РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОРИГИНАЛЬНОГО ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕМОСОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ФИБРОИНА ШЕЛКА

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена разработке технологии получения полифункционального гемосорбента на основе фиброина, выделенного из некондиционного кокона. Актуальность разработки определяется возрастающим интересом к созданию новых экологически безопасных сорбентов из натурального шелка. Впервые была разработана технология получения полифункционального гемосорбента в водных условиях при высокой температуре, под давлением, который обладает высокой пористостью, за счет использования ультразвукового диспергирования и сверхвысокочастотного облучения, способствующий образованию пор и увеличению количества реакционно-активных групп в образовавшихся порах за счет «эффекта взрыва».

ABSTRACT

This article is devoted to the development of a technology for obtaining a polyfunctional hemosorbent based on fibroin isolated from a substandard cocoon. The relevance of the development is determined by the growing interest in the creation of new environmentally friendly sorbents from natural silk. For the first time, a technology was developed for obtaining a polyfunctional hemosorbent in aqueous conditions at high temperature, under pressure, which has high porosity due to the use of ultrasonic dispersion and ultra-high-frequency irradiation, promoting the formation of pores and an increase in the number of reactive groups in the resulting pores due to the “explosion effect”.

Ключевые слова: гемосорбент, фиброин, сорбционная активность; сорбенты, технология, очистка от жиро-восковых примесей.

Keywords: hemosorbent, fibroin, sorption activity; sorbents, technology, purification from fat-wax impurities.

Ведение

Роль сорбционных материалов, в медицине значительна. Благодаря своей развитой пористой структуре сорбционные материалы эффективно применяются для дезоксидации организма и используются для гемосорбции, в аппликационной медицине. Варьируя количество функциональных групп, их химическую природу, можно направленно влиять на физико-химические свойства и биологическую активность гемосорбентов, открывая при этом новые сферы их применения [1]. В нашей Республике проводятся широкомасштабные исследования по применению полимеров в развитии сферы создания новых лекарственных средств на основе местного сырья, наблюдается высокий уровень организации научных исследований в данном направлении. В связи с этим, особенную важность приобретает создание в новых гемосорбентов на основе источников местного сырья для удовлетворения потребности в нефрологии и гемодиализе, проведение научно-практических исследований, направленных на освоение технологии их производства.

Гемосорбенты представляют отдельную группу медицинских препаратов и изделий, предназначенных для детоксикации крови, плазмы и лечения ряда социально значимых заболеваний. На основании анализа литературы последних лет установлено, что в ведущих научных центрах мира проводятся исследования по созданию новых, безвредных для организма гемосорбентов на основе производных природных и синтетических полимеров органического и неорганического происхождения [5, 11].

Установлено, что в зависимости от патологии и характера заболевания, природы токсинов, присутствующих в крови, в каждом конкретном случае требуются гемосорбенты определенного химического состава и природы.

В настоящее время наибольшая часть гемосорбентов, применяемых в медицинской практике, основаны на активированном угле и его химически модифицированных производных. Проводятся исследования по созданию гемосорбентов на основе синтетических полимеров и сополимеров [10, 12-18]. Несмотря на проводимые исследования для создания нового поколения гемосорбентов во всем мире ощущается острая нехватка гемосорбентов для лечения и детоксикации крови при различных заболеваниях.

В данном направлении авторами разработан способ получения гемосорбента в порошкообразной форме на основе фиброина шелка [2, 3, 4]

В настоящее время получены предварительные результаты исследований по получению и испытанию гемосорбента на основе волокнистых отходов натурального шелка. По результатам исследований авторами получен патент на способ получения гемосорбента на основе отходов переработки натурального шелка [6].

В Узбекистане в настоящее время отсутствуют фармацевтические предприятия по производству гемосорбентов, и потребность практической медицины удовлетворяется полностью за счет импорта гемосорбентов.

Учитывая вышеизложенное, создание, разработка технологии производства и проведение медико-биологических испытаний оригинальных полифункциональных гемосорбентов на основе нетоксичных природных, органотропных полимеров является актуальной задачей химии, фармакологии и медицины.

Целью данного исследования является разработка технологии получения полифункционального гемосорбента на основе фиброина, выделенного из некондиционных коконов для детоксикации крови и сыворотки крови.

Материалы и методы. В данных исследованиях в качестве объекта выбраны некондиционные коконы шелкопряда для получения полифункционального гемосорбента (OOO Inter Silk Pro, Узбекистан). Основные использованные реактивы для очистки примесей органического и неорганического характера приобретены у фирмы Sigma Aldrich: спирт этиловый (96.0%, кат. № 1.59010), бензол (99.9%, кат. № 270790), дистиллированная вода, использованная в гидротермическом гидролизе получена с помощью дистиллятора DZ-10L11 фирмы Huanghua Faithful Instrument Co., LTD. Очистку измельчённых некондиционных коконов от органических и неорганических примесей осуществляли по методу [7]. Для выделения чистого фиброина некондиционные коконы очищенных от органических и неорганических примесей гидролизовали гидротермальным гидролизом по методу [8]. С целью получения полифункционального гемосорбента, чистый фиброин подвергали гидролизу в более жестких условиях и дополнительной модификации под воздействием физических факторов по методу [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Для получения гемосорбента в качестве сырья выбраны некоторые виды волокнистых отходов шелкомотальных предприятий которые представленный ассоциацией «Узбекипаксаноат». На рисунке 1 показаны некоторые виды волокнистых шелковых отходов.

Рисунок 1. Виды сырья, выбранные для получения полифункционального гемосорбента

В результате изучения видов, состава и свойств волокнистых отходов предприятий по переработке коконов, были отобраны те, которые могут быть использованы в качестве сырья для получения полифункционального гемосорбента, очищающего кровь и сыворотку крови от токсических веществ.

В таблице 1 приведены данные о различных видах волокнистых шелковых отходов, которые являются отходами шелкомотальной промышленности, образующихся в процессе переработки коконов на коконоперерабатывающих заводах.

Таблица 1.

Количественный состав различных видов волокнистых шелковых отходов

На основании данных по составу волокнистых отходов шелка, приведенных таблице 1, для дальнейших исследований были отобраны некондиционные коконы.

С учетом состава и свойств выбранного нами сырья - некондицонных коконов разработан способ получения гемосорбента, который представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Способ и этапы получения оригинального, волокнистого, полифункционального гемосорбента на основе некондиционных коконов

Способ получения гемосорбента состоит из трех этапов:

На первом этапе разработанного способа некондицонные коконы, выбранные в качестве основного сырья для получения гемосорбента, очищены от органических и неорганических примесей с использованием полярных и неполярных органических растворителей.

На втором этапе данного способа из некондицонных коконов, очищенных от органических и неорганических примесей, в водных условиях выделяли чистые серицин и фиброин, которые могут быть использованы в медицин и фармацевтической промыщленности.

На третьем этапе разработанного способа получен полифункциональный гемосорбент путем гидротермического гидролиза чистого фиброина, очищенного от органических, неорганических примесей и серицина в закрытой системе в водных условиях при высокой температуре под давлением и модификацией под воздействием физических факторов.

На основании разработанного лабораторного метода получения полифункционального, волокнистого гемосорбента на основе чистого фиброина, нами разработана следующая пилотная лабораторная установка по получению гемосорбента. На рис.3. представлена пилотная лабораторная установка получения гемосорбента.

Рисунок 3. Пилотная лабораторная установка получения гемосорбента

1 - органический растворитель, 2 – некондиционные коконы, 3 – лабораторный смеситель, 4 ,8,15,18– воронка Бюхнера, 5,11,14 – емкость для дистиллированной воды, 6,19 – лабораторный сушильный шкаф, 7,13 – автоклав, 9 – чашка Петри (раствор серицина), 10 – сухой, порошковый серицин, 16 – УЗ-диспергатор, 17 – СВЧ-установка

Процесс получения гемосорбента в пилотной установке осуществлен в следующем порядке:

Для очистки исходного сырья от жиро - восковых веществ в реактор (3) загружаются измельчённые некондиционные коконы Bombyx mori (2), заливается сначала неполярный органический растворитель (бензол) (1), процесс промывки продолжают с использованиям полярного органического растворителя (этиловый спирт) (1) для удаления минеральных примесей. Процесс промывки проводится трехкратно при температуре 25 °С в течение 25 минут при модуле 1:10.

Полученные, очищенные от жиро – восковых и минеральных примесей некондиционные коконы фильтруют (4), сушат в сушильном шкафу (6) при температуре 85-90 °С.

После сушки некондиционные коконы загружаются в автоклав (7), заливается дистиллированная вода (5) при модуле 1:10, затем автоклав (7) в закрытом состоянии отправляется на нагревание в печь (6). Продолжительность нагревания составляет 24 часа, температура 110 °С, далее осадок фильтруют 8 путем выпарки фильтрата при 40 °С и получают чистый серицин (10).

Полученный фиброин загружают в автоклав (13), заливают дистиллированную воду (14) при модуле 1:10. Затем автоклав (13) в закрытом состоянии отправляют для нагревания в печь (12) при температуре 210 °С в течение 120 мин. Далее осадок фильтруют (15) и промывают водой (14), затем полученный волокнистый гемосорбент отправляют для ультразвукового диспергирования (16) в течение 20 минут. После этого гемосорбент повторно гидролизируют с помощью СВЧ-облучения (17) в течение 10 минут при мощности 800 Вт. Полученный гидролизованный гемосорбент фильтруют и промывают водой (18), сушат в сушильном шкафу (19) при 60±5 °С.

Разработка технологии получения гемосорбента. На основании разработанного способа получения гемосорбента на пилотной установке нами составлена аппаратурная схема получения гемосорбента на основе чистого фиброина. Аппаратурная схема производства гемосорбента представлена на рис.4.

Рисунок 4. Аппаратурная схема получения гемосорбента

Технология получения гемосорбента по представленной аппаратурной схеме включает следующие этапы:

Перед подготовкой и взвешиванием сырья, помещение и оборудование запускаются в работу.

Вначале взвешивают необходимое количество измельченных некондиционных коконов (1) и помещают в реактор (2) для удаления жиро-восковых, минеральных примесей. Реактор заполняют необходимым объемом бензола (3) и смешивают с сырьем. Затем продукт фильтруют (5). Полученный фильтрат направляют в бункер-сборник гидролизата бензола (6). Измелченные некондиционные коконы, промытые в бензоле, направляют в реактор (2) и снова промывают в этиловом спирте (4). При этом отделенный фильтрат направляется в приемный бункер для гидролизата этилового спирта (7). Отфильтрованный продукт направляют обратно в реактор (2), промывают дистиллированной водой и фильтруют (5). Фильтрат направляют в сток (8). Измельченные некондиционные коконы, промытые органическими растворителями и водой сушат в сушильном устройстве (9) и на следующем этапе направляют в автоклав (10) для отделения серицина. Затем раствор фильтруют (5). Фильтрат, содержащий серицин, направляется в приемный бункер для раствора серицина (12). Измельченные некондиционные коконы, очищенные от серицина, промывают в воде и направляют обратно в автоклав (10), заливают необходимым количеством воды. Смесь фильтруют после завершения процесса гидролиза (11). Гидролизованный фиброин модифицируют с помощью УЗ-диспергирования и СВЧ-облучения (13). После процесса модификации продукт стерилизуют (14) и помещают в стерилизационные колонки (15) в необходимом количестве. В колонки заливают соответствуюущее количество физиологического раствора (16). Простерилизованный готовый продукт, помещенный в колонну, отправляется на склад (17).

Выводы

1. Разработан способ получения натуральных шелковых волокон, не содержащих жиро-восковые примеси и неорганические соединения, путем обработки волокнистых отходов предприятий по переработке натурального шелка и коконов полярными и неполярными органическими растворителями.

2. Разработана технология получения чистого серицина и фиброина в водной среде при высокой температуре под давлением.

3. Разработана технология получения полифункционального, оригинального, волокнистого гемосорбента на основе природного возобновляемого сырья.

Финансирование работы

Исследования выполнены рамках прикладного проекта AL-18-722212919 “Разработка технологии получения оригинальных, полифункциональных гемосорбентов на основе волокнистых отходов предприятий по переработке коконов” при поддержке Агентства инновационного развития Республики Узбекистан.

Список литературы:

1. Пьянова Л.Г. Углеродные сорбенты в медицине и протеомике // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. №19. С. 113-122.
2. 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.
3. Иванова Н.С., Пак Т.С. Медико-биологические испытания сорбента // Национальная ассоциация ученых. 2015. –Т. 9, № 14. –С. 127-131.
4. Тахтаганова Д.Б., Пак Т.С., 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.
5. Морозов А.С., Бессонов И.В. и др. Сорбенты для экстракорпорального удаления токсических веществ и молекул с нежелательной биологической активностью // General reanimatology. 2016. –V. 12, № 6. –С. 82-107.
6. Патент UZ IAP 06273. Рашидова С.Ш., Саримсаков А.А., Ярматов С.С., Балтаева М.М. Способ получения функциональных биологически активных продуктов серицина, гемо- и энтеросорбентов на основе фиброина. 2020. Бюл. № 9.
7. Sarymsakov, A.A., Yarmatov, S.S. & Yunusov, K.E. Preparation and Physicochemical Properties of a Hemosorbent Derived from Bombyx mori Cocoon Fibroin. Russ J Appl Chem 95, 988–995 (2022).
8. Sarymsakov, A.A., Yarmatov, S.S. & Yunusov, K.E. Physicochemical, Sorption, and Morphological Characteristics of Bombyx Mori Silkworm Cocoon Fibroin and a Multifunctional Hemosorbent Obtained on Its Basis. Polym. Sci. Ser. A 65, 256–263 (2023).
9. Сарымсаков А.А., Ярматов С.С., Эшчанов Х.О. Полифункциональные гемосорбенты на основе волокнистых отходов натурального шелка // Журнал Узбекский-химический. 2019. № 3. –С. 67-75.
10. Афанасьева O.K., Алтынова Е.В., Болдырев А.Г. и др. Сравнительный анализ эффективности и специфичности разных сорбентов для афереза липопротеидов низкой плотности // Бюл. эксперим. биологии и медицины. 2006. –Т. 142, № 11. –С. 532–536.
11. Nuraliev M.A., Ismailov E.L., Eralina S.N., Gilev P.N., Swrawbaev A.M. Experimental use of new generation mesoporous carbon hemosorbents laminar type // Bulletin of Kazan Scientific Medical University. 2016. –V. 1. –pp. 44-49.
12. Payen D.M., Guilhot J., Launey Y. et al. Early use of polymyxin B hemoperfusion in patients with septic shock due to peritonitis: a multicenter randomized control trial // Intensive Care Med. 2015. –V. 41, № 6. –pp. 975–984.
13. Sugiura M., Mitaka C., Haraguchi G. Polymyxin Bimmobilized fiber column hemoperfusion mainly helps to constrict peripheral blood vessels in treatment for septic shock // J. Intensive Care. 2015. –V. 3, № 1. -14 p.
14. 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. –V. 739, № 1. –pp. 73–80.
15. Кирковский В.В., Колесникова И.Г., Лобачева Г.А., Седёлкина Е.Л. Биоспецифические гемосорбенты. Успехи и проблемы // Журнал им. Н.В. Склифосовского Неотложная медицинская помощь. 2016. – №2. – С. 16–19
16. Pomarè Montin D, Ankawi G, Lorenzin A, Neri M, Caprara C, Ronco C. Pomarè Montin D, et al. Biocompatibility and Cytotoxic Evaluation of New Sorbent Cartridges for Blood Hemoperfusion // Blood Purif. 2018. –V. 46, № 3. –pp. 187-195.
17. Yakubtsevich R.E., Predko V.A., Ilczak T. and et al. The influence of plasmapheresis and hemosorbtion through “Ovosorb” hemosorbent on albumin binding capacity in patients with sepsis // Advances in Medical Sciences. 2017. –V. 7, -pp. 357-361.
18. Bambauer R., Bambauer C., Lehmann B., Latza R., Schiel R. LDL-Apheresis: Technical and Clinical Aspects // The Scientific World Journal. 2012. –pp. 1-19.