеральных примесей проводилась их обработка органическими растворителями при температуре 50°С и дистиллированной водой при температуре 75°С.

Удаление серицина из шелковых нитей и волокнистых отходов, очищенных от жиро-восковых и минеральных примесей, проводили в замкнутой системе дистиллированной водой при температуре 110°C в течение 24 часов.

Процесс получения Г из фиброина заключается в повторном гидролизе сырья в автоклаве при температуре 210°С и давлении 2,6 МПа в течение 120 минут с последующим УЗ-диспергированием гидролизованных образцов фиброина на УЗ-диспергаторе (Guangdong GT Ultrasonic Co.,Ltd, Китай) при частоте 40 кГц и температуре 30°С в течение 5 минут. Продукт диспергирования промывали дистиллированной водой для удаления мелких фракций пыли. СВЧ-облучение гидролизованных влажных образцов фиброина осуществляли на приборе Artel 23UX97 (Узбекистан) в течение 10 минут. ИК-спектры чистого фиброина и гемосорбентов снимали на ИК-Фурье-спектрофотометре (Perkin Elmer Inc., США) в диапазоне 400-4000 см^-1. Сорбционные характеристики гемосорбента исследовали в модельных средах с использованием витамина В₁₂ по методике [17].

Результаты и их обсуждение. Проведены исследования по получению гемосорбента на основе фиброина натурального шелка, обладающего полифункциональными свойствами. Полифункциональность гемосорбента объясняется тем, что Г одновременно содержит в своей структуре макро-, микро- и нанопоры, характерные для неспецифических гемосорбентов, а также функциональные карбоксильные и аминогруппы в порах и на поверхности Г, способных химически взаимодействовать с токсинами крови как специфические сорбенты. Возможность использования фиброина в производстве гемосорбента обоснована тем, что он является природным органотропным полимером и применяется в регенаративной медицине в качестве шовного материала [18-24], гидрогелей [25], пленок [26] и др.

Для получения полифункционального Г использованы некондиционные коконы “Bombyx mori”, натуральные щелковые нити и их волокнистые отходы. На первом этапе исследований после химической обработки исходного сырья получены чистый серицин и фиброин [8]. Жиро-восковые и неорганические примеси из структуры исходного сырья удалены промывкой органическими растворителями.

Освобожденные от жиро-восковых и неорганических примесей волокнистые материалы подвергались гидролизу в среде дистиллированной воды при температуре 110 °С и давлении 1,1 МПА в течение 24 часов.

Нерастворимая часть гидролизата промыта дистиллированной водой и высушена. Для получения гемосорбентов чистый фиброин подвергали дальнейшему гидролизу в чистой воде при высокой температуре под давлением.

Исследования гидролиза фиброина проведены при температуре 210 °С и давлении 2,6 МПа. Проведены исследования влияния температуры и давления среды на физико-химические и медико-биологические свойства полученных волокнистых гемосорбентов.

На основании результатов исследований установлено, что с увеличением температуры, давления среды и времени гидролиза наблюдается увеличение содержания реакционно-активных карбоксильных и аминогрупп на 40%. При этом сохраняется волокнистая структура гемосорбента.

Для увеличения сорбционной активности волокнистых полифункциональных гемосорбентов проведены исследования возможности увеличения содержания карбоксильных и аминогрупп в структуре сорбентов, с одновременным повышением объёма и размера их пор методом ультразвукового диспергирования и СВЧ-облучения в процессе их гидролиза в водной среде.

Далее исследованы сорбционные свойства полученного гемосорбента на основе гидролизованного фиброина в модельных средах [29,31]. При сорбции токсичных веществ поверхностью и порами гемосорбента, гидрофильным по природе, основным механизмом взаимодействия является физическая и химическая сорбция, обусловленная действием дисперсионных сил. При физической сорбции определяющим фактором является соразмерность молекул сорбируемых веществ и пор сорбента, поэтому известные сорбенты обладают различной активностью и инертностью по отношению к форменным элементам крови [27]. Химическая сорбция определяется активностью функциональных групп сорбента по отношению к функциональным группам токсинов (сорбатов).

Изучение сорбционных свойств образцов углеродного сорбента по отношению к веществам-маркерам проводили спектрофотометрическим методом на приборе SPECORD 210, “Analytik Jena, Германия” [28-30].

Исследование сорбционных свойств по отношению к витамину В₁₂ изучали в статических условиях при комнатной температуре. Исследование зависимости сорбции веществ на образцах сорбента от времени контакта проводили следующим образом: к навеске образца чистого фиброина и гемосорбента на его основе в 1.0000±0,0002 г добавляли 10 мл раствора витамина В₁₂ с концентрацией 500 мг•л^-1 и измеряли количество сорбата в растворе по истечении определенного времени контакта (2; 4; 6; 12; 24; 48 ч). Концентрацию веществ в растворе определяли до и после проведения сорбции при соответствующей длине волны (длина волны для витамина В₁₂ – 360 нм), толщина кюветы 10 мм.

Значения коэффициента сорбции для исследуемых соединений были получены в соответствии со следующим уравнением:

где a - сорбционная емкость, [a] - мг•г^-1; C₀ - начальная концентрация раствора, [C₀] - мг•л^-1; C_e - равновесная концентрация раствора, [Ce] - мг•л^-1; V - объем раствора; [V] - л, m - количество сорбента; [m] - г.

Зависимость сорбции веществ – маркеров исследуемыми сорбентами от их концентрации в растворе изучали при установленном времени равновесия. К навеске образца сорбента в 1,0000±0,0002 г добавляли 0,025 л раствора витамина с концентрацией вещества от 4 мг•л^-1 до 500±0,02 мг•л^-1 и измеряли количество сорбата. Концентрацию веществ в растворе определяли до и после проведения сорбции. Рассчитывали значения статической обменной емкости и строили кривую зависимости сорбции на исследуемых сорбентах веществ-маркеров В₁₂ от их концентрации в растворе.

Для определения рабочего диапазона концентраций растворов сорбатов, в которых сохраняется линейная зависимость между концентрацией раствора и оптической плотностью, построены градуировочные графики (рис. 1).

Рисунок 1. Градуировочный график для витамина В₁₂

Результаты исследования зависимости сорбции витамина В₁₂ на образцах сорбента от времени контакта представлены на рисунках 2-3 и таб.1. Исходная концентрация сорбата - витамина В₁₂ - 0,50 мг/мл.

Таблица 1.

Остаточная концентрация раствора витамина В₁₂ и значение его сорбции в зависимости от времени контакта

Примечание: Исходная концентрация раствора витамина В₁₂ - 0,5 мг/мл

В системе «сорбент - витамин В₁₂» с течением времени его концентрация в растворе постепенно снижается (рис. 2). При этом равновесие наступает быстрее при сорбции витамина гемосорбентом "Гемосорб". Для исследуемого образца равновесие в системе быстро не наступает – величина сорбции постепенно с течением времени растет. По истечении 24 ч. количество сорбированного витамина В₁₂ на исследуемых образцах различается: меньше всего витамин сорбируется на фиброине и достигает величины 3,55 мг/г.

Количество сорбированного витамина В₁₂ для сорбента "Гемосорб" больше (7,55 мг/г), чем для исходного фиброина – 3,55 мг/г к данному моменту времени (рис. 3). Но, если для исходного образца равновесие еще не установилось и наблюдается увеличение сорбционной способности к данному сорбату, то для образца гемосорбента "Гемосорб" кривая сорбции вышла на «плато» и количество сорбированного витамина В₁₂ по своему значению с течением времени не изменится.

Рисунок 2 - Зависимость остаточной концентрации в растворе витамина В₁₂ от времени контакта для исследуемых образцов:

 1 – фиброин; 2 – гемосорбент «Гемосорб».

Рисунок 3. Зависимость величины сорбции витамина В₁₂ от времени контакта для исследуемых образцов:

1 – фиброин; 2 – гемосорбент «Гемосорб»

Таким образом, установлено, что быстрее всего равновесие в исследуемых системах наступает при использовании модифицированного образца «Гемосорб». Величина сорбции сорбатов выше для образца с большей удельной площадью поверхности – гемосорбента "Гемосорб". Это может означать, что происходит физическая и химическая сорбция витамина В₁₂ на исследуемых образца гемосорбента "Гемосорб" за счет заполнения пор поверхности молекулами сорбата и связи с функциональными группами.

Результаты исследований зависимости сорбции витамина В₁₂ на образцах фиброина и "Гемосорб" от их концентрации в растворах представлены на рис. 4 (таб.2). Время сорбции –24 ч.

Таблица 2.

Остаточная концентрация раствора витамина В₁₂ и значение его сорбции

Примечание: время контакта 24 ч.

Рисунок 4. Изотермы сорбции витамина В₁₂ из раствора на исследуемых образцах сорбента при времени контакта 24 ч:

1 – фиброин; 2 – гемосорбент «Гемосорб»

Установлено, что величины сорбции исследуемыми образцами раствора витамина В₁₂ отличаются друг от друга и составляют для фиброина и "Гемосроб" - 3,6 и 7,6 мг/г соответственно. Для образца фиброина наблюдается тип сорбции, характерный для микропористых сорбентов. Вероятнее всего, это связано с особенностью распределения пор в структуре фиброина. У гемосорбента "Гемосорб" наблюдается тип изотерм, характерный для мезопористых сорбентов. При этом величина сорбции выше и это связано с модификацией гидролизованного фиброина под действием физических факторов: СВЧ - облучение и УЗ - диспергирование.

Известно, что в реальных системах концентрация токсичных веществ не достигает критических значений, поэтому эксперименты проводили при предельно-допустимых концентрациях, моделирующих токсины. Для проведения исследования были выбраны концентрации сорбатов с учетом возможных концентраций токсинов в крови, моделью которых являлся витамин В₁₂.

Выводы

Разработана методика и технология получения чистого серицина и фиброина посредством гидролиза натурального шелка и его волокнистых отходов в водной среде при высоких температурах и давлении.

Посредством повторного гидролиза чистого фиброина в водной среде с последующим СВЧ-облучением и УЗ-диспергированием продукта получен полифункциональный гемосорбент «Гемосорб».

На основании результатов исследований сорбционных свойств полифункционального гемосорбента «Гемосорб» в модельных средах с использованием витамина В₁₂ показана возможность получения нового гемосорбента с высокими значениями сорбционной активности.

Список литературы:

1. Toshiaki I. Hemoadsorption in critical care //Ther. Apher.- 2002.-6 (3):189–192.
2. Картель Н.Т. Возможности терапевтического действия медицинских сорбентов на основе активированных углей //Эфферентная терапия. – 1995, Т.1.- №4. - С. 11-18.
3. Наумкин Е.В., Обгольц А.А., Рейс Б.А., Чернышев А.К. Влияние сорбирующих материалов на гидрофобность и адгезивность грамотрицательных микроорганизмов //Эфферентная терапия. –1997.- Т.3. №1..- С. 26-28.
4. Winchester J.F., Ronco C., Brady J.A., Clemmer J., Muller T.E., Davankov V., Tsyurupa M., Pavlova L., Pavlov M., Levin N.W. History of sorbents in uremia //Contrib. Nephrol.- 2001; 133.-Р. 131–139.
5. Ash S.R. Extracorporeal blood detoxification by sorbents in treatment of hepatic encephalopathy //Adv. Ren. Replace Ther.- 2002; 9 (1).-Р.3–18.
6. Shoji H., Tani T., Hanasawa K., Kodama M. Extracorporeal endotoxin removal by polymyxin B immobilized fiber cartridge: designing and antiendotoxin efficacy in the clinical application //Ther. Apher.- 1998; 2 (1).- Р. 3–12.
7. Ronco C. Endotoxin removal: history of a mission //Blood Purif.- 2014; 37 (Suppl 1).-Р. 5–8.
8. Payen D.M., Guilhot J., Launey Y., Lukaszewicz A.C., Kaaki M., Veber B., Pottecher J., Joannes_Boyau O., Martin_Lefevre L., Jabaudon M., Mimoz O., Coudroy R., Ferrandiere M., Kipnis E., Vela C., Chevallier S., Mallat J., Robert R.; ABDOMIX Group. Early use of polymyxin B hemoperfusion in patients with septic shock due to peritonitis: a multicenter randomized control trial //Intensive Care Med.- 2015; 41 (6): Р. 975–984.
9. Davankov V., Pavlova L., Tsyurupa M., Brady J., Balsamo M., Yousha E. Polymeric adsorbent for removing toxic proteins from blood of patients with kidney failure //J. Chromatogr. B. Biomed. Sci. Appl. -2000; 739 (1).-Р. 73–80.
10. А. С. Морозов, И. В. Бессонов, А. В. Нуждина, В. М. Писарев Сорбенты для экстракорпорального удаления токсических веществ и молекул с нежелательной биологической активностью //General reanimatology. -2016, 12; 6.- С. 82-107.
11. Иванова Н.С., Пак Т.С. Доклиническое токсикологическое изучение сорбента //Международный научный журнал «Символ науки». - 2016, №4.-С. 100-102.
12. Иванова Н.С., Пак Т.С. Оценка эффективности гемосорбции при механической желтухе и печёночной недостаточности //Современные тенденции развития науки и технологий. XIX Международная научно-практическая конференция. - 2016, №10, Ч.5.- С. 37-40.
13. Пак Т.С., Тахтаганова Д.Б., Хаитметова Д.Б., Рашидова С.Ш. Энтеросорбенты из фиброина натурального шелка. Получение, свойства // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. Материалы II Всероссийской конференции, Книга II.- 2005.- С. 627-631.
14. Иванова Н.С., Пак Т.С. Медико-биологические испытания сорбента //Национальная ассоциация ученых.- 2015, IX (14).- С. 127-131.
15. Пак Т.С., Тахтаганова Д.Б., Кристаллович Э.Л. Энтеросорбент на основе фиброина натурального шелка и его механохимическая модификация дезоксипеганин гидрохлоридом //Химико-фармацевтический журнал.-2007, Т.41, №1.- С. 21-25.
16. Иванова Н.С., Пак Т.С., Кужанова Н.И. Способ получения полимерного гемосорбента // RU 2619864C2, 2017, Бюллетень №14.
17. Сарымсаков А.А., Ярматов С.С., Эшчанов Х.О. Полифункциональные гемосорбенты на основе волокнистых отходов натурального шелка //Узбекский химический журнал.- 2019 г., № 3.-С. 67-75.
18. Sun K., Li H., Li R., Nian Z., Li D., Xu C. Silk fibroin/collagen and silk fibroin/chitosan blended three-dimensional scaffolds for tissue engineering. Eur J Orthop Surg Traumatol.- 2015; 25(2): Р.243–249.
19. Nakazawa Y., Sato M., Takahashi R., Aytemiz D., Takabayashi C., Tamura T., Enomoto S., Sata M., Asakura T. Development of small-diameter vascular grafts based on silk fibroin fibers from Bombyx mori for vascular regeneration. J Biomater Sci Polym Ed.- 2011; 22(1–3):Р. 195–206.
20. Zhu M., Wang K., Mei J., Li C., Zhang J., Zheng W., An D., Xiao N., Zhao Q., Kong D., Wang L. Fabrication of highly interconnected porous silk fibroin scaffolds for potential use as vascular grafts. Acta Biomater.- 2014; 10(5): Р. 2014–2023.
21. Catto V., Farè S., Cattaneo I., Figliuzzi M., Alessandrino A., Freddi G., Remuzzi A., Tanzi M.C. Small diameter electrospun silk fibroin vascular grafts: Mechanical properties, in vitro biodegradability, and in vivo biocompatibility. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl.- 2015; 54: Р.101–111.
22. Zhang W., Wray L.S., Rnjak-Kovacina J., Xu L., Zou D., Wang S., Zhang M., Dong J., Li G., Kaplan D.L., Jiang X. Vascularization of hollow channel-modified porous silk scaffolds with endothelial cells for tissue regeneration. Biomaterials.- 2015; 56:Р. 68–77.
23. Seib F.P., Herklotz M., Burke K.A., Maitz M.F., Werner C., Kaplan D.L. Multifunctional silk-heparin biomaterials for vascular tissue engineering applications. Biomaterials.- 2014; 35(1): Р.83–91.
24. Aytemiz D., Suzuki Y., Shindo T., Saotome T., Tanaka R., Asakura T. In vitro and in vivo evaluation of hemocompatibility of silk fibroin based artificial vascular grafts. Int J Chem.- 2014; 6(2).
25. Murab S. и др. Glucosamine loaded injectable silk-in-silk integrated system modulate mechanical properties in bovine ex-vivo degenerated intervertebral disc model // Biomaterials. - 2015. Т. 55. Р. 64–83.
26. Lian X.-J., Wang S., Zhu H.-S. Surface properties and cytocompatibillity of silk fibroin films cast from aqueous solutions in different concentrations. Front Mater Sci China.- 2010; 4(1): Р. 57–63.
27. Лопухин, Ю. М. Гемосорбция / Ю. М. Лопухин, М. Н. Молоденков. - 2-е изд. - М. : Медицина, 1985. - 288 с.
28. Маркелов, Д. А. Сравнительное изучение сорбционной активности медицинских сорбентов / Д. А. Маркелов, О. В. Ницак, И. И. Геращенко // Химико-фармацевтический журнал. – 2008. – Т. 42, № 7. – С. 30 - 33.
29. Lupaşcu T, Petuhov O, Ţîmbaliuc N, Cibotaru S, Rotaru A. Adsorption Capacity of Vitamin B₁₂ and Creatinine on Highly-Mesoporous Activated Carbons Obtained from Lignocellulosic Raw Materials. Molecules. 2020; 25(13):3095. https://doi.org/10.3390/molecules25133095.
30. Halperin, A. Collapse of тhermoresponsive brushes and the tuning of protein adsorption / A. Halperin, M. Kröger // Macromolecules. - 2011. - Vol. 44. - Р. 6986–7005.
31. Пьянова Лидия Георгиевна «Разработка и фармакотоксикологическая оценка модифицированных биологически активными веществами сорбентов ветеринарного назначения на основе нанодисперсного углерода» док. диссер. Омск – 2016 С.310